Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán pid kết hợp lffc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  NGUYỄN VĂN ĐẠT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY IN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID KẾT HỢP LFFC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THÁI NGUN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  NGUYỄN VĂN ĐẠT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY IN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID KẾT HỢP LFFC Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Cương THÁI NGUN – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Văn Đạt Sinh ngày 17 tháng năm 1987 Học viên lớp cao học khoá 14 CHKTĐT - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Trường Cao đẳng nghề điện h Thọ Xin cam đoan luận văn “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC” thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn đ ng nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Đạt Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình gi p đỡ thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật tốn PID kết hợp LFFC” hồn thành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Duy Cương tận tình dẫn, gi p đỡ tơi hồn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, gi p đỡ suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Đạt Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .3 1.1 Cấu tạo, cấu tr c máy in (công nghệ in) 1.2 Mơ hình tốn máy in theo phương 1.3 Các yếu tố gây chuyển động thiếu xác cho hệ thống máy in .5 1.3.1 Các nhiễu lặp cho đối tượng 1.3.2 Bất định mơ hình 1.4 Khó khăn cần đối mặt thiết kế hệ thống điều khiển 1.5 Tổng quan nghiên cứu nước .9 1.6 Động lực cho việc sử dụng điều khiển ID truyền thống kết hợp Learning Feed-Forward 11 1.7 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệm vụ tác giả 12 1.8 Mong muốn đạt .14 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LEARNING FEED-FORWARD CONTROL (LFFC) VÀ MODEL REFERENCE ADAPTIVE SYSTEMS (MRAS) 16 2.1 Tổng quan LFFC 16 2.1.1 Giới thiệu 16 2.1.2 Điều khiển học (Learning Control - LC) 16 2.1.3 Bộ điều khiển học sử dụng sai lệch phản hồi (Feedback Error Learning FEL) 20 2.1.4 Learning Feed forward Control (LFFC) 22 2.2 Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu .22 2.2.1 Khái quát chung .23 2.2.2 Cơ chế thích nghi .27 2.2.3 hương pháp ổn định Liapunov 29 2.3 Bộ điều khiển LFFC sở MRAS 32 Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv 2.3.1 Khái niệm chung 33 2.3.2 MRAS dựa điều khiển Feed - Forward 35 2.3.3 Luật điều khiển thích nghi 37 2.4 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ HỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LFFC TRÊN CƠ SỞ MRAS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY IN 43 3.1 Cấu tr c hệ thống với điều khiển LFFC dựa MRAS 43 3.2 Tính tốn thơng số 45 3.3 Mô hệ thống 46 3.4 Kết luận Chương 50 CHƯƠNG 4: TH C NGHIỆM 51 4.1 Giới thiệu hệ thống máy in .51 4.2.Cấu tr c điều khiển hệ thống 52 4.3 Kết luận Chương 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều AD Analog digital Bộ biến đổi tương tự -số DC Direct Current Dòng điện chiều FEL Learning Feedback Error ILC Interative learning control LC Learning Control Điều khiển học sai lệch phản hồi Điều khiển học theo trình lặp Bộ điều khiển học LFFC Learning Feed Forward Control MRAS Model Reference Adaptive System STR PWM PID Hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu Self Tuning Regulator Bộ điều khiển tự chỉnh Pulse – width modulation Điều chế độ rộng xung Proportional - Integral - Derivative Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH1 1: Cấu tr c thực nghiệm máy in HÌNH1 2: Mơ hình tốn bậc hai HÌNH 3: Hệ thống chuyển động điện HÌNH 4: Mơ hình đối tượng nhiễu lặp .6 HÌNH 1: Cực tiểu cục kỹ thuật học 18 HÌNH 2: Bộ điều khiển phản hồi sai lệch .20 HÌNH 3: Đối tượng nhiễu lặp 21 HÌNH Hệ thích nghi tham số 25 HÌNH Hệ thích nghi tín hiệu 26 HÌNH Điều khiển sơ cấp cấp hai 27 HÌNH Mơ hình mẫu đối tượng 28 HÌNH 8: MRAS cho thích nghi tham số điều khiển 34 HÌNH 9: MRAS với mơ hình hiệu chỉnh cho nhận dạng tham số .34 HÌNH 10 Cấu tr c MRAS với khâu khởi tạo tín hiệu đặt 35 HÌNH2 11 Nhận dạng mơ hình ngược đối tượng .36 HÌNH2 12 Bộ điều khiển LFFC 37 HÌNH3 1: Cấu tr c hệ thống với điều khiển LFFC dựa MRAS 44 HÌNH3 2: Cấu tr c chi tiết hệ thống 45 HÌNH 3: Cấu tr c mơ hệ thống 46 HÌNH3 4: Cấu tr c hệ thống simulink 47 HÌNH 5: Cấu tr c LFFC lọc SVF .48 HÌNH 6: Kết mơ giá trị thích nghi am, bm, cm .49 HÌNH4 1: Hệ thống thực nghiệm .51 HÌNH4 2: Cấu tr c điều khiển hệ thống 52 HÌNH 3: Cấu hình cổng kết nối 52 HÌNH4 4: Cấu hình thời gian thực 53 HÌNH4 5: Cấu hình đọc encoder 53 HÌNH4 6: Cấu tr c lọc 54 Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii HÌNH 7: Cấu hình xuất tín hiệu WM 54 HÌNH 8: Điều khiển tốc độ chiều quay động 55 HÌNH 9: Cấu hình đầu số 55 HÌNH 10: Cấu tr c điều khiển mơ hình thực 56 HÌNH 11: Kết thực nghiệm 56 Soá hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, điều khiển chuyển động xác, tốc độ cao ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất đời sống điều khiển máy in, điều khiển hành trình, điều khiển cánh tay robot v.v Đã có nhiều phương pháp khác nh m thực nhiệm vụ dùng điều khiển ID truyền thống, STR (Self Tuning Regulator) v.v Tuy nhiên, hệ thống máy in, yêu cầu điều khiển hình in phải giống hình mẫu, tốc độ in cao (năng suất cao) lại đối mặt với nhiều khó khăn như: thông số đối tượng điều khiển thay đổi, tác động xấu nhiễu đo, tác động nhiễu hệ thống Do máy in làm việc với yêu cầu độ ổn định độ xác cao điều khiển thể hạn chế Hệ thống điều khiển thích nghi hệ thống mà cấu tr c tham số điều khiển thay đổi theo biến thiên thông số hệ cho chất lượng đảm bảo tiêu định Đặc biệt hệ điều khiển Learning Feed Forward Control (LFFC) sở thích nghi theo mơ hình mẫu (Model Reference Adaptive System: MRAS), nghiên cứu thiết kế ứng dụng thực tế Bộ điều khiển có ưu điểm có khả kháng nhiễu hệ thống (System Noise) có hiệu quả, nhờ độ xác độ ổn định hệ đồng thời đạt Việc ứng dụng Learning Feed Forward sở MRAS để điều khiển xác vị trí máy in s nâng cao chất lượng hệ thống Vì tác giả lựa chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC” Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng thuật toán ID kết hợp LFFC để điều khiển chuyển động máy in hương pháp nghiên cứu đề tài sau: - Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mơ hình tốn hệ máy in, thiết kế điều khiển - Kiểm chứng kết thiết kế thông qua mô b ng phần mềm Matlab Simulink thực nghiệm mơ hình thực Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 46 nhiên, ưu điểm vượt trội mơ hình điều khiển tốc độ thích nghi nhanh hơn, độ ổn định cao nhạy cảm với nhiễu Cơng thức (1.6) áp dụng mơ hình mẫu đối tượng có dạng bậc Như với đối tượng có hàm truyền bậc cao hơn, tính tốn ta phải sử dụng hàm xấp xỉ bậc ch ng Bộ điều khiển FF áp dụng (bù, hiệu chỉnh) cho hệ thống với đối tượng có dạng bậc trở xuống nên hạn chế phương pháp 3.3 Mô hệ thống * Cấu trúc mơ Tín hiệu lọc LFFC + + + + e am bm cm SVF P21 ė Uff + + P22 NL Nhiễu đo lường n x r R r r e phát tín Bộ hiệu đặt Kp + + d dt + Đối tượng + + - + + + Ufb Kd HÌNH 3: Cấu tr c mơ hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ + y 47 HÌNH3 4: Cấu tr c hệ thống simulink Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 48 HÌNH 5: Cấu tr c LFFC lọc SVF Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 49 HÌNH 6: Kết mơ giá trị thích nghi am, bm, cm Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 50 3.4 Kết luận Chương Từ sở lý thuyết Chương Chương 2, xây dựng điều khiển LFFC sở MRAS cho máy in Kết điều khiển kiểm chứng b ng mô phần mềm Matlab simulink Qua kết mô có kết luận: - Hệ thống hoạt động ổn định - Tín hiệu thực bám với tín hiệu đặt cho tín hiệu đặt biến đổi Trong luận văn giả thiết tín hiệu đặt (vị trí đặt) biến thiên theo quy luật hàm Step Kết đ ng cho vị trí đặt - Tín hiệu bám tốt, với nhiễu đo tác động vào hệ thống, điều khiển LFFC sở MRAS tạo tín hiệu bù phù hợp để khử tín hiệu nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 51 CHƯƠNG : TH C NGHIỆM 4.1 Giới thiệu hệ thống máy in Công tắc hành trình Con trượt Cầu H Arduino Board Động bánh HÌNH4 1: Hệ thống thực nghiệm Hệ thống máy in có thành phần: Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) giao tiếp với máy tính, xuất tín hiệu mạch cơng suất (Cầu H) để điều khiển động cơ; Mạch cầu H: Thực nhiệm vụ đảo chiều động cơ; Công tắc hành trình dùng để giới hạn hành trình chuyển động trượt; Động dùng để truyền động hệ thống; Cơ cấu bánh để thay đổi tỉ số truyền Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 52 4.2.Cấu trúc điều khiển hệ thống HÌNH4 2: Cấu tr c điều khiển hệ thống Việc điều khiển chuyển động bám xác cho hệ thống thực qua điều khiển vị trí, việc thực qua điều khiển động servo Tín hiệu hệ thống máy in bám xác theo tín hiệu đặt, có sai lệch, tín hiệu hệ thống qua encoder s gửi so sánh với giá trị đặt điều khiển, từ điều khiển s gửi tín hiệu để điều khiển động cho tín hiệu bám chặt theo tín hiệu đặt Hệ thống cho phép thực điều khiển kiểu hai đầu vào đầu HÌNH 3: Cấu hình cổng kết nối Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 53 HÌNH4 4: Cấu hình thời gian thực HÌNH4 5: Cấu hình đọc encoder Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 54 HÌNH4 6: Cấu tr c lọc HÌNH 7: Cấu hình xuất tín hiệu WM Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 55 HÌNH 8: Điều khiển tốc độ chiều quay động HÌNH 9: Cấu hình đầu số Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 56 HÌNH 10: Cấu tr c điều khiển mơ hình thực Tín hiệu mẫu Tín hiệu thực HÌNH 11: Kết thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 57 Kết luận Chương Để kiểm chứng kết mô Chương 3, xây dựng mơ hình thực nghiệm sử dụng điều khiển LFFC sở MRAS để điều khiển máy in Từ kết điều khiển đưa kết luận sau: - Hệ thống hoạt động ổn định - Tín hiệu thực bám với tín hiệu đặt cho tín hiệu đặt biến đổi - Kết đ ng cho vị trí đặt - Tín hiệu bám tốt, với nhiễu đo tác động vào hệ thống, điều khiển LFFC sở MRAS tạo tín hiệu bù phù hợp để khử tín hiệu nhiễu Ở quan tâm nhiễu Coulomb Số hóa Trung tâm Học lieäu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Trong Chương chương 2, tác giả xây dựng mơ hình tốn sở lý thuyết điều khiển cho hệ thống máy in - Trong Chương 3, tác giả tiến hành mô Matlab/ Simulink nhận kết khả quan tính đ ng đắn lý thuyết - Trong Chương 4, tác giả xây dựng mơ hình thực nghiệm cho hệ thống, kết nhận lần cho thấy hệ thống điều khiển tốt Qua phần trên, tác giả nhận thấy, kết điều khiển xác máy in thực tốt, nhiên tác giả mong muốn thời gian tới s nghiên cứu phương pháp điều khiển như: Kết hợp LQG mạng Nơron để điều khiển đối tượng Mặt khác, tác giả s phát triển hệ thống điều khiển theo phương X, Y Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yu-Feng Li, “High PrecisionMotionControl Based on a Discrete-time Sliding Mode Approach”, Doctoral Thesis, Stockholm 2001 [2] Nguyen Duy Cuong, “Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems”, Doctorate dissertation, 2008 [3] Dirne, H., “Demonstrator of Advanced Controller”, Master thesis, University of Twente, The Netherlands, May 2005 [4] Coelingh, H J., “Design Support for Motion Control Systems: A Mechantronic Approach”, PhD thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2000 [5] Ahn, H S., Chen, Y Q., and Dou, H., “State Periodic Adaptive Compensation of Cogging And Coulomb Friction In Permanent Magnet Linear Motors”, American Control Conference, Portland, OR, USA, 2005 [6] Otten, G., de Vries, Theo J A., Van Amerongen, J., Rankers, A M., And Gaal, E W., “Linear Motor Motor Motion Control Using A Learning Feed-Forward Controller”, IEEE/ ASME Transactions On Mechatronics, Vol 2, No 3, 1997 [7] Ge, S S., Lee, T.H., and Ren, S X., “Adaptive Friction Compensation of Servo Mechanisms”, International Journal of Systems Science, Volume 32, Number 4, Pages 523-532, 2001 [8] Lammerts, Ivonne M M., 1993, “Adaptive Computed Reference Computed Torque Control of Flexible Manipulators”, PhD Thesis, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands [9] Nguyễn Doãn hước, han Xuân Minh: Điều khiển tối ưu bên vững, NXB Khoa học kĩ thuật, 1999 [10] W.J.R Velthuis Learning Feed-Forward Control: Theory, Design And Application Phd Thesis, University of Twente, Enschede, the Netherlands, 2000 [11] Amerongen, J.van; Intelligent Control (part 1)- MRAS, Lecture notes; University of Twente, The Netherlands, March, 2004 Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 60 [12] Amerongen, J.van; A MRAS- based Learning Feed Forward controller; University of Twente, The Netherlands, March, 2006 [13] Nguyễn Doãn hước, han Xuân Minh, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2006 [14] Karl J.Astrom & Bjorn Wittenmark; Adaptive control, Addison-Wesley Publishing Company, 1995 [15] Amerongen, J.van; Adaptive steering of ships- a model reference approach, Automatica 20 [16] hạm Đăng hước;Rôbốt công nghiệp; NXB Khoa học kĩ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ... MRAS để điều khiển xác vị trí máy in s nâng cao chất lượng hệ thống Vì tác giả lựa chọn đề tài: ? ?Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC? ?? Luận... kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Trường Cao đẳng nghề điện h Thọ Xin cam đoan luận văn ? ?Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC? ??... NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  NGUYỄN VĂN ĐẠT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG MÁY IN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID KẾT HỢP LFFC Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: