ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG

Thiết kế và thực thi bộ điều khiển PID cho hệ thống quạt gió cánh phẳng nhằm duy trì ổn định góc của cánh phẳng với chất lượng cải thiện hơn so với các phương pháp đã có. • Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thông qua nhận dạng thực nghiệm nhằm xác định mô hình hệ thống và mô hình nhiễu tác động.

Bộ môn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Đề tài: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG GVHD : Th.S Ngô Phương Thanh SVTH : Nguyễn Thị Hoan Thái Nguyên, Tháng 11-2018 Bộ môn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử ii Bộ môn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện – điện tử nói riêng làm cho mặt xã hội đất nước biến đổi ngày Đặc biệt Đo lường điều khiển ngành mới, có đà phát triển cách tích cực cơng nghiệp nước nhà Chính vậy, để tìm hiểu sâu chuyên ngành kiến thức thực tế em thực đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG QUẠT GIĨ CÁNH PHẲNG” Trong q trình thực em thầy môn giúp đỡ tạo điều kiện để em hồn thành tốt đồ án Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ngơ Phương Thanh tận tình giúp đỡ em q trình thực Đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy để đồ án em hoàn thành tốt Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 28 tháng 11 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thị Hoan Bộ môn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Ngày yêu cầu thực tế sản suất có cơng nghệ đại tất lĩnh vực đòi hỏi phải có hệ điều khiển thay đổi cấu trúc tham số để đảm bảo tiêu chất lượng định Nội dung điều khiển PID là: tạo hệ điều khiển mà cấu trúc tham số thay đổi theo biến thiên thông số đối tượng điều khiển cho chất lượng hệ đảm bảo theo tiêu định Do tính ưu việt điều khiển PID mà điều khiển bắt đầu ứng dụng vào điều khiển hệ thống phức tạp, hệ phi tuyến thực tế Mơ hình hệ thống QGCP mơ hình cho phép cài đặt thuật bù điều khiển góc, với tính chất chịu ảnh nhiều nhiễu thay đổi tham số hệ thống QGCP hệ thống khó điều khiển để đạt chất lượng tốt Xuất phát từ lý quan điểm thân tác giả luận văn mạnh dạn sâu nghiên cứu đề tài Nhận dạng điều khiển hệ thống quạt gió cánh phẳng để từ thiết kế điều khiển PID tự động điều khiển góc với chất lượng tốt hơn, qua mở hướng ứng dụng hệ thống thông gió, góc mở van điều khiển khí nén nhà máy xí nghiệp Sau hồn thành luân văn góp phần rõ lý thuyết cho số hướng điều chỉnh thực tế cho điều khiển PID ổn định góc Mục tiêu nghiên cứu đề tài Luận văn tập trung vào mục tiêu thiết kế thực thi điều khiển PID cho hệ thống quạt gió cánh phẳng nhằm trì ổn định góc cánh phẳng với chất lượng cải thiện so với phương pháp có Chính vậy, luận văn tập trung vào mục tiêu cụ thể sau: • Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thơng qua nhận dạng thực nghiệm nhằm xác định mơ hình hệ thống mơ hình nhiễu tác động • Xác định mơ hình mẫu Bộ mơn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử • Cài đặt điều khiển cấu chỉnh định Matlab simulink điều khiển thực • So sánh kết phương pháp điều khiển áp dụng với phương pháp có • Đánh giá nhận xét Bố cục Luận văn gồm chương với nội dung sau:  Chương 1: Giới thiệu hệ thống quạt gió cánh phẳng  Chương 2: Nhận dạng hệ thống điều khiển  Chương 3: Thiết kế điều khiển PID  Chương 4: Kết luận Ngồi cịn có phần mở đầu danh mục tài liệu tham khảo Bộ môn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống quạt gió cánh phẳng (QGCP) hệ thống khí động học, hệ có tính phi tuyến mạnh nhạy tác động nhiễu, hệ quạt gió cánh phẳng đối tượng tốt để nghiên cứu phương pháp điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp 1.2 Nguyên lý hoạt động Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động Đối tượng quạt gió cánh phẳng giao tiếp, điều khiển giám sát máy tính thơng qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab Khi ta đặt giá trị góc đặt máy tính, từ điều khiển tín hiệu điều khiển đưa tới đối tượng QGCP : mạch điều khiển điều chỉnh điện áp đặt vào động quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước Đáp ứng đầu góc cánh phẳng đo Sensor đo góc, giá trị góc lại đưa trở lại mạch điều khiển phản hồi chương trình điều khiển máy tính, sai lệch giá trị góc đặt góc phản hồi đưa tới điều khiển,hệ thống điều chỉnh cho Bộ môn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử sai lệnh cách điều chỉnh tốc độ quạt gió để đảm bảo góc cánh phẳng ln đạt giá trị đặt Quá trình lặp lặp lại liên tục để điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo giá trị đặt trước 1.3 Mô tả hệ thống Mục tiêu điều khiển hệ thống QGCP ổn định góc đặt cánh phẳng luồng khơng khí thổi từ quạt gió  Cấu trúc hệ thống khí động học quạt gió cánh phẳng bao gồm: - Quạt gió - Cánh phẳng - Sensor đo góc - Mạch điều khiển - Thiết bị giao tiếp,điều khiển giám sát máy tính thơng qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab - Bộ nguồn chiều Hình 1.2: Hệ thống quạt gió cánh phẳng a Quạt gió - Được điều khiển động chiều, điện áp 0-24VDC, dịng điện 0.25A Bộ mơn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử Hình 1.3: Động quạt gió b Cánh phẳng - Tấm nhơm hình chữ nhật có lề với trụ kim loại thẳng đứng, góc cánh phẳng từ :00 – 200 Hình 1.4: Cánh phẳng c Sensor đo góc - Là biến trở 5V,có chức đo góc cánh phẳng, tương ứng 0.18V (hoặc 28 Ω ) Hình 1.5: Sensor đo góc Bộ mơn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử d Mạch công suất giao tiếp máy tính Hình 1.6: Mạch điều khiển Bao gồm: Điện áp vào lấy từ nguồn có điện áp ± 15V PIC16F877A vi mạch có hai chức : Nhận tín hiệu điện áp từ sensor đo gócđể đọc ADC điều khiển tốc độ động quạt gió phương pháp PWM Max232 vi mạch chuyển đổi chiều tín hiệu RS232 (của cổng COM) mức điện áp ± 10V tín hiệu TTL (của PIC) mức điện áp 0-5V IC ổn áp LA 7805 IC ổn áp LA7812 Chân cắm nối với sensor đo góc nhôm Chân cắm giao tiếp với cổng COM máy tính Chân cắm điều khiển quạt gió e Bộ nguồn chiều Bộ mơn: Kỹ thuật điều khiển – khoa Điện tử Hình 1.7: Bộ nguồn chiều 1.Điện áp xoay chiều đầu vào 220V- 50Hz 2.Điện chiều đầu ± 15V 1.4 Kết luận chương Trong chương trình bày cấu trúc hệ thống khí động học QGCP Mơ tả thiết bị, nguyên lý làm việc hệ thống Đây hệ có tính phi tuyến mạnh nhạy tác động nhiễu ,do toán đặt phải xây dựng điều khiển thỏa mãn tiêu chất lượng; thỏa mãn tính thích nghi tham số thay đổi bền vững với nhiễu Với mục tiêu cần tìm thuật tốn, thiết kế cài đặt chương trình điều khiển (dùng máy tính chức năngcủa điều khiển quan sát thông qua cáp kết nối với cổng COM) để tạo tín hiệu điều khiển sở đo vị trí góc quay cánh phẳng qua sensor đo góc Ngồi ra, tham số mơ hình thay đổi theo chế độ làm việc chịu tác động nhiễu Để thiết kế cài đặt hệ điều khiển thích nghi ta cần xác định tham số mơ hình phương pháp nhận dạng, sau thực tốn thiết kế điều khiển • Bước 4: Chọn bậc S R1 Bậc ( R1 ) = Bậc ( A0 ) + Bậc ( Am ) – Bậc (A) =1+2–2=1 Bậc (S) = Min{[bậc ( R1 )+ bậc ( B )]; [bậc ( A0 ) + bậc ( Am ) – bậc ( B )} + − = Min {[ 1+ 0]; [ + – 0]} =  R1 = r0 s + r ⇒  S = s0 s + s1 • Bước 5: Tinh S R1 cách giải phương trình: AR1 + B − S = A0 Am Với A = s + 1.78s + 0.7866 R1 = r0 s + r B− = S = s0 s + s1 A0 = s + Am = s + s + 0.7866 Ta có: AR1 + B − S = ( s + 1.78s + 0.7866 )( r0 s + r ) r0 s + (r1 + 1.78r0 ) s + (1.78r1 + 0.7866r0 + s0 ) s + 0.7866r1 + s1 A0 Am = ( s + 1)( s + s + 0.7866) = s + s + 1.7866 s + 0.7866 Đồng hệ số vế, ta có hệ phương trình:  r0 =  r + 1.7866r = 1  1.78r1 + 0.7866r0 + s0 = 1.7866 0.7866r1 + s1 = 0.7866  R = s + 0.22 ⇒  S = 0.6084 s + 0.6135 • Bước 6: Tính R T r0 = r = 0.22  ⇔1  s0 = 0.6084  s1 = 0.6135 + 1.( s0 s + s1 ) = R = R1 B + ⇒ R = ( s + 0.22)1.999 = 1.999 s + 0.4398 T = A0 B 'm = 0.7866( s + 1) Kết luận: Hệ thống ĐK theo mô hình chuẩn sau thiết kế: • Mơ hệ thống ĐK theo mơ hình chuẩn Matlap Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống mô Matlap Kết mô với đối tượng nhận dạng, giá trị đặt 10 Hình 4.3: Kết mơ Thực mơ hình thật: Hình 4.4: Sơ đồ mơ hình Kết chạy thực hệ thống quạt gió cánh phẳng: • Giá trị đặt 10° Hình 4.5: Kết mơ • Giá trị đặt 12° Hình 4.6: Kết mô Nhận xét: Hệ thống điều khiển theo mô hình chuẩn có đầu bám với giá trị đặt Phương pháp có ưu điểm thời gian đạt giá trị xác lập nhỏ thích ứng với nhiễu tốt Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp với giá trị góc đặt nhỏ sai lệch E(t) lớn 4.2 Các bước thiết kế hệ thích nghi theo mơ hình chuẩn Thiết kế BĐK theo phương pháp “ Design of MRAS – based controllers for motion systems using linear motor” ( Thiết kế BĐK MRAS cho hệ thống chuyển động sử dụng động cơ) Hình 4.7: Sơ đồ tổng qt hệ thống thích nghi • Bước 1: Xác định phương trình vi phân cho e Các mơ tả phương trình biến trạng thái:  x& 0    x p1    r  1p    +   =      x&2 p   − a p ( K p + d p ) − a p ( K d + bp )   x2 p   a p ( K p + K fd ) a p ( K i + K w )  1  Ta có: ε = r − x1 p → ε&= − x2 p x&2 p = − a p ( K p + d p ).x1 p − a p ( K p + bp ).x2 p + a p ( K p + K fd ).r + a p ( K i + K w ) = a p ( K p + d p ).ε − a p ( K d + bp ).x2 p + a p ( K fd − d p ).r + a p ( K i + K w ) Hình (5.1) mơ tả biến trạng thái: X&p = Ap X p + B p R Với −1   ε& r  X&p =   ; Ap =  ; R =  ;  1   x&2   a p ( K p + d p ) −a p ( K d + bp )  0 ε    X p =   ; Bp =    x2 p   a p ( K fd − d p ) a p ( Ki + K w )  Các mô tả mơ hình tham chiếu là: ε&m = r − x1m → ε&m = − x2 m x&2 m = ωm2 ε m − zωm x2 m Nó viết lại sau: X&m = Am X m + Bm R Với ε&m  0 X&m =   ; Am =  ωm  x&2 m  −1  ε m  0  r  ; X m =   ; Bm =  ;R =     −2 zωm  0  1   x2 m  Sau ta xác định e: e = Xm − X p e&= X&m − X&p = Am X m + Bm R − Ap X p − B p R = Am ( X m − X p ) + ( Am − Ap ) X p + ( Bm − Bp ) R = Am e + A X p + B.R Với 0   A = ( Am − Ap ) =  ; ωn − a p ( K p + d p ) −2 zωn + a p ( K d + bp )  0   B = ( Bm − B p ) =    − a p ( K fd − d p ) − a p ( K i + K w )  • Bước 2: Chọn hàm Lyapunov Chúng ta tìm thấy luật thích nghi dễ dàng sử dụng hàm Lyapunov: V (e) = eT Pe + aT α a + bT β b Với - P ma trận đối xứng tích cực xác định tùy ý - a b vecto đơn vị chứa phần tử khác ma trận A vá B - α β ma trận chéo với yếu tố tích cực xác định tốc độ thích nghi • Bước 3: Xác định điều kiện với V( e ) tiêu cực V( e ) = eT P.e + aT α a + bT β b V&= ( Am e)T P.e + eT P.( Am e) + 2.aT α a + 2eT P A X p + 2.bT β b + 2.eT P.B.R T Để: Am P + P Am = −Q Bởi ma trận Am thuộc hệ thống ổn định ( Mơ hình thích nghi) Nó xuất phát từ định lý Malkin với Q ma trận xác đầu công thức V ( AmT P + P Am ).e = −eT Q.e thụ động Tính ổn định hệ thống đảm bảo aT α a + eT P A X p = bT β b + eT P.B.R = Với  T  e1  a  α a = [ a21 a22 ] ; a&= [ a&21 a&22 ] ; aT =  21  ; α =  11  ; e = e  ;  α 22   a22   2 P b = [ b21 b22 ] ; P =  11  P21 P12  0 ε  0 ;A= ; X p =     P22   a21 a22   x2 p  Sau vài phép biến đổi tốn học, ta có: a&21 = − (e P + e P ).ε α11 21 22 a&22 = − (e P + e P ) x α 22 21 22 p b& (e P + e P ).r 21 = − β11 21 22 b& (e1.P21 + e2 P22 ).1 22 = − β 22 Mặt khác, ta có : a21 = ω n − a p ( K p + d p ) → a&21 = − a p K&p a22 = −2 zωn − a p ( K d + b p ) → a&22 = a p K&d & b21 = − a p ( K fd − d p ) → b& 21 = − a p K fd & b22 = − a p ( K i + K w ) → b& 22 = − a p K i Suy ra: Kp = (e1.P21 + e2 P22 ).ε dt + K p (0) α11a p ∫ Kd = −1 (e1.P21 + e2 P22 ).x2 p dt + K d (0) α 22 a p ∫ Ki = (e1.P21 + e2 P22 )dt + K i (0) β 22 a p ∫ K fd = (e1.P21 + e2 P22 )rdt + K fd (0) β11a p ∫ Trong α11a p , α 22 a p , β11a p , β 22 a p gọi hệ số thích nghi Các hệ số xác định tốc độ thích nghi điều khiển lớn nguyên tắc chọn cách tùy ý T • Bước 4: Tính P từ Am P + P Am = −Q Chọn: q  q Q =  11 12   q21 q22  Với q12 = q21 0 ω m   P11 ⇒   −1 −2 zωm   P21 P12   P11 + P22   P21  ω m ( P21 + P12 ) ⇔  − P11 − zωm P21 + ω m P22 P12   P22  ω m −1  q  q = −  11 12   −2 zωm   q21 q22  − P11 + ω m P22 − zωm P12   q11 q12   = −  − P12 − P21 − zωm P22   q21 q22  Suy ra: P21 = P12 = P22 = −1 q11 2ω m ω q11 + m q22 + q21 2ω m 2z Dựa công thức thiết kế hệ thống thích nghi với phương pháp Lyapunov Chọn thơng số:  20 25  Q=  ωn = , z = 0.7 ,  25 20  4.2.1 Thiết kế điều khiển cho mơ hình nhận dạng • Đối tượng G ( s) = • Mơ hình mẫu: −1.142 s + 1.999 Y = s + 1.78s + 0.7866 U Gm ( s ) = ω 2m = 2 s + zωm s + ω m s + 1.4 s + • Biến đổi hàm truyền đối tượng dạng: G(s) = −1.142 s + 1.999 Y = s + 1.78s + 0.7866 U ⇔ Ys + 1.78Ys + 0.7866Y = −1.142Us + 1.999U −1 Lu u r dy dy du + 1.78 + 0.7866 y = −1.142 + 1.999u d t dt dt ⇔ dy dy du = 1.999u − 1.78 − 0.7866 y − 1.142 d t dt dt Đặt: a p = 1.999 bp = −1.78 d p = −0.7866 kw = −1.142 du dt Vì mơ hình mẫu có dạng Gm ( s ) = ω 2m s + zωm s + ω m nên cho k w = Theo phương pháp ta có: Kp = (e1.P21 + e2 P22 ).ε dt + K p (0) α11a p ∫ Kd = −1 (e1.P21 + e2 P22 ).x2 p dt + K d (0) α 22 a p ∫ Ki = (e1.P21 + e2 P22 )dt + K i (0) β 22 a p ∫ K fd = (e1.P21 + e2 P22 )rdt + K fd (0) β11a p ∫  20 25  Q=   25 20  Ta chọn: Suy ra: P21 = P12 = P22 = −1 −1 q11 = 20 = −10 2ω m 2.12 ω 1 q11 + m q22 + q21 = 20 + 20 + 25 = 49, 2857 2ω m 2z 2.1 2.0, Chọn: α11 = 1000 α 22 = 2500 β11 = 1000 β 22 = 500 Suy Kp = (−10e1 + 49.2857e2 ).ε dt + K p (0) 1999 ∫ Kd = −1 (−10e1 + 49.2857e2 ).x2 p dt + K d (0) 4997.5 ∫ Ki = ( −10e1 + 49, 2857e2 )dt + K i (0) 999.5 ∫ K fd = (−10e1 + 49.2857e2 )rdt + K fd (0) 1999 ∫ 4.2.2 Kết chạy mơ hình thực Hình 4.8:Sơ đồ điều kiển thích nghi hệ thống QGCP Hình 4.9: Đường đặc tính đầu hệ thống Hình 4.10: Đường đặc tính tham số Kp K fd Hình 4.11: Đường đặc tính tham số K d K i Nhận xét: Với điều khiển thích nghi hệ thống có đường đặc tính đầu bám với giá trị đặt, tín hiệu đầu tương đối tốt,sai lệch hệ thống tương đối nhỏ Các hệ số điều khiển thích nghi có sai lệch dần tiến giá trị KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài “ Điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng” chúng em thu kết sau: Nhận dạng mơ hình hệ thống quạt gió cánh phẳng thơng qua phần mềm Matlab Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống quạt gió cánh phẳng Thiết kế hệ thống điều khiển theo mơ hình chuẩn So sánh điều khiển PID, điều khiển theo mơ hình chuẩn điều khiển thích nghi cho hệ thống chúng em nhận thấy phương pháp điều khiển theo mơ hình chuẩn điều khiển thích tốt so với điều khiển PID Một số khó khăn chúng em gặp thực đề tài việc tìm kiếm phương pháp để thiết kế điều khiển thích nghi cho hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Thiết bị tự động –Bộ môn kỹ thuật điều khiển- Khoa Điện tử- Trường ĐH KTCN Thái Nguyên [2] Giáo trình Lý thuyết điều khiển nâng cao (Chương 4) – PGS.TS Huỳnh Thái Hồng [3] Giáo trình Handbook of PI and PID controller tuning rules [4] Sách kỹ thuật “design of MRAS- based controllers for motion systems using linear motor” TS.Nguyễn Duy Cương [5] ĐATN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG QGCP – SVTH: Hồng Việt Hịa, Đỗ Đức Việt, Đặng Văn Tùng ( năm 2006) – Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển – Khoa Điện tử - Trường ĐH KTCN Thái Nguyên