Điều khiển tối ưu các thông số công nghệ trên máy may cắt chỉ tự động

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ TRIẾT HƯNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRÊN MÁY MAY CẮT CHỈ TỰ ĐỘNG Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy Mã số ngành : 02.01.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH VĂN TRÍ Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS ĐẶNG VĂN NGHÌN Caùn chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN VĂN GIÁP Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 10 năm 2004 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2004 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ TRIẾT HƯNG Ngày, tháng, năm sinh: 13-02-80 Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY Phái: Nam Nơi sinh: Long An MSHV: 13.005 I - Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRÊN MÁY MAY CẮT CHỈ TỰ ĐỘNG II - Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ: Phân tích nguyên lý điều khiển vị trí kim máy may cắt tự động nghiên cứu phương án điều khiển tối ưu mặt đáp ứng nhanh với vị trí dừng kim giới hạn công nghệ cho phép Nội dung: - Nghiên cứu lý thuyết nguyên lý điều khiển tối ưu thích hợp cho điều khiển vị trí kim máy may - Xây dựng mô hình thực nghiệm, xác định thông số điều khiển, đo lường đánh giá hiệu phương án điều khiển máy may III - Ngày giao nhiệm vụ: 09 - 02 - 2004 IV - Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 09 - 07 - 2004 V - Họ tên cán hướng dẫn: TS HUỲNH VĂN TRÍ Cán hướng dẫn Chủ nhiệm ngành TS HUỲNH VĂN TRÍ TS PHẠM NGỌC TUẤN Bộ môn quản lý chuyên ngành TS HUỲNH VĂN TRÍ Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày 10 tháng 12 năm 2003 PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH -i- LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn thầy Huỳnh Văn Trí người tận tình hướng dẫn suốt trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Giáp, thầy Đặng Văn Nghìn người đọc cho nhiều ý kiến quý báo giúp cho luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn thầy Trần Cảnh Dũng thầy Hồ Trung Mỹ thầy cô môn Dệt tạo điều kiện thuận lợi cho việc hoàn thành luận văn - ii - TÓM TẮT LUẬN VĂN Giới thiệu chung điều khiển máy may, phân tích đặc điểm yêu cầu hệ điều khiển máy may Trình bày phương pháp sử dụng việc điều khiển máy may, phương pháp lựa chọn hệ điều khiển phù hợp cho máy may với thông số không chắn Giới thiệu lý thuyết điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính cho mô hình rời rạc bất biến theo thời gian - toán LQR Cung cấp sở toán học để xây dựng toán Trình bày phương pháp thiết kế quan sát tối ưu Kalman kết hợp toán LQR với quan sát Kalman để có toán tối ưu LQG Luận văn trình bày phương pháp xác định thông số mô hình cho hệ điều khiển Sau có mô hình máy may, tiến hành thiết kế điều khiển tối ưu cho máy may dựa vào sở lý thuyết Đánh giá so sánh kết đạt với hệ điều khiển trước không dùng kỹ thuật điều khiển tối ưu - iii - ABSTRACT Introduction to sewing machine control, control methods used for controlling a sewing machine and features analysis Selection method for finding a proper controller with uncertain parameter system was presented Introduction to Linear Quadratic Regulator control theory for Linear Time Invariant System and Proximate Time Optimal Servomechanism problem Designing an optimal Kalman observer Combining this observer with a Linear Quadratic Regulator controller Model parameter Identification method was presented to determine unknown model parameters Design of the optimal controller for this model due to prior theory Comparison of experimental results with a classical method and giving conclusion - iv - BẢNG CÁC CHỬ VIẾT TẮT ARE: Phương trình đại số Ricati LQ : Linear Quadratic LQG :Linear Quadratic Gaussian LQO :Linear Quadratic Output LQOR : Linear Quadratic Output Regulator LQR: Linear Quadratic Regulator QFT:Quantitative Feedback Technique RDE: Phương trình sai phân Ricati -v- MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .vi CHÖONG - TOÅNG QUAN 1.1 Cấu tạo yêu cầu hệ thống điều khiển máy may .1 1.2 Các mô hình điều khiển máy may hieän 1.3 Lựa chọn phương pháp điều khiển 1.4 Sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu vào công việc điều khiển máy may 17 CHƯONG - ĐIEAU KHIỂN TOAI ƯU 19 2.1 Phân loại điều khiển tối ưu 19 2.2 Xác định thông số tối ưu 21 2.2.1 Phương pháp thiết kế điều khiển tối ưu độ lớn 21 2.2.2 Phương pháp thiết kế điều khiển tối ưu đối xứng 22 2.3 Điều khiển tối ưu dạng toàn phương 23 2.3.3 Bài toán điều khiển vòng kín trạng thái cuối tự .24 2.3.4 Điều khiển vòng kín với độ lợi Kalman không đổi 26 2.4 Điều khiển tối ưu dạng toàn phương hồi tiếp ngõ 26 2.5 Bộ ước lượng trạng thái .26 2.6 Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính Gauss LQG 28 2.7 Bài toán tác động nhanh .29 CHƯONG - THIEAT KEA BỘ ĐIEAU KHIỂN TOAI ƯU ĐIEAU KHIỂN MAUY MAY 31 3.1 Mô tả mô hình máy may 31 3.2 Xác định mô hình mô hình máy may .33 3.2.1 Thieát keá mô hình xác định thông số máy may .33 3.2.2 Xác định mối quan hệ J ,MC góc quay ϕ .35 3.2.3 Xác định mô men cản quy dẫn hệ thống 39 3.2.4 Xác định mô men quán tính quy dẫn hệ thống 41 3.3 Thiết kế điều khiển 43 3.3.1 Điều khiển tối ưu LQR cho đối tượng dừng độ lợi số .46 3.3.2 Thiết kế điều khiển PID đối xứng 51 3.3.3 Thiết kế lọc Kalman .52 3.3.4 Thiết kế điều khieån LQG .55 3.3.5 Thiết kế điều khiển tác động nhanh 56 3.3.6 Điều khiển maùy may 58 3.4 Chương trình điều khiển cho máy may 59 CHƯƠNG - ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 62 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 69 PHUÏ LUÏC viii - vi - LỜI NÓI ĐẦU May công nghiệp xuất sớm nước ta 10 ngành công nghiệp có tổng giá trị kim ngạch xuất lớn Năm 2003, với tổng kim ngạch xuất tỷ USD ngành đứng hàng thứ hai sau ngành khai thác dầu khí Tuy nhiên, thị trường chủ lực Hoa Kỳ, EU, tiêu chuẩn chất lượng ngày khắc khe, ưu đãi thương mại dần bị bãi bỏ nên sản phẩm may ta phải cạnh tranh gay gắt với sản phẩm may nước khu vực Trung Quốc Vậy muốn tồn phát triển ngành may phải tìm biện pháp để nâng cao chất lượng suất Để làm công việc cần phải có chiến lược cụ thể từ việc nâng cao lực tổ chức quản lý, chiến lược khách hàng, đến nâng cao suất lao động Trong hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến suất chất lượng người máy móc, thực tế cho thấy máy móc giữ vai trò quan trọng Trong công nghiệp sản xuất hàng may mặc, công đoạn may chiếm tỉ trọng lớn ảnh hưởng nhiều đến suất chung, công đoạn sử dụng nhiều loại máy máy may kim chiếm đa số Từ cho thấy máy may kim giữ vai trò định việc nâng cao suất cho ngành may Một giải pháp đơn giản để nâng cao suất thay máy may cũ có máy may điện tử hệ có tốc độ cao Ngày nay, có nhiều máy may đại với tốc độ cao tung thị trường công ty sản xuất thiết bị Châu Âu Nhật Trung Quốc Đài Loan Mặc dù việc thay đổi máy may thực dễ dàng hiệu thực đem lại so vớiø kinh phí đầu tư hạn chế giải pháp Qua tìm hiểu thực tế từ xí nghiệp may Thành phố cho biết số lượng máy may trang bị cấu tự động tình trạng hoạt động tốt lớn Nâng cấp đại hóa máy may chuyển - vii - chúng sang hệ máy may cải tiến, có dao cắt và có thiết bị điều khiển vị trí kim giải pháp kinh tế - kỹ thuật phù hợp nước ta Giải pháp đưa chuyên gia thuộc chương trình MPDF [1] Với quan tâm UBND Thành phố Hồ Chí Minh, nhiều công trình nghiên cứu theo hướng thực đơn vị khác thành phố Trong đó, đề tài NCKH nâng cấp máy may [2] nhóm CBGD Đại Học bách Khoa TPHCM nghiệm thu năm 2003 đánh giá thích hợp đưa vào kiểm nghiệm xí nghiệp may X28 Kết đề tài điều khiển máy may với giá thành rẽ đề tài cho thấy khả thực điều kiện Tuy nhiên, sau bàn giao máy may nâng cấp cho sở sản xuất kiểm nghiệm, chúng tồn số khuyết điểm cần phải tiếp tục cải tiến trình hoạt động Các công việc bao gồm cần thiết kế lại số cấu, cải tiến cấu trúc hệ điều khiển phần cứng lẫn phần mềm (phần giao diện), đảm bảo độ tin cậy làm việc Từ đó, việc nghiên cứu cải tiến trình điều khiển máy may cắt tự động trở nên thiết, có tính định cho công tác chuyển giao công nghệ đề tài nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất Những phân tích lý đời đề tài :” Điều khiển tối ưu thông số công nghệ máy may kim cắt tự động “với nhiệm vụ đề tài này: - Xây dựng sở lý thuyết vững cho lớp toán điều khiển máy may - Thiết kế chương trình điều khiển áp dụng cho số loại máy có - 66 - KẾT LUẬN Luận văn giải toán điều khiển chuyển động máy may sở lý thuyết điều khiển tối ưu LQG giai đoạn bình ổn tác động nhanh giai đoạn độ Kết nhận từ thực tế cho phép tiết kiệm 0,5 s cho lần dừng máy Thời gian tiết kiệm không nhiều để may sản phẩm (áo hay quần) cần vài trăm đến hàng ngàn tác động dừng vậy, hiệu nghiên cứu đem lại cho suất lao động tăng khoảng - % Dựa vào lý thuyết xây dựng phầm mềm điều khiển, giai đoạn may với tốc độ không đổi, hệ thống hoạt động có tính ổn định cao, không bị ảnh hưởng điện áp nguồn hay lực cản công nghệ Khi lập trình cho chip vi điều khiển để trang bị cho loạt máy may nâng cấp, thông số thay đổi loại đầu máy may không ảnh hưởng đến trình điều khiển, tạo điều kiện sản xuất triển khai vào sản xuất hàng loạt Vấn đề công trình nghiên cứu vừa qua kể giải xong Dùng lý thuyết điều khiển hoàn thiện, tối ưu hóa thiết kế công trình nghiên cứu mức độ nâng cấp phần mềm cho vi điều khiển phương pháp mục đích luận văn Kết đạt kiểm nghiệm máy mô hình, bước giai đoạn sản xuất thử chất lượng làm việc hệ thống phải thuyết phục doanh nghiệp Đó mong muốn nghiên cứu Ngoài ứng dụng thực tiển chứng minh, luận văn không dừng lại mặt phương pháp luận lý thuyết túy - 67 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hassan Oteifa, Ngành may mặc Việt nam: gia tăng giá trị (tổng quan) MPDF, số 7, NXB Lao động - Xã hội, 2000, tr.10 - 16 [2] Huỳnh Văn Trí Báo cáo đề tài NCKH "Nghiên cứu đại hóa máy dệt kim đan ngang phẳng máy may" Sở KHCN & MT Thành phố Hồ Chí Minh, 2003 [3] Nguyễn Doãn Phước Điều khiển tối ưu bền vững NXB KH&KT 1999 [4] Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết điều khiển tuyến tính,NXB KH&KT 2002 [5] Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết điều khiển phi tuyến,NXB KH&KT 2003 [6] Nguyễn Thương Ngô Lý thuyết điều khiển tự động đại.NXB KH&KT2003 [7] Nguyễn Thương Ngô Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại.tập 2,3 NXB KH&KT-2003 [8] Phạm công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động NXB KH&KT,1996 [9] Nguyễn Ngọc Cẩn Trang bị điện-điện tử ,NXB ĐHQG Tp.HCM 1999 [10] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink cho kỹ sư điều khiển tự động NXB KH&KT 2003 [11].Nguyễn Văn Giáp, Hướng dẫn sử dụng Matlab NXB ĐHQG Tp.HCM 1999 [12].Nguyễn Doãn Phước, Nhận dạng hệ thống điều khiển,NXB KH&KT 2001 [13].Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện,NXB ĐHQG Tp.HCM 2003 [14].Tống Văn On, Họ vi điều khiển 8951,NXB Lao động 2001 [15].John Van De Vegte, Feedback Control Systems ,Prentce-Hall 1992 [16].Robert N.Bateson, Introduction to Control System Technology Prentce-Hall 1999 [17].Ogata, Modern Control Enginearing McGraw-Hill 1970 [18].Constrntine H.Houpis, Digital Control System McGraw-Hill 1992 [19].Edoardo Mosca Optimal,Predictive and Adaptive Control Prentce-Hall 1995 [20].Kemin Zhou , Robust and Optimal Control Prentce-Hall 1996 [21].Otaga, Designing Linear control systems with matlab Prentce-Hall 1994 [22].Matthew G.Earl “ Design and Implementation of a Minimum Time Transition for an Inverd pendulum” Ithaca new York 14853 [23].Christor G.Cassandras “Optimal for Disrcete Event And Hybrid Sustems”EEC-00-88073 [24].John T.Wen ,Optimal Control ,Lecture 3,6 February 2,2004 [25] Delfim F.M.Torres “ Interals of Motion for Discrete-Time Optimal Control Problems” - 68 - [26] Prof Guy Beale “Optimal Polynomial Control for Discrete-Time Systems” [27] J-P Raymond “Time Optimal Problems with Drichlet boundary Control, Laboratoire MIP [28] Hongjun JEON, Dirk GRUNWALD and Renjeng SU “ design of servo control systems with quadratic optimal control and observed-state feedback control “Department of Electrical and Computer Engineering, Colorado Center for Information Storage, University of Colorado, Boulder, Colorado 80302, USA [29].Habib Istepanian” Suboptimal bang-bang control for DC-DC switched mode converters” University of Portsmouth PO13DJ,UK [30] Phan xuaân Minh, Nguyễn Doãn Phước Lý thuyết điều khiển mờ.- NXB KH&KT,2002 [31] Bùi công Cường, Nguyễn Doãn Phước Hệ mờ mạng nơ ron ứng dụng NXB KH&KT, 2002 [31] Nguyễn Thiện Thành Trí tuệ nhân tạo NXB ĐHQG TPHCM,2004 - 69 - LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Hồ Triết Hưng Ngày,tháng,năm sinh :13 02.80 Nơi sinh : Long An Địa liên lạc : Bộ môn Dệt may Khoa Cơ Khí Trường Đh.Bách Khoa Tp.HCM 268 - Lý Thường Kiệt Q.10 Tp.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 2002: Tốt nghiệp kỹ sư Cơ khí Trường Đh.Bách Khoa Tp.HCM 2002: Học viên Cao học Cơ khí Trường Đh.Bách Khoa Tp.HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC: 2002 - đến nay: Công tác Bộ môn Dệt may Khoa Cơ Khí Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM -viii - Phụ lục A CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC KALMAN % Chuong trinh mo phong bo loc Kalman % Ho triet Hung % 27/7/2004 A=[0 0.2 0;0 -9 3100;0 -400]; B=[0;0;1.667]; C=[0 0]; D=[0]; [F,H]=c2d(A,B,0.1); Qn=input('Nhap gia tri nhieu he thong Rw = ') ; % Nhieu he thong Rn=input('Nhap gia tri nhieu luong Rv = '); % Nhieu luong sys=ss(F,H,C,D); object=ss(F,[H H],C,D,-1); object.inputname={'u','w'}; opject.outputname={'y'}; % Thiet ke bo loc kalman %[kest,L,P]=kalman(object,Qn,Rn)********************************* [kalmf,L,P,M]=kalman(object,Qn,Rn); %kalmf=kalmf(1,:); % Lay hang thu nhat thoi % Tao mo hinh nhieu noise=ss(F,[H H 0*H],[C;C],[0 0;0 1],-1); noise.inputname={'u' 'w' 'v'}; noise.outputname={'y' 'yv'}; %Ghep hai mô hình lai voi sys=parallel(noise,kalmf,1,1,[],[]); % Noi dau #2 voi dau vao #4 SimModel=feedback(sys,1,4,2,1); % Bo ngo #2 SimModel=SimModel([1 3],[1 3]); SimModel.inputname; SimModel.outputname; % Tao tin hieu dau vao [u,tt]=gensig('square',2,30,0.1); u=0.6*u; randn('seed',0); % Tao vec to nhieu w=sqrt(Qn)*randn(length(tt),1); % w nhieu dau vao v=sqrt(Rn)*randn(length(tt),1);% v nhieu luong % Tính cac dap ung [out,x]=lsim(SimModel,[u,w,v],tt); % Phuc vu cho cong viec tinh ve thi yn=out(:,1); ye=out(:,2); -ix - yv=yn+v; % Sai so luong va sai so quan sat emeas=yn-yv; covEmeas=sum(emeas.*emeas)/length(emeas); oobs=yn-ye; covOobs=sum(oobs.*oobs)/length(oobs); %Tinh phuong sai cua chung covarian=[cov(emeas) cov(oobs)] % Ve thi minh hoa hold off; subplot(311); plot(tt,yn); title('Tin hieu khong co nhieu') ylabel('y ly tuong') subplot(312); plot(tt,yn,'b-',tt,ye,'r.');% Duong mau la duong uoc luong, mau xanh la ngo title('Tin hieu co nhieu') ylabel('Dau :yn,ye') subplot(313); plot(tt,emeas,':',tt,oobs,'k-');% Duong mau den chi sai lech giua thuc va uoc luong title('Sai lech uoc luong va SL luong'); K P L M -x - Phụ lục B CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR % chuong trinh mô phong bo dieu khien LQR % ho Triet Hung % Ngay 28/7/2004 A=[0 0.2 0;0 -9 3100;0 -400]; B=[0;0;1.667]; C=[1 0]; FF=[1 0]; JJ=[0 0]; LL=[0 1]; % Nhap gai tri chu ky lay mau %T=input('Nhap vao chu ky lay mau T='); T=0.1; % chuyn san mo hinh gian doan voi chu ky T [F,H]=c2d(A,B,T); D=[0]; %Nhap gia tri R va Q % Nhap cac gia tri toi da cho phep OSmax=input('Nhap gia tri vot lo cho phep=') Tdumax=input('Nhap gia tri thoi gian dap ung cho phep=') VVvmax=input(' Nhap gia tri van toc gioi han=') Vmacc=input('Nhap gia tri gioi han cua cdcho phep=') q10=input('Nhap gia tri q10='); Q=[q10 0;0 0;0 0]; R=input('Nhap gia tri R='); AQ=[sqrt(Q);sqrt(Q)*A;sqrt(Q)*A^2]; nn=rank(AQ); while nn~=3 q10=input('Nhap gia tri q10='); Q=[q10 0;0 0;0 0] R=input('Nhap gia tri R='); AQ=[sqrt(Q);sqrt(Q)*A;sqrt(Q)*A^2]; nn=rank(AQ); end % tao dieu kien chay vong lap dau tien [K,P,E]=dlqr(F,H,Q,R) FFF=F-H*K; HHH=H*K(1); CCC=C; DDD=D; % Nhap cac gia tri yeâu cau [num,den]=ss2tf(FFF,HHH,CCC,DDD); r=ones(1,101); -xi - % Xac dinh gioi han cac truc axis([0 100 -1 2]); k=0:100; % Xac dinh dap ung cua he thong y=filter(num,den,r); % chia chương man hinh 2*2 phan lay phan thu % Xac dinh gia tri cuc dai Tmax=max(y) % Xac dinh gia tri xac lap Yss=polyval(num,1)/polyval(den,1); % Do vot lo OS=100*(Tmax-Yss)/Yss; % tinh thoi gian dap ung nn=1; while y(nn)0.95*Yss)&(y(l)OSmax)|(Tdu>Tdumax)|(VVmax>VVvmax)|(Vmax>Vmacc) -xii - q10=input('Nhap gia tri q10='); Q=[q10 0;0 0;0 0]; R=input('Nhap gia tri R='); AQ=[sqrt(Q);sqrt(Q)*A;sqrt(Q)*A^2]; nn=rank(AQ) while nn~=3 q10=input('Nhap gia tri q10='); Q=[q10 0;0 0;0 0] R=input('Nhap gia tri R='); AQ=[sqrt(Q);sqrt(Q)*A;sqrt(Q)*A^2]; nn=rank(AQ) end % tao dieu kien chay vong lap dau tien [K,P,E]=dlqr(F,H,Q,R); FFF=F-H*K; HHH=H*K(1); CCC=C; DDD=D; % Nhap cac gia tri yeâu cau [num,den]=ss2tf(FFF,HHH,CCC,DDD); r=ones(1,101); % Xac dinh gioi han cac truc axis([0 100 -1 2]); k=0:100; % Xac dinh dap ung cua he thong y=filter(num,den,r); % chia chương man hinh 2*2 phan lay phan thu % Xac dinh gia tri cuc dai Tmax=max(y) % Xac dinh gia tri xac lap Yss=polyval(num,1)/polyval(den,1) % Do vot lo OS=100*(Tmax-Yss)/Yss % tinh thoi gian dap ung nn=1; while y(nn)0.95*Yss)&(y(l)