Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng TT

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (Web Transprort System -WTS) số hệ thống có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác giấy, vải, tôn thép, phim nhựa, pin lượng mặt trời, mạch in điện tử…Những sản phẩm đóng vai trị quan trọng đời sống thường ngày cơng nghiệp WTS đối tượng có cấu trúc dạng MIMO phức tạp, có tham số biến thiên, chịu ảnh hưởng nhiễu Thực tế nay, điều khiển WTS chủ yếu sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính PI PID, … Tuy nhiên phương pháp điều khiển tuyến tính khơng phải lúc đem lại chất lượng mong muốn mà thường có đáp ứng chậm, độ ổn định thấp Đây yêu cầu cấp thiết quan tâm đặc biệt năm gần đây, để phát triển, áp dụng thuật toán phi tuyến để nâng cao chất lượng cho hệ thống Hiện có nhiều hướng nghiên cứu cho WTS, có nhiều tạp chí hội nghị cơng bố nội dung nghiên cứu lĩnh vực này, thống kê cách sơ thông qua hội nghị chuyên ngành, IWEB tổ chức năm lần Các lý thúc đẩy việc nghiên cứu, phát triển thuật toán điều khiển cho WTS, phân tích phương pháp điều khiển bản, tìm hiểu lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp áp dụng cho đối tượng phức tạp kể Các thách thức mục đích nghiên cứu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS) WTS thực tế liên quan đến nhiều lĩnh vực bao gồm khí, vật liệu, điện, điện tử…Nghiên cứu WTS phức tạp tính đa ngành Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn giả thiết sau: -Nghiên cứu điều khiển lực căng tốc độ dài WTS - WTS có lơ tở lơ cuộn theo ngun lý hướng tâm, vật liệu di chuyển theo chiều - Cơ cấu chấp hành (động cơ) coi lý tưởng - Không xét đến tượng lệch băng chuyển động ngang trục vật liệu - Không xét đến tượng trượt băng vật liệu lô - Biến dạng vật liệu tuân theo định luật Hooke Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mơ hình tốn học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên mơ men qn tính lơ tở lơ cuộn - Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống với trường hợp: thơng số mơ hình xác định rõ thơng số mơ hình biến thiên, bất định - Mơ thực nghiệm kiểm chứng tính đắn thuật toán đề xuất Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu xây dựng mơ hình đối tượng, phân tích, xem xét đánh giá đặc trưng bật đối tượng từ đưa thuật toán điều khiển phù hợp Các thuật toán điều khiển chứng minh đảm bảo ổn định hệ thống mặt toán học Thêm vào mơ thực nghiệm tiến hành để kiểm chứng tính Những đóng góp luận án - Mơ hình hóa thể rõ tính phi tuyến phương trình động lực học lơ cuộn tở cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng - Áp cấu trúc điều khiển lực căng không dùng cảm biến cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng - Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa tảng mặt trượt động DSC tích hợp quan sát lực căng điều khiểu thích nghi sử dụng chế bù mơ men qn tình lơ cuộn tở dựa tảng mạng neural xuyên tâm RBF tích hợp quan sát lực căng Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học Luận án đề xuất thuật tốn điều khiển khơng sử dụng cảm biến lực căng mà sử dụng quan sát lực căng cho WTS đảm bảo tính ổn định bền vững với tham số bất định Thêm vào đó, luận án đề xuất thuật tốn điều khiển thích nghi sử dụng luật cập nhật tham số mạng nơ ron RBF cho WTS đảm bảo tính ổn định thích nghi với thay đổi tham số hệ thống Ý nghĩa thực tiễn Các thuật toán điều khiển đề xuất luận án áp dụng vào WTS thực tế nhằm giảm chi phí khơng cần sử dụng cảm biến lực, giảm thời gian tinh chỉnh, tính tốn thơng số hệ thống tăng khả thích nghi với thay đổi thơng số mơ hình Bố cục nội dung luận án Chương 1: Trình bày tổng quan WTS gồm tiềm ứng dụng, dự báo xu hướng phát triển tương lai gần Phân tích cấu tạo lựa chọn cấu hình WTS luận án Phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu, ưu nhược điểm kết quả, qua lựa chọn hướng nghiên cứu luận án; Chương 2: Tổng quát hóa bước xây dựng mơ hình tốn học cho WTS, xây dựng mơ hình có xét đến thành phần biến thiên mơ men qn tính lơ tở lơ cuộn, lựa chọn xây dựng mơ hình thực nghiệm thỏa mãn giả thiết đặt phục vụ cho kiểm nghiệm thuật toán điều khiển; Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển dựa phương pháp lựa chọn kết hợp với giải vấn đề giảm lược thiết bị cảm biến quan sát Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển bền vững kết hợp mặt trượt động DSC để tăng độ bền vững, ứng dụng trường hợp tham số mơ hình biết bị ảnh hưởng thành phần bất định khoảng nhỏ Tiếp theo đề xuất xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ ron RBF để luật cập nhật tham số đảm bảo hệ thống ổn định với thay đổi lớn tham số mơ hình; Phần kết luận đưa nhận xét, đánh giá kết luận kết đạt luận án Đồng thời khó khăn, hạn chế đề xuất, định hướng cho nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ WTS 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu chung Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS) số hệ thống có ứng dụng rộng rãi nhiều nhà máy lớn nhà máy giấy, in ấn, sản xuất tôn thép, phim, pin lượng mặt trời, Những sản phẩm tạo đóng vai trị quan trọng đời sống thường ngày công xây dựng phát triển đất nước - Với số ngành sản xuất giấy, vải, tơn thép… có lịch sử phát triển lâu dài, nhà máy giấy Việt Nam có bước tiến quan trọng công suất suất Kết khảo sát nhà máy giấy An Hòa -Tuyên Quang việc áp dụng khoa học công nghệ vào sản xuất thay đổi diện mạo nhà máy giảm nhân công vận hành, nâng cao suất chất lượng đầu - Với số ngành sản xuất phim nhựa lĩnh vực điện tử, sản xuất pin lượng mặt trời, … lĩnh vực lĩnh vực ứng dụng có xu quan trọng rộng rãi Vật liệu dạng phim nhựa mang đặc tính chung vật liệu dạng băng (giấy, vải, tơn, …) có đặc điểm mỏng, liên tục, có tính đàn hồi, dễ bị khuyết tật vận chuyển xử lý Tuy nhiên vật liệu có yêu cầu cao độ mỏng, độ rộng, cơng nghệ xử lý in, tích hợp cao hơn, … Như với xu hướng nghiên cứu, đặc biệt nghiên cứu điều khiển cho hệ tập trung vào WTS trên, luận án tập trung nghiên cứu WTS với vật liệu dạng phim nhựa 1.1.2 Cấu tạo phân loại WTS thường khơng có cấu tạo giống hồn tồn tùy thuộc vào loại vật liệu, yêu cầu công nghệ cụ thể phương thức cuộn loại vật liệu sử dụng cho hệ thống không giống a) Một số thành phần Lô tở (Unwinder roll); Lô dẫn (Guide-roll); Lô cuộn (Rewinder roll); Cảm biến (Sensors)… b) Phân loại theo nguyên lý cuộn Gồm nguyên lý bản: Nguyên lý cuộn (floating); Nguyên lý cuộn có sử dụng phanh từ; Nguyên lý cuộn hướng tâm Luận án tập trung nghiên cứu WTS có lô cuộn lô tở theo nguyên lý hướng tâm 1.1.3 Yêu cầu chung cho toán điều khiển WTS Nhiệm vụ quan trọng điều khiển phải đảm bảo lực căng lực căng đặt ti=Tđ toàn hệ thống vận tốc dài phải kiểm soát chặt chẽ giai đoạn chính: khởi động với v tăng tới giá trị xác lập, xác lập Hình 1.1 Đặc tính lực căng vi=Vđ q trình hãm dừng vận tốc dài yêu cầu WTS v giảm Hình 1.1 Hướng nghiên cứu luận án lực chọn thực WTS có lô tở lô cuộn theo nguyên lý hướng tâm ✓ WTS có lơ tở lơ cuộn theo ngun lý hướng tâm ✓ Vật liệu vận chuyển dạng phim nhựa ✓ Điều khiển giữ tw=Tđ; vận tốc dài vi=Viđ chế độ xác lập 1.2 Tổng quan hướng nghiên cứu cho WTS luận án 1.2.1 Tổng quan mơ hình hóa WTS Để tổng hợp mơ hình tốn học cho WTS khơng sử dụng định luật để xây dựng tổng hợp, hệ phức tạp Trong thực tế nghiên cứu cần phải sử dụng kết hợp nhiều sở lý thuyết cho hệ phức tạp WTS Bảng 1.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình hóa WTS Về lực căng đoạn vật liệu Về mô men trục lô Sử dụng định luật bảo toàn khối Sử dụng định luật bảo toàn lượng kết hợp với định luật động lượng định luật Hooke, định luật Coulumb Tuy nhiên để nghiên cứu thiết kế điều khiển chung cho WTS cần tổng qt hóa mơ hình cho hệ gồm động lực học phân đoạn, động lực học lô vật liệu lô dẫn Việc mơ hình hóa xác giúp cho việc thiết kế điều khiển xác, nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống Hướng nghiên cứu luận án lựa chọn thực mơ hình hóa WTS dựa nghiên cứu thực hiện, nhiên đóng góp luận án mơ hình có xét đến: + Tổng qt hóa bước xây dựng mơ hình cho WTS với số lượng lô số đoạn vật liệu + Xét đến tham số biến thiên mơ men qn tính lơ vật liệu + Chuyển mơ hình dạng phù hợp với u cầu cơng nghệ có biến đầu lực căng vận tốc dài 1.2.2 Tổng quan phương pháp điều khiển a) Điều khiển tuyến tính Có thể nói, trước đa phần điều khiển cơng nghiệp điều khiển tuyến tính Nhiều phương pháp điều khiển nâng cao phát triển tư tưởng từ lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên bên cạnh đó, điều khiển thiết kế cho đối tượng có mơ hình tốn học với giả thiết tham số không đổi, dẫn tới điều khiển chưa đáp ứng tốt với bất định biến thiên tham số mơ hình Để cải thiện chất lượng điều khiển tuyến tính người ta kết hợp với bù sau: + Phương pháp bù sai lệch mơ hình + Phương pháp điểu khiển loại bỏ nhiễu chủ động ADRC Mặc dù điều khiển tuyến tính sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, có cấu trúc điều khiển phân tán, dễ thực hiện, chi phí thấp Tuy nhiên chưa phù hợp tham số mơ hình biến thiên có nhiễu tác động Đặc biệt vận hành phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm hiệu chỉnh kỹ sư b) Điều khiển phi tuyến: Với mô hình hệ cắt cuộn lại đoạn, giải pháp điều khiển phi tuyến đại điều khiển trượt, điều khiển mờ áp dụng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển WTS + Phương pháp điều khiển bền vững phải kể đến phương pháp trượt phương pháp có ưu điểm bền vững với yếu tố nhiễu đầu vào, nhạy với biến thiên tham số đầu vào, có khả kháng nhiễu tốt, đặc biệt đáp ứng động lực học nhanh Tuy nhiên với yêu cầu sai số nhỏ điều khiển lực căng cho mô hình lựa chọn, kết mơ theo nghiên cứu có độ điều chỉnh cao, có độ điều chỉnh khoảng 10% Hơn nữa, chưa nêu rõ giải pháp khắc phục tượng chattering, tượng đặc biệt ảnh hưởng đến việc triển khai điều khiển số thiết bị thật + Điều khiển thơng minh: Điều khiển mạng nơ ron có khả học, xấp xỉ hàm phi tuyến, khử sai số thực tích hợp hiệu cho ứng dụng thời gian thực Tuy nhiên cấu trúc tương đối phức tạp, áp dụng phải tính đến khả cài đặt thuật toán thiết bị Điều khiển mờ được nghiên cứu áp dụng cho WTS, với ưu điểm cấu trúc đơn giản dễ thực thi, không cần nhiều thông tin đầy đủ đối tượng, nhược điểm phải dựa kinh nghiệm điều khiển chuyên gia + Điều khiển thích nghi: Rất nhiều nghiên cứu gần có cơng bố cấu trúc điều khiển thích nghi cho WTS Trong thiết kế điều khiển sử dụng kỹ thuật back-stepping gần nghiên cứu cơng bố Có thể thấy thuật toán điều khiển back-stepping theo nghiên cứu cho WTS phần cho thấy chất lượng tính ổn định hệ đảm bảo, kết thực cho lực căng có độ điều chỉnh nhỏ (1%) Hướng nghiên cứu luận án lực chọn thực nghiêu cứu ứng dụng thuật tốn đại: + Xây dựng điều khiển có cấu trúc tập trung sử dụng quan sát lực căng + Thiết kế điều khiển bền vững hệ thống xem xét đến tính bất định thơng số hệ thống + Thiết kế điều khiển thích nghi cho hệ thống có thơng số biên thiên lớn 1.3 Đề xuất phương hướng thực + Với mơ hình tốn học cần phải tổng qt hóa đưa mơ hình với số lượng lô dẫn số đoạn bất kỳ, từ phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp Vì lý này, luận án đề xuất tổng quát hóa phương pháp xây dựng mơ hình tốn học cho WTS Mơ hình thu đảm bảo động lực học cho đoạn vật liệu động lực học cho lô gồm lô vật liệu lô dẫn Từ mô hình, ta phân tích ảnh hưởng thông số đại lượng ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống phục vụ thiết kế điều khiển + Nhiệm vụ xây dựng cấu trúc điều khiển phù hợp cho WTS WTS có cấu hình dạng MIMO, nhiều cấu chấp hành Nhiệm vụ thiết kế điều khiển có cấu trúc phù hợp nhiệm vụ quan trọng, đặc biệt giảm lược phản hồi trạng thái việc lựa chọn quan sát phù hợp Trong luận án đề xuất xây dựng cấu trúc điều khiển back-stepping kết hợp với quan sát đảm bảo điều khiển lực căng vận tốc theo yêu cầu công nghệ + Nâng cao chất lượng cho điều khiển cách kết hợp thuật toán phù hợp hướng phát triển Với đặc thù WTS luận án đề xuất cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững dựa back-stepping kết hợp với mặt trượt động mạng RBF 1.4 Kết luận chương Tổng quan vai trò, xu hướng phát triển lực thích ứng khả ứng dụng thực tế WTS Phân loại, lựa chọn, giới thiệu cấu hình cụ thể WTS, dự báo xu hướng phát triển từ đo lựa chọn đối tượng phục vụ cho hướng nghiên cứu đề tài Trình bày tổng quan mơ hình hóa phương pháp, hệ thống điều khiển WTS, phân tích ưu nhược điểm, tiềm ứng dụng phương pháp qua lựa chọn hướng nghiên cứu cho luận án CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO WTS 2.1 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng WTS Để tổng qt hóa q trình mơ hình hóa cho WTS, ta xét nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng gồm tác động ảnh hưởng lên vật liệu vận chuyển tác động vật liệu lên lô vật liệu (lô tở lơ cuộn) lơ dẫn Hình 2.1 Các thành phần hệ theo nguyên lý hướng tâm 2.1.1 Nguyên lý vận chuyển lô vật liệu lô dẫn a) Lô tở Chuyển động 1: chuyển động quay với mơ men qn tính giảm theo thời gian phụ thuộc vào vận tốc góc lơ tở Chuyển động 2: chuyển động tịnh tiến khỏi lô lượng nhỏ vật liệu theo phương tiếp tuyến với cuộn phụ thuộc vào vận tốc dài lô dẫn b) Lô cuộn Chuyển động 1: chuyển động quay với mô men quan tính tăng theo thời gian phụ thuộc vào vận tốc góc lơ tở Chuyển động 2: chuyển động tịnh tiến vào lô lượng nhỏ vật liệu theo phương tiếp tuyến với cuộn phụ thuộc vào vận tốc dài lô dẫn c) Lô dẫn Chuyển động 1: Chuyển động quay với mô men qn tính khơng thay đổi theo thời gian Nếu lơ dẫn bị động chuyển động quay ma sát vật liệu lô, lô dẫn chủ động chuyển động quay xét thêm mô men dẫn động trục lô Chuyển động 2: Chuyển động tịnh tiến vật liệu dạng băng chạy qua lô với vận tốc v theo phương tiếp tuyến với lô 2.1.2 Lực căng, độ trượt độ a) Lực căng: Lực căng tức thời tw (tension of web) đoạn vật liệu dạng băng thường xem xét lực dọc vật liệu vận chuyển, định nghĩa giá trị trung bình biểu diễn lực đơn vị chiều rộng vật liệu dạng băng b) Độ Hiện tượng xảy lực bạt ngang, khơng khí đẩy vào bề mặt lô vật liệu, thường ghi nhận hệ thống chạy tốc độ cao c) Độ trượt Trong thực tế xảy tượng trượt có nguyên nhân lực căng chưa đủ lớn, lớp tạo ma sát mặt lô chưa cao … Trong phương án chống tượng trượt điều chỉnh tăng lực căng điều chỉnh góc ơm Trong trường hợp điều chỉnh góc ơm, kỹ sư thiết kế tính tốn để đưa góc ơm tối thiểu để tránh xảy tượng trượt 2.1.3 Vận tốc vận chuyển vật liệu Vận tốc vận chuyển vật liệu vi (hay gọi vận tốc dài, i số lô) liên quan đến suất hệ thống định tốc độ quay ω lơ Thêm vào đó, mối quan hệ vận tốc vận chuyển vật liệu lực căng gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tính chất lý-hóa vật liệu 2.1.4 Mô men đầu vào hệ thống Để hệ thống hoạt động, ngồi việc xây dựng kết cấu khí hệ thống, ta cần tính tốn điều khiển mơ men đầu vào hệ thống cách hợp lý Các mô men đầu vào hệ thống bao gồm mô men quay cho lô tở Mu, mô men quay cho lô cuộn Mr mô men quay cho lô dẫn Mi (i số lơ) Các mơ men có mối liên hệ mật thiết với tốc độ hệ lực căng, lực kéo vật liệu 2.2 Tính tốn động lực học cho WTS 2.2.1 Động lực học đoạn vật liệu hai lơ Các mơ hình vận chuyển vật liệu dạng băng tính tốn lực căng dựa định luật vật lý sau đây: Định luật bảo toàn khối lượng, định lý Ostrogradski, định luật Hooke L1dt1 (2.1) = ES ( v − v ) + v t − v t dt u u u 1 Phương trình (2.1) cho ta mối quan hệ lực căng vận tốc đoạn vật liệu lô tở lô dẫn Công thức trường hợp đoạn vật liệu lô liên tiếp 2.2.2 Động lực học lô a) Xét lơ tở Hình 2.2 Mơ men ngoại lực tác dụng lên lô tở lô dẫn thứ bf J u dvu aJ u = ru t1 − M u − u vu + (aw ru − )vu ru dt ru 2 ru3 (2.2) Phương trình (2.2) cho ta quan hệ vu với biến điều khiển Mu lực căng đoạn vật liệu lô tở dẫn t1 b) Xét lô cuộn Hình 2.3 Mơ men ngoại lực tác dụng lên lô cuộn lô dẫn thứ n Jr dvr v aJ r = −tn rr + M r − b f r r + ( − w arr )vr rr dt rr 2 rr3 (2.3) Phương trình (2.3) cho ta quan hệ vr với biến điều khiển Mr lực căng lô cuộn 10 c) Xét lơ dẫn chủ động/bị động Hình 2.4 Mơ men ngoại lực tác dụng lên lô dẫn Ji dvi = ri dt ( ti +1 − ti ) ri Ji + M i − b fi vi ri dvi v = ( ti +1 − ti ) ri − b fi i ri dt ri (2.4) (2.5) 2.3 Các bước tổng hợp mơ hình tốn học cho WTS 2.3.1 Mơ hình tổng qt cho hệ có n lơ dẫn Với mơ hình tổng qt ta giả thiết hệ có lơ vật liệu lơ cuộn lơ tở, có M lô dẫn chủ động N lô dẫn bị động Ta tổng quát hóa qua bước sau: Bước 1: Xác định số phân đoạn WTS, giả thiết ta ko bỏ qua ảnh hưởng lô dẫn chủ động bị động, ta có cơng thức xác định đoạn sau: K (số phân đoạn) =N+M+1 Bước 2: Xác định số phương trình động lực học lực căng cho đoạn Số phương trình lực căng= số phân đoạn Số phương trình động lực học cho lô vật liệu =2 Số phương trình động lực học cho lơ chủ động=M Số phương trình động lực học cho lơ bị động =N ➔ Tổng hợp lại ta có số phương trình hệ= 2N+2M+3 Bước 3: Viết hệ phương trình cho hệ thống dựa vào phương trình (2.1) cho đoạn, (2.2) cho lô tở, (2.3) cho lô cuộn, (2.4) cho lô dẫn chủ động, (2.5) cho lô dẫn bị động 2.3.2 Mơ hình tốn học WTS đoạn vật liệu a) Mơ hình tốn học WTS với biến đẩu lực căng vận tốc dài Ta có mơ hình toán học cho WTS phân đoạn xác định qua phương trình (2.6),(2.7) (2.8) sau: Ldt w (2.6) = ES ( v − v ) + v t − v t dt r u u u r w 11 bf J u dvu aJ u = ru t w − M u − u vu + ( aw ru − )vu ru dt ru 2 ru3 b fr J r dvr aJ r = − rr t w + M r − vr + ( − aw rr )vr rr dt rr 2 rr3 (2.7) (2.8) b) Mơ hình tốn học WTS với biến đẩu lực căng vận tốc góc tw = c1u + c2r t w + c3r u = c4 M u + c5tw + c6u + c7u2 r = c8 M r + c9tw + c10r + c11r2 (2.9) (2.10) (2.11) Trong đó: ru ESru r ESrr ; Td − ; c2 = − r ; c3 = L L L L b fu ru aw ru ; =− ; c5 = ; c6 = − ; c7 = Ju Ju Ju Ju c1 = c4 c8 = b fr r aw rr ; c9 = − r ; c10 = − ; c11 = − Jr Jr Jr Jr ; 2.4 Xét ảnh hưởng tham số mơ hình Trong q trình phân tích ngun lý, xây dựng mơ hình tốn học WTS, ta xét đến trình động lực học đoạn vật liệu lơ dẫn Từ mơ hình tốn học cụ thể xây dựng mục 2.3 có tham số vật liệu lô đưa vào mơ hình Bảng 2.1: Các thơng số mơ hình Mơ đun đàn hồi Kích thước đoạn vật liệu Kích thước thơng số lơ Hệ số cản E S, L, h Ji , r bf Các tham số lơ có chứa thành phần bất định, đặc biệt lô tở lô cuộn có mơ men qn tính biến thiên lớn 2.5 Giới hạn toán Như với số liệu khảo sát qua nghiên cứu ta kết luận: + WTS có thơng số ci chứa thành phần bất đinh biến thiên + Có thơng số biến thiên bán kính lơ tở lô cuộn ru , rr dẫn đến mô men quán tính lơ tở lơ cuộn J u , J r biến thiến 12 Bảng 2.2: Các thông số mơ hình vật liệu Ký hiệu Ru Ju bfu bfr Thông số Bán kính ban đầu lơ tở Mơ men quan tính ban đầu lơ tở Hệ số cản h L Bán kính ban đầu lơ cuộn Mơ men qn tính ban đầu lô cuộn Độ rộng Độ dày Chiều dài đoạn vật liệu E Mô đun đàn hồi vật liệu PET Rr Jr w Giá trị [đơn vị] 0,1  m  15 x10−3  kg.m   0, 2533x10−3  Nms  m 0, 05 −3 5x10 0, kg.m2    m 0, 05x10−3 0,  m m 2, 5x109   N/m   2.5 Lựa chọn xây dựng mơ hình vật lý hệ cuộn Mơ hình R2R thiết kế chi tiết theo Phụ lục A có dạng sau: Hình 2.5 : Hình ảnh mơ hình WTS Đại học BKHN 2.6 Kết luận chương Tổng quát hóa phương pháp xây dựng WTS trường hợp nhiều lô, xét hệ gồm lô vật liêu, lô dẫn bị động, lơ dẫn chủ động Mơ hình đề xuất có xét đến biến thiên mơ men qn tính lơ tở lơ cuộn Xây dựng mơ hình tốn học tổng quát trường hợp xét động lực học đoạn, lô vật liệu, lô dẫn Đây mơ hình sử dụng để phát triển thuật toán cho WTS, ứng dụng cho WTS có chiều dài vận chuyển vật liệu ngắn Xem xét đặc điểm hệ để phục vụ cho toán điều khiển 13 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN LỰC CĂNG CHO WTS 3.1 Yêu cầu công nghệ phương pháp điều khiển Do phương pháp điều khiển back-stepping phù hợp với đối tượng này, giúp cho tín hiệu điều khiển mơ men ln kiểm sốt nằm giới hạn cho phép, đảm bảo sản phẩm cuộn lại căng, đạt yêu cầu 3.2 Điều khiển Back-stepping cho WTS + Phương pháp điều khiển lựa chọn phải đảm bảo nhiệm vụ điều khiển cho hệ đa vật, điều khiển thiết kế có dạng sau: (3.1) F =− c t  + c  − T + k (t − T ) ud ( c1 ( w r r d t w d ( ) )) Mu = − c5tw + c6u + c7u2 − Fud + ku u − Fud c4 Mr = − c9tw + c10r + c11r2 − Wrd + kr (r − Wrd ) c8 ( (3.2) ) (3.3) + Từ phương trình ta biểu diễn điều khiển cho WTS dạng sơ đồ cấu trúc Hình 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Back-stepping + Kết mô nhận xét đánh giá với thông số điều khiển chọn theo Bảng 2.2 Bảng 3.1: Bảng 3.1: Các thông số chọn cho điều khiển TT Thông số kt Giá trị chọn 200 kr 50 ku 50 14 ❖ Đáp ứng lực căng so với lực căng đặt, đại lượng định đến chất lượng hệ thống vận chuyển Hình 3.2 Đáp ứng lực căng đoạn vật liệu sử dụng Back-stepping ❖ Đáp ứng vận tốc dài so với vận tốc dài dặt đặt, đại lượng định đến suất hệ thống vận chuyển Hình 3.3 Đáp ứng cửa vận tốc dài sử dụng Back-stepping ❖ Đại lượng ta cần xem xét giá trị mơ men điều khiển Mu , M r Hình 3.4 Mơ men M u , M r sử dụng Back-stepping Như kết mơ Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4 trường hợp tính đắn phương pháp điều khiển đề xuất, phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến cho WTS với khó khăn hệ MIMO đảm bảo đa mục tiêu phù hợp Tuy nhiên trường hợp lượng thay đổi lớn diễn thời gian đủ lớn ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Đây nhược điểm cần khắc phục điều khiểu back-stepping, tượng “Explosion of terms” 15 3.3 Điều khiển Back-stepping kết hợp quan sát lực căng + Bộ quan sát lực căng dựa vào động lực học sai lệch biến thiên theo thời gian (3.4) tˆw = c1u + c2r tˆw + c3r Giả thiết tˆw xác định qua quan sát (3.4), điều khiển Backstepping (3.1), (3.2),(3.3) viết lại sau: (3.5) ˆ ˆ ˆ Fud = − c1 ( c2twr + c3r − Td + kt ( t w − Td ( )) )  (3.6) ˆ = − c tˆ + c  + c  − Fˆ ˆ M u w u u ud + ku u − Fud   c4  ˆ = − c tˆ + c  + c  − W + k ( − W )  (3.7) M r w 10 r 11 r rd r r rd  c8  + Tổng hợp lại bước thiết kế ta có điều khiển xác định qua phương trình (3.4), (3.5), (3.7) (3.4) Từ phương trình ta biểu diễn điều khiển cho WTS dạng sơ đồ cấu trúc Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tích hợp quan sát + Kết mơ với thông số chọn theo Bảng 2.2 Bảng 3.1 ❖ Đáp ứng lực căng thông số xác định Hình 3.6 Đáp ứng lực căng quan sát chưa có thành phần bất định 16 ❖ Đáp ứng lực căng quan sát lực căng thực thông số chứa thành phần bất định (a) (b) Đáp ứng lực căng quan sát lực căng đặt có thơng số mơ hình chưa có thành phần bất định 1% 10% Bảng 3.2 Sai lệch lực căng với lượng bất định trường hợp Hình 3.7 Hình 3.6 3.7 -a 3.7-b Thành phần bất định 0% 1% 10% Sai lệch lực căng 0.4% 0.8% 11% Từ kết mô cho thấy, điều khiển thiết kế theo phương pháp back-stepping tích hợp quan sát hồn tồn ứng dụng cho WTS Đặc biệt cấu trúc điều khiển đề xuất mở rộng cho WTS tổng quát cần phản hồi lực căng nhiều đoạn vật liệu Tuy nhiên trường hợp thơng số mơ hình bất định biến thiên lớn ta cần nghiên cứu tích hợp thuật tốn nâng cao chất lượng cho hệ Như với cấu trúc điều khiển đề xuất chứng ổn định mặt tốn học mô két cho đáp ứng bám tốt 3.4 Kết thực nghiệm Mặc dù mong muốn xây dựng mơ hình thực nghiệm gần với hệ thống thật, nhiên với khó khăn thực gia cơng khí cho WTS thơng số mơ hình, vật liệu lựa lựa chọn, đặc biệt kỹ thuật gia công + Chứng minh nguyên lý hoạt động WTS áp dụng cấu trúc điều khiển đề xuất + Đo so sánh đáp ứng lực căng, vận tốc góc hai lô cuộn lô tở với giá trị yêu cầu Kết thực nghiệm phần mềm giao diện ControlDeskV5.6 card DS1104 máy tính cho kết kiểm nghiệm đo từ cảm biến lực căng, cảm biến tốc độ góc lơ tở lơ cuộn sau: 17 ❖ Đáp ứng lực căng khâu quan sát lực căng đo từ cảm biến: ❖ Hình 3.8 Đáp ứng lực căng vận tốc dài Đáp ứng vận tốc góc lộ cuộn lơ tở: Hình 3.9 Đáp ứng vận tốc góc lơ cuộn Từ kết thực nghiệm hình lực căng vận tốc dài ta đánh giá theo bảng sau: Bảng 3.3 Sai lệch lực căng trường hợp thực nghiệm Đại lượng đánh giá Lực căng (N) Vận tốc dài (m/s) Giá trị đặt Hình 3.9 Hình 3.5 Giá trị thực nghiệm Sai sốtrung bình Hình 3.12 Hình 3.13 6% 5% Như kết thực nghiệm chứng minh tính đắn cấu trúc đề xuất, đảm bảo nguyên lý hoạt động vận chuyển hệ theo yêu cầu công nghệ 3.5 Kết luận Chứng minh tiêu chuẩn ổn định cho điều khiển WTS dựa phương pháp thiết kế back-stepping Đề xuất cấu trúc điều khiển phi tuyến phù hợp với WTS WTS tổng quát điều khiển theo phương pháp thiết kế back-stepping tích hợp quan sát lực căng Kiểm nghiệm nguyên lý hoạt động khảo sát đặc tính lực căng vận tốc góc mơ hình thực nghiệm CHƯƠNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO WTS 18 4.1 Phân tích thành phần bất định môt số giải pháp bù Giải pháp 1: Sử dụng điều khiển theo thuật toán mặt trượt động DSC phương pháp điều khiển back-stepping Giải pháp 2: Với khả học xấp xỉ hàm phi tuyến với độ xác cao, mạng nơ ron thu hút hướng nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển thích nghi 4.2 Nâng cao chất lượng điều khiển bền vững tích hợp thuật tốn DSC + Các bước thiết kế tương tự với bước thiết kế back-stepping, để tránh phải lấy đạo hàm bước lặp cho tín hiệu điều khiển ảo, DSC đưa thêm lọc thơng thấp, vừa để có thơng tin đạo hàm vừa để lọc nhiễu nội tần số cao xuất đối tượng điều khiển Bộ điều khiển đề xuất xác đinh sau: (4.1)   2 Fud = + k )   Td − cˆ2r tˆw − cˆ3r − k1tˆws − k tˆws (  cˆ1  2   Fud = Mu = Fud − Fud   Fud − Fud  − cˆ5tˆw     cˆ4   −cˆ  − cˆ  − k  − k sgn(  )  u su su   u Mr =  ˆ9tˆw − c ˆ10r  Wrd − c   ˆ8  −c c ˆ  − k   − k s g n (   )  11 r sr sr   (4.2) (4.3) (4.4) + Từ phương trình ta biểu diễn điều khiển cho WTS dạng sơ đồ cấu trúc Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tích hợp DSC 19 + Kết mô nhận xét đánh giá với thông số điều khiển chọn theo Bảng 2.2 Bảng 4.1: Bảng 4.1 Thông số điều khiển cho mô TT Thông số Thông số Giá trị chọn 20 20 ❖ ❖ Hình 4.2 So sánh đáp ứng lực căng sử dụng DSC Đáp ứng vận tốc dài vận tốc góc sử dụng DSC ❖ Giá trị chọn 40 k1 k4 50 k2 k 50 k3 k Đáp ứng lực căng sử dụng DSC 10 Hình 4.3 Đáp ứng vận tốc dài vận tốc góc sử dụng DSC Khảo sát đáp ứng lực căng hệ cho thơng số bất định (a) (b) Hình 4.4 Đáp ứng lực căng với lượng bất định 15% 30% Bảng 4.2 Sai lệch lực căng thông số chứa thành phần bất định Hình Thành phần bất định Sai lệch lực căng 4.3 4.4-a 4.4-b 0% 15% 30% 0.1% 0.6% 1.1% Đây đáp ứng cho WTS tham số mơ hình có nhiễu bất định 20 4.3 Nâng cao chất lượng điều khiển thích nghi tích hợp RBF 4.3.1 Tổng quát mạng Neural RBF Mạng RBF không bị ảnh hưởng vấn đề cực trị cục Nhờ khả xấp xỉ hàm phi tuyến với độ xác tuỳ ý mạng nơron, đặc biệt mạng RBF công cụ quan trọng cho mô hình hố hệ thống cho điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến 4.3.2 Thiết kế điều khiển + Bộ điều khiển thiết kế mục 3.3.2 viết lại sau: (4.5) ˆ ˆ ˆ Fud = − c1 ( c2twr + c3r − Td + kt ( t w − Td )) ( (4.6) )  ˆ = − cˆ tˆ + cˆ  + cˆ  − F ˆ ˆ M u u u ud + ku u − Fud   w  cˆ4  ˆ = − c ˆ tˆ + c ˆ10r + c ˆ11r2 − Wrd + k M r r ˆ8  w c Trong số xác định (r lại (4.7) − Wrd )   theo Jˆu , Jˆr c1, c2 , c3 , cˆ4 , cˆ5 , cˆ6 , cˆ7 , cˆ8 , cˆ9 , cˆ11, cˆ11 Với luật cập nhật xác định sau: ( ˆu = − Fu h  u − F ˆ W ud   ˆr = Fr h W ( ( r − Wrd ) Fˆ ud ) Wrd ( ˆ − ku u − F ud − kr (r − Wrd ) )    ) ˆuT h j  Jˆu = W   ˆ T ˆ   J r = Wr h j (4.8) (4.9) (4.10) + Sơ đồ cấu trúc: Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tích hợp RBF 21 4.3.3 Kết mơ Chọn: kt = 50 ; ku = 45 kr = 45 ; ❖ Đáp ứng lực căng tích hợp RBF ❖ Hình 4.6 Đáp ứng lực căng trường hợp sử RBF Đáp ứng vận tốc dài tích hợp RBF Hình 4.7 Đáp ứng vận tốc dài vận tốc góc sử dụng RBF ❖ Khảo sát đáp ứng lực căng hệ cho mô men lô vật liệu biến thiên Ji = 1.5 *Ji-tính Ji = *Ji-tính (a) (b) Hình 4.8 Đáp ứng lực căng hai trường hợp Bảng 4.4 Sai lệch lực căng có thơng số chứa thành phần bất định Hình 4.6 4.8-a 4.8-b Thành phần bất định Ji = *Ji-tính Ji = 1,5 *Ji-tính Ji = *Ji-tính Sai lệch lực căng max 2,2% 2,3% 2,5% Sai lệch lực căng trình xác lập 0.25% 0.25% 0.25% 22 Kết mô cho thấy RBF có khả thích nghi với thành phần biến thiên lớn mơ hình hệ thống Dữ liệu khảo sát Bảng 4.4 cho thấy điều khiển sử dụng thuật toán RBF cho kết sai lệch lực căng chế độ xác lập xấp xỉ khơng mơ men qn tính lơ vật liệu WTS thay đổi trường hợp mô hình lý tưởng mơ hình có mơ men qn tính biến thiên lớn 4.4 Kết luận chương Nội dung chương 4, tác giả phân tích, thực số nội dung nâng cao chất lượng điều khiển lực căng cho WTS sau: Đề xuất chứng minh phương pháp điều khiển bền vững cho lực căng vận tốc cho WTS dựa phương pháp thiết kế Back-stepping kết hợp với mặt trượt động DSC quan sát Ưu điểm bật điều khiển bền vững với nhiễu, khử biến thiên đạo hàm, nhiên thơng số mơ hình phải xác định trước Đề xuất chứng minh phương pháp điều khiển thích cho lực căng vận tốc cho WTS dựa phương pháp thiết kết back-stepping kết hợp với RBF quan sát KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những đóng góp luận án Với mục tiêu thiết kế điều khiển quan sát lực căng cho vật liệu dạng băng, từ đó, ứng dụng cho điều khiển cho WTS, luận án có số đóng góp bật sau: Phát triển mơ hình động lực học cho WTS có xét đến biến thiên mơ men qn tính lơ tở lơ cuộn; Xây dựng điều khiển dựa kỹ thuật thiết kế back-stepping kết hợp quan sát lực căng Thuật toán đề xuất chứng minh đưa định lý so sánh với số phương pháp cơng bố Đặc biệt có cấu trúc phù hợp với đối tượng hệ MIMO WTS; Đề xuất xây dựng điều có cấu trúc bền vững sử dụng thuật toán mặt trượt động DSC nhằm khắc phục số hạn chế tượng biến thiến đạo hàm lớn nâng cao chất lượng điều khiển cho WTS Bộ điều khiển thiết kế tư tưởng kỹ thuật back-stepping tích hợp thêm mặt trượt động; Đề xuất cấu trúc điều khiển có khả thích nghi tích hợp thuật toán đại thuật toán RBF để đảm bảo hệ bền vững với nhiễu, tham số biết thiên… Kết mơ cho thấy tính đắn thuật toán đề xuất; Thực kiểm chứng thuật tốn điều khiển mơ mơ hình thực nghiệm cho kết 23 tốt Điều khẳng định phương pháp phù hợp với đối tượng nghiên cứu hồn tồn có tiềm ứng dụng thực tiễn Trong luận án này, tác giả thực cấu trúc điều khiển đề xuất cho WTS phân đoạn Tuy nhiên cấu trúc điều khiển hồn tồn mở rộng để áp dụng cho WTS nhiều phần đoạn Điều minh chứng phần qua việc thiết kế điều khiển cho WTS ba phân đoạn áp dụng cấu trúc back-stepping kết hợp RBF, kết công bố số danh mục cơng trình luận án Những hạn chế luận án Mặc dù kết trình bày tồn luận án chứng minh khả tính đắn lý thuyết thực nghiệm, nghiên cứu tồn giới hạn, cần thêm thời gian để bổ sung nghiên cứu gồm: Do nhiều hạn chế điều kiện thiết bị thí nghiệm, tính đồng hệ thống nên tác giả chưa có điều kiện kiểm nghiệm hết tất thuật tốn điều khiển mơ hình thực Tác giả lựa chọn kiểm nghiệm mơ mơ hình vật lý tương tự mơ hình thực tế Đây phương pháp mô nhiều tác giả lựa chọn, độ tin cậy tính xác kiểm nghiệm qua nhiều cơng bố trước đó; Bộ quan sát lực căng có cấu trúc đơn giản, nhiên hồn toàn phụ thuộc vào động lực học hệ thống, nên quan sát phù hợp khi thơng số mơ hình xác định với sai số nhỏ Những kiến nghị luận án Ngoài giới hạn luận án nêu cần đầu tư hoàn thiện, số định hướng sau cân nhắc nghiên cứu tương lai: Cải thiện chất lượng hệ thống việc đề xuất chứng minh thuật tốn thích nghi bền vững dựa nghiên cứu thực hiện; Phát triển toán điều khiển khác cho WTS điều khiển canh biên; Hồn thiện mơ hình để kiểm chứng thuật toán phức tạp 24 ... Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng WTS Để tổng qt hóa q trình mơ hình hóa cho WTS, ta xét ngun lý vận chuyển vật liệu dạng băng gồm tác động ảnh hưởng lên vật liệu vận chuyển tác động vật liệu. .. tở cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng - Áp cấu trúc điều khiển lực căng không dùng cảm biến cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng - Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa tảng mặt... lượng hệ thống phụ thuộc vào tính chất lý-hóa vật liệu 2.1.4 Mô men đầu vào hệ thống Để hệ thống hoạt động, ngồi việc xây dựng kết cấu khí hệ thống, ta cần tính tốn điều khiển mơ men đầu vào hệ thống