Nhận dạng tham số trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - TRẦN MỸ HẠNH NHẬN DẠNG THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - TRẦN MỸ HẠNH NHẬN DẠNG THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 KHOA CHUN MƠN CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phịng ban chức năng, thầy giáo đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! NGƯỜI THỰC HIỆN Trần Mỹ Hạnh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Trần Mỹ Hạnh Học viên: Lớp cao học K16 Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đơn vị cơng tác: Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên Tên đề tài luận văn thạc sỹ: "Nhận dạng tham số hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều" Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số học viên: TNU13860520216007 Sau năm học tập, rèn luyện nghiên cứu trường em lựa chọn thực đề tài tốt nghiệp: "Nhận dạng tham số hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều" Được giúp đỡ hướng dẫn tận tình giáo TS Nguyễn Thị Mai Hương nỗ lực thân đề tài hồn thành Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân em Nội dung luận văn tham khảo trích dẫn tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Trần Mỹ Hạnh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn năm 2016 iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Mơ hình động chiều 1.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Dạng sai phân 1.2.3 Dạng rời rạc 1.3 Hàm nhạy hàm bù nhạy 1.4 Các quy luật điều chỉnh 1.4.1 Quy luật điều chỉnh P 1.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 11 1.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 12 1.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 12 1.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 13 1.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 13 1.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 14 1.5.2.1 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 14 1.6 Sơ đồ khối điều chỉnh PID động chiều DSP - TMS320F28069 15 1.7 Giới thiệu TMS320F28069 16 CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 24 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 2.1 Những khái niệm nhận dạng 24 2.1.1 Tại phải nhận dạng 24 2.1.2 Khái niệm nhận dạng hệ thống điều khiển 26 2.2 Phân loại toán nhận dạng 26 2.2.1 Phân loại theo tín hiệu vào/ra 26 2.2.2 Phân loại theo điều kiện tiến hành nhận dạng 26 2.2.3 Phân loại theo lớp mơ hình thích hợp 27 2.2.4 Phân loại theo sai số mơ hình mơ hình thực 27 2.2.5 Lớp mơ hình thích hợp đối tượng điều khiển 29 2.3 Các phương pháp nhận dạng 29 2.3.1 Nhận dạng mơ hình hệ thống phương pháp quy hoạch thực nghiệm 29 2.3.1.1 Các khái niệm nhận dạng quy hoạch thực nghiệm 29 2.3.1.2 Nhận dạng mơ hình thống kê phương pháp bình phương cực tiểu 31 2.3.1.3 Nhận dạng mơ hình thống kê tuyến tính biến số 32 2.3.2 Nhận dạng mơ hình liên tục, tuyến tính có tham số từ mơ hình khơng tham số 37 2.3.2.1 Những kết luận tổng quát để xác định tham số mơ hình từ hàm q độ h(t) 38 2.3.2.2 Các mơ hình đối tượng, hệ thống điều khiển thường gặp 42 2.3.2.3 Xác định tham số cho mơ hình PT1 43 2.3.2.4 Xác định tham số cho mơ hình IT1 ITn 45 2.3.3 Nhận dạng mơ hình tham số mơ hình ARMA 46 2.3.3.1 Bài tốn nhận dạng mơ hình ARMA 46 2.3.3.2 Bài tốn tương đương mơ hình chuẩn 47 2.3.3.3 Nhận dạng tham số mô hình AR theo phương pháp Yule –Walker 48 2.3.3.3 Nhận dạng tham số mơ hình MA 49 2.3.3.4 Nhận dạng tham số mơ hình ARMA 50 2.4 Điều khiển phản hồi 53 2.4.1 Mơ hình động chiều có điều khiển hồi tiếp 53 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 2.4.2 Điều khiển dòng điện 56 2.4.3 Bộ điều khiển tốc độ 58 2.4.3.1 Ước lượng tốc độ 59 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 64 3.1 Phương pháp ước lượng tham số DMS-COL 64 3.1.1Bài toán ước lượng tham số hệ phương trình đại số vi phân .64 3.1.2 Phương pháp dò đa điểm trực tiếp (Direct Multiple Shooting - DMS) 65 3.1.3 Phương pháp xắp đặt phần tử hữu hạn (Collocation on finite elementsCFE) 67 3.1.4 Kết hợp phương pháp DMS xếp (DMS-COL) 67 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 70 4.1 Ước lượng tham số động chiều phương pháp bình phương tối thiểu 70 4.2 Áp dụng phương pháp DMS-COL ước lượng tham số động điện chiều: 74 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1: Mạch vịng điều khiển kinh điển Hình 1.2: Mơ hình mơ với điều khiển PID kinh điển Hình 1.3: Đáp ứng điều khiển kiểu P 10 Hình 1.4: Đáp ứng điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 11 Hình 1.5: Đáp ứng điều khiển kiểu PI 12 Hình 1.6: Đáp ứng điều khiển kiểu PD 12 Hình 1.7: Đáp ứng điều khiển kiểu PID 13 Hình 1.8: Đáp ứng điều khiển kiểu P 15 Hình 1.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 16 Hình 1.10: Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 17 Hình 1.11: PN/ PFP 80 chân 18 Bảng 1.1: Tính TMS320F28069 19 Hình 1.12: Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 20 Hình 1.13: Các khối ngoại vi 22 Hình 2.1: Hệ thống chưa biết cấu trúc (hộp đen) 24 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 25 Hình 2.3: Sai lệch đầu 27 Hình 2.4: Sai lệch tổng quát 28 Hình 2.5: Sai lệch đầu vào 28 Hình 2.6: Đường cong hồi quy thực nghiệm cần tìm 33 Hình 2.7: Các hàm độ hệ thống điều khiển 39 Hình 2.8: Hàm độ h(t) 43 Hình 2.9: Cách xác định T 45 Hình 2.10: Hàm độ h(t) 46 Hình 2.12: Tách mơ hình ARMA 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii Hình 2.13: Sơ đồ nhận dạng bị động mơ hình ARMA 51 Hình 2.14 Cấu trúc hở động chiều (optical Encoder: Encoder quang học, Counter: đếm) 53 Hình 2.16 (a) Đầu đầu đo cho trường hợp quay theo chiều kim đồng hồ (b) Trường hợp quay ngược chiều kim đồng hồ 55 Hình 2.17 Đồ thị θ(t) đầu encoder (2π/2000)N(t) 56 Hình 2.18 Các khối động chiều 57 Hình 2.19 Mơ hình giảm bậc động chiều 58 Hình 2.20 Bộ điều khiển tốc độ đơn giản sử dụng cho động chiều 58 Hình 2.21 Đồ thị tốc độ tính tốn phương pháp sai phân lùi Giới hạn sai số ( 2π/2000)/(0.0005)=6.28 rad/s 61 Hình 3.1 Phương pháp kết hợp DMS-COL 68 Bảng 4.1: Kết sau chạy chương trình sau: 73 Hình 4.1 Điện áp phần ứng (V) 75 Hình 4.2 Biến đại số Y1ước lượng theo phương pháp DMS-COL .75 Hình 4.3 Biến đại số Y1 ước lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu 76 Hình 4.4 Biến đại số Y2 ước lượng theo phương pháp DMS-COL 76 Hình 4.5 Biến đại số Y2 ước lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu 77 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 66 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 67 3.1.3 Phương pháp đặt phần tử hữu hạn (Collocation on finite elements- CFE) Trong phương pháp CFE, biến liên tục rời rạc hóa theo đa thức bậc cao: NC x = ∑T j (t ) xi (t j ) j =0 NC T j (t) = ∏ j =0 j ≠k Sau phương trình vi phân thường giải sau:  NC  ∑T j (t ) xi (t j )+ T0  j =1 3.1.4 Kết hợp phương pháp DMS xếp (DMS-COL) Sau rời rạc hóa với DMS kết hợp xắp xếp COL ta có: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN i =1, , NL Trong NC số điểm xắp đặt, NL số khoảng chia Trong phương trình (2.3), ràng buộc thực cho tất điểm dx xắp xếp Trong phương trình (2.2), đại lượng x, độc lập khoảng thời gian, áp dụng phương pháp tính tốn song song(parallel computing) Lớp tối ưu Optimization Phương pháp tối ưu hóa basedoptimizationmethod Điều khiển u, Các tham số p Khời tạox0 Simulation Giải phương trình theo Solvingmodeleq phương pháp Newton uationswith Tầng mơ Hình 3.1 Phương pháp kết hợp DMS-COL Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 69 Đối với tầng mơ (tầng thấp) ta sử dụng phương pháp Newton để giải phương trình mơ hình khoảng thời gian (3.8) x u upper upper p x0 x t0 u lower t1 t2 lower t3 t4=tf Hình 3.2: Mơ phương trình mơ hình Với tầng tối ưu hóa (tầng trên) ta giải toán quy hoạch phi tuyến theo phương pháp điểm trong: x0 , u , p Kết luận Chương Như chương tác giả xây dựng thuật toán nhận dạng tham sốcho hệ thống điều khiển số động chiều, thuâṭtoán cài đặt vi xử lý TMS320F28069, chương tác giả trình bày kết Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 70 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 4.1 Ước lượng tham số động chiều phương pháp bình phương tối thiểu Chọn động chiều với thông số sau: Ra = 32.78; La = 6.3e-3; Kt = 0.251; J = 2e-4; Kf = 7e-4; Việc ước lượng tham số động điện chiều phương pháp bình phương tối thiểu thực Matlab chương trình sau: par = [32.18; 7.3e-3; 0.3; 2.2e-4; 8.1e-4]; % initial values of parameters aux = {}; T=0; m = idgrey('dcmotor_1',par,'c',aux,T); fid = fopen('Data1.txt', 'r'); % input measurement Data with 250 time interval, T=2.5 s; u=20*t a = fscanf(fid, '%f %f %f %f', [4 inf]); y2 - u Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 71 a = a'; fclose(fid); y=[a(:,2) a(:,3)]; % Output (measured states) y1 u=[a(:,4)]; - y2 % Input (control) data = iddata(y,u,0.01); opt = greyestOptions; opt.InitialState = 'model'; opt.Display = 'on'; opt.DisturbanceModel = 'none'; % opt.SearchMethod = 'gn'; % The subspace Gauss-Newton direction opt.SearchMethod = 'gna'; % An adaptive version of subspace Gauss-Newton approach, suggested by Wills and Ninness [1] % opt.SearchMethod = 'lm'; % Uses the Levenberg- Marquardt method %opt.SearchMethod = 'auto'; % The algorithm chooses one of the preceding options The descent direction is calculated using gn, gna % lm, and grad successively at each iteration % The iterations continue until a sufficient reduction in error is achieved %opt.SearchMethod = 'grad'; % The steepest descent gradient search method Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 72 %opt.SearchMethod = 'lsqnonlin'; % Uses the trust region reflective algorithm Requires Optimization Toolbox™ software opt.SearchOption.MaxIter = 100; opt.SearchOption.Tolerance = 0.00001; linearDC_model = greyest(data,m,opt) % Parameter estimation b_est = linearDC_model.Structure.Parameters.Value % estimated values %[linear_b_est] = getpvec(linearDC_model,'free') opt = compareOptions('InitialCondition','zero'); compare(data,linearDC_model,Inf,opt) % Compare the results and measured data Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 73 Bảng 4.1: Kết sau chạy chương trình sau: Tham số Ra La Kt J Kf Sai số Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 74 4.2 Áp dụng phương pháp DMS-COL ước lượng tham số động điện chiều: - Tất thuật toán viết ngơn ngữ lập trình C++ F = ∑(W Ra , La , K t , J ,K f x =− s.t x = x(0) = Bảng 4.2 Kết sau chạy chương trình sau: Tham số Ra La Kt J Kf Sai số Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 75 Kết cho thấy phương pháp DMS-COL có kết tốt với sai số 1.01x10 -14 so với chạy Matlab có sai số 1.0x10 -10 Các kết thể hình - Hình 4.1 Điện áp phần ứng (V) Hình 4.2 Biến đại số Y1 ước lượng theo phương pháp DMS-COL Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 76 Hình 4.3 Biến đại số Y1 ước lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu Hình 4.4 Biến đại số Y2 ước lượng theo phương pháp DMS-COL Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 77 Hình 4.5 Biến đại số Y2 ước lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong luận văn tác giả thực xây dựng thuật toán nhận dạng tham số hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều, thuật toán cài đặt vi xử lý TMS320F28069 Các kết mô sai số nhỏ so với chạy Matlab Điều khẳng định chất lượng thuật toán Kết đề tài làm tảng cho việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển số động chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- Truyền động điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền; [2]- Truyền động điện thông minh- Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả: Nguyễn Phùng Quang; [3]- Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; [4]- Cơ sở truyền động điện - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn; [5]- Matlab & Simulink – Dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Nguyễn Phùng Quang [6]- Điện tử công suất - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Nguyễn Bính [7]- Điện tử cơng suất – Tập - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh [8]- Điện tử công suất – Tập - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh [9]- Giáo trình điện tử cơng nghiệp - Nhà xuất Giáo dục: Tác giả Vũ Quang Hồi [10]- Máy điện mạch điều khiển - Nhà xuất Thống kê: Trần Thế San, Nguyễn Trọng Thắng [11]- Nhâṇ dangg̣ tg̣ hống điều khiển - Nhà xuất Khoa hocg̣ vàKỹthuât:g̣ Tác giảNguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 79 [12]- Điều khiển số máy điện - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành [13]- Piccolo Microcontrollers - www.ti.com Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... tài nhận dạng tham số hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều Mục tiêu cụ thể là: - Nghiên cứu hệ thống điều khiển số động chiều - Xây dựng thuật toán nhận dạng cho hệ thống điều khiển số tốc độ. .. cứu hệ thống điều khiển số động chiều - Chương 2: Tổng quan phương pháp nhận dạng hệ thống điều khiển tốc độ động chiều - Chương 3: Xây dựng thuật toán nhận dạng cho hệ thống điều khiển số tốc độ. .. chương tác giả nghiên cứu động chiều hệ thống điều khiển số động chiều, chương tác giả tiến hành tìm hiểu phương pháp nhận dạng hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều Số hóa Trung tâm Học liệu