Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển pid

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN NHẤT NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN NHẤT NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Văn Nhất Sinh ngày:18 tháng 11 năm 1987 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện cơng tác tại: Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Trần Văn Nhất Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong trình thực đề tài nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy TS Đặng Danh Hoằng giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo cịn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Trần Văn Nhất Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt ii iii v Danh mục bảng biểu v Danh mục hình vẽ đồ thị vi Mở đầu Chƣơng- TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1 Các yêu cầu hệ truyền động có khe hở 2 1.1.1 Truyền động xác 1.1.2 Truyền động tốc độ cao 1.1.3 Truyền động công suất lớn 1.1.4 Độ hở mặt bên 2 1.2 Những ảnh hưởng tác động đến hệ truyền động qua bánh 1.2.1.Ảnh hưởng đàn hồi đến phần hệ thống truyền động 1.2.2 Ảnh hưởng ma sát hệ thống truyền động 1.2.3 Ảnh hưởng khe hở hệ thống truyền động 1.3 Những đặc trưng ăn khớp cặp bánh 1.3.1 Điều kiện ăn khớp 1.3.2 Điều định nghĩa sở biến ngôn ngữ vào hàm liên thuộc coi neural (hệ thần kinh) Vì hệ logic mờ coi hệ làm việc có tư “bộ não dạng trí tuệ nhân tạo” Nếu khẳng định sử dụng hệ logic mờ điều khiển giải toán mà hệ điều khiển kinh điển PID chưa giải chưa hẳn xác, hoạt động điều khiển mờ phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm hiểu biết đối tượng tổng kết kết theo tư người làm điều khiển, từ xác định tham số tối ưu cho điều khiển mờ Với đặc điểm nói điều khiển mờ có hai tính chất bản: 32 - Một hệ thống trí tuệ nhân tạo (điều khiển thơng minh) - Một hệ thống điều khiển thiết kế mà khơng cần biết trước mơ hình đối tượng Bộ não hệ logic mờ luật hợp thành luật hợp thành tên chung gọi mơ hình R biểu diễn hay nhiều hàm thuộc cho hay nhiều mệnh đề hợp thành, nói cách khác luật hợp thành hiểu tập hợp nhiều mệnh đề hợp thành có chung dạng cấu trúc: Nếu A1 = Ak1 An = Akn Thì B1 = Bk1 Bm = Bkm với k = 1,2,… Một luật hợp thành có dạng: - Luật hợp thành đơn cho hai loại: cấu trúc SISO; cấu trúc MISO - Luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành Ta mơ tả dạng luật hợp thành hình 3.3 Hình 3.3: Luật hợp thành * Luật hợp thành với tín hiệu điều khiển ỏp ng ca h logic Hình 2.4: Luật hợp thành nÃo điều khiển mờ m gọi Luật hợp thành đơn Các mệnh đề luật hợp thành đơn có dạng: Nếu A = A Thì B = B Về chất, mệnh đề hợp thành đơn phép tốn “phép suy diễn” (Từ A suy B) Những “tín hiệu” vào/ra Ak/Bk luật hợp thành gọi biến 33 ngôn ngữ Những giá trị Ak1 Bk1 biến ngôn ngữ hệ logic mờ gọi giá trị ngơn ngữ * Như hình 3.3 minh họa hệ logic mờ MIMO đưa thành mạng nối song song nhiều hệ logic mờ MISO Bởi để cài đặt mệnh đề hợp thành với cấu trúc: Nếu A1=Ak1  An=Akn B1=Bk1  Bm=Bkm (3.1) Cho hệ logic mờ MIMO ta cần cài đặt nhiều lần song song mệnh đề có đầu ứng với hệ MISO đủ: Nếu A1=Ak1  An=Akn B=Bk (3.2) * Để cài đặt luật hợp thành có mệnh đề dạng (3.1) ta thực bước sau: Thực việc kết hợp (mờ hóa) tất giá trị đầu vào biến ngơn ngữ Ak(đầu vào) để có giá trị Hq làm đại diện hình (3.4) Giả sử đầu vào có giá trị rõ xj(của đầu vào Aj ) Vậy để tính giá trị đại diện Hq tương ứng mệnh đề hợp thành ta tiến hành hai bước sau: - Xác định tất giá trị Hqj = Aqj(xj ) - Xác định Hq giá trị nhỏ số giá trị Hqj tính Nếu A1 = A11 Am = A1m th ì B = B1 Nếu A1 = Ak1 Am = Akm th ì B = Bk Với q = 1, 2, , k Nếu A1 = Aq1 Am = Aqm th ì B = Bq Hq = j m Aqj ( x j ) Nếu A = Aq th ì B = Bq A có giá trị rõ đầu vào xj = 1, 2, , m Hình 3.4: Mờ hố 34 Giá trị Hq gọi độ thỏa mãn đầu vào mệnh đề hợp thành kép cho lúc mệnh đề xem tương đương với mệnh đề đơn Nếu A=Aq B= Bq , (3.3) Trong tập mờ nhận Hq làm độ thỏa mãn Nói cách khác từ giá trị rõ xj đầu vào Ak ta thông qua tập mờ Akj chuyển thành giá trị rõ x làm đại diện để với có được: Hq = (x) (3.4) Thực phép suy diễn mờ để xác định giá trị mờ Bq cho mệnh đề hợp thành (3.3) Hình 3.5: Thực phép suy diễn mờ Kết phép suy diễn mờ A B tập mờ B' với B có hàm thuộc A B(y) thỏa mãn: A(x) A B(y) Khi với B(y) A(x), = có B(y) A B(y) 0,1 =0 (3.5) (3.6) Nếu có A1 (x) < A2 (x) có A1 B(y) < A2 B(y) (3.7) Nếu có B1 (y) < B2 (x) có A B1 (y) < A B2 (y) (3.8) Hai công thức xác định A B(y) A B(y) = A B(y) = thường dùng điều khiển là: A(x0), B(y) A(x0) B(y) Luật Luật prod (3.9) (3.10) 35 Thực phép hợp mờ để có giá trị mờ cho luật hợp thành từ tất giá trị mờ mệnh đề hợp thành luật hợp thành Việc thực phép hợp mờ minh họa hình 3.6: Hình 3.6: Thực phép hợp mờ Hợp A B hai tập mờ A B hiểu tập mờ gồm tất phần tử hai tập A, B cho, hàm thuộc A B (x) phần tử A B không mâu thuẫn với phép hợp hai tập kinh điển Hai công thức thường dùng điều khiển là: A B(x) = max A B(x) = 1, A(x) , B(x) A(x)+ B(x) Luật MAX (3.11) Luật SUM (3.12) Tóm lại, nếu: Mệnh đề “Nếu A=A1 B =B1 “ có giá trị C1 (3.13) Mệnh đề “Nếu A =Ak B =Bk “ có giá trị Ck tồn luật hợp thành có giá trị C = C1  Ck * Giải mờ Sau có kết luật hợp thành tập mờ, trước đưa giá trị điều khiển ta phải giải mờ tập mờ Điều dễ hiểu đối tượng làm việc với giá trị cụ thể (giá trị rõ) không làm việc với giá trị mờ (tập mờ) Giải mờ trình xác định giá trị rõ y0 từ tập tập mờ B' để làm đại diện cho B' (là tập mờ kết luật hợp thành) 36 Trong điều khiển thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chính: Điểm trung bình: Giá trị rõ y0 giá trị trung bình giá trị có độ thỏa mãn cực đại B’(y) Nguyên lý thường dùng miền hàm B’(y) miền lồi y0 giá trị có độ phụ thuộc lớn Trong trường hợp B' gồm hàm liên thuộc dạng đối xứng giá trị rõ y0 không phụ thuộc vào độ thỏa mãn đầu vào luật điều khiển Điểm cực đại: Giá trị rõ y0 lấy cận trái/phải cực đại B’(y) Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái/phải phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa mãn đầu vào luật điều khiển hình 3.7 Điểm trọng tâm: Phương pháp cho kết y0 hoành độ điểm trọng tâm miền bao trục hoành đường B’(y) Đây nguyên lý dùng nhiều Hình 3.7 Những nguyên lý giải mờ * Cấu trúc hệ logic mờ Giống điều khiển kinh điển, hệ logic mờ có nhiều tín hiệu vào nhiều tín hiệu Ta phân chia chúng thành nhóm + Nhóm SISO có đầu vào đầu + Nhóm MIMO có nhiều đầu vào nhiều đầu + Nhóm SIMO có đầu vào nhiều đầu + Nhóm MISO có nhiều đầu vào đầu ... pháp điều khiển để điều khiển hệ thống truyền động có khe hở (cụ thể hệ truyền động bánh răng) Nhiệm vụ cụ thể Nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở điều khiển mờ chỉnh định. .. Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 3.1.2.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc hình vẽ: Bộ điều khiển mờ KP x... TRẦN VĂN NHẤT NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216