Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VŨ HƢNG THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Học viên : Vũ Hƣng Ngƣời HD Khoa Học: TS Võ Quang Vinh THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Học viên : Vũ Hƣng Lớp : CH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn TS Võ Quang Vinh Ngày giao đề tài : 11/2010 Ngày hoàn thành đề tài : 08/2011 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN TS Võ Quang Vinh BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN Vũ Hƣng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu của luận văn này là của riêng tôi, chưa có trong tài liệu nào khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Vũ Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8 LỜI NÓI ĐẦU 10 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 12 1.1. Sơ lược về sự phát triển hệ điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) 12 1.2. Cấu trúc, phân loại và đặc điểm hệ ĐKCĐ 12 1.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển chuyển động 12 1.2.2 Phân loại hệ ĐKCĐ 14 1.2.3 Đặc điểm của hệ điều khiển chuyển động 14 1.3. Các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển của hệ ĐKCĐ 14 1.3.1 Đặt vấn đề 14 1.3.2 Hệ truyền dộng điện 15 1.3.3 Các thiết bị đo lường 18 1.3.4 Các bộ điều khiển 18 1.3.5 Các phương pháp điều khiển 19 1.3.5.1. Phân tích sai số điều khiển 19 2. Sai số do các lượng nhiễu loạn khác 20 3. Chọn thuật điều khiển 21 1.4. Một số phương pháp nâng cao chất lượng chuyển động . 22 1.4.1.Phương pháp điều khiển mờ 22 1.4.1.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 23 1.4.1.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh: 26 1.4.1.3. Bộ diều khiển mờ động 26 1.4.2. Hệ điều khiển mờ lai F - PID 29 1.4.4. Hệ điều khiển mờ trượt 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 1.4.4.1 .Nguyên lý điều khiển trượt 31 1.4.5.2. Điều khiển mờ trượt 33 CHƢƠNG II: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỔNG HỢP MỜ TRƢỢT CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN. 36 2.1. Tổng hợp bộ điều khiển trượt mờ . 36 2.1.1. Phương pháp điều khiển trượt. 36 2.1.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững 39 2.1.3. Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững 44 2.1.4.Thiết kế luật điều khiển trượt. 45 2.1.5. Cơ sở hệ điều khiển trượt mờ từ điều khiển trượt kinh điển. 46 2.1.6. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt. 48 CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 50 3.1. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 51 3.1.1. Hàm truyền của động cơ điện 51 3.1.2. Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 57 3.1.3. Hàm truyền của máy phát tốc 59 3.1.4. Hàm truyền của thiết bị đo điện 59 3.1.5. Tổng hợp hệ điều khiển R I , R  , R  59 3.1.5.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện R I 60 3.1.5.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R  62 3.1.5.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí 64 3.1.5.3.1. Sơ đồ cấu trúc của trúc hệ thống điều chỉnh vị trí 64 3.1.5.3.2. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 66 3.2. Mô phỏng hệ thống truyền động với các bộ điều khiển PID 69 3.2.1.Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ một chiều kích từ độc lập 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID 72 3.3.Xây dựng bộ điều khiển trượt mờ cho mạch vòng vị trí. 74 3.4. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển trượt mờ 77 3.5. Nhận xét và kết luận: 80 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Ý nghĩa Trang 1.1 Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện với các nhiễu 17 1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 20 1.3 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 23 1.4 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 23 1.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 24 1.6 Vùng tác động của FLC và PID 25 1.7 Vùng tác động của các bộ điều chỉnh PID 26 1.8 Đối tượng điều khiển gồm 2 khâu tích phân 28 1.9 Bộ điều khiển mờ trượt hai đầu vào 30 1.10 Bộ điều khiển trượt mờ 3 đầu vào 31 2.1 Phân tích hệ có khâu phi tuyến hai vị trí và không bị kích thích bằng phương pháp mặt phẳng pha 32 2.2 Giải thích hiện tượng trượt (sliding) hay còn gọi là rung (chattering) 34 2.3 Minh hoạ định lý 1 37 2.4 Sự phụ thuộc của e và e’ 41 2.5 Cơ sở hệ điều khiển mờ trượt từ điều khiển kinh điển 42 3.1 Hệ thống điều khiển Thyristor - động cơ 46 3.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 47 3.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 49 3.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 50 3.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 51 3.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 52 3.7 Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 52 3.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 3.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 55 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 56 3.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 57 3.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 58 3.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 60 3.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí 62 3.15 Quan hệ giữa  và  64 3.16 Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 68 3.17 Mô phỏng PID 10s 68 3.18 Mô phỏng PID 15s 69 3.19 Hàm thuộc với 5 tập mờ 72 3.20 Luật hợp thành 72 3.21 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 73 3.22 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển trượt mờ 73 3.23 Mô phỏng trượt mờ 10s 74 3.24 Mô phỏng trượt mờ 15s 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hoá hiện đại hoá cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điện tử là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Hệ truyền động động cơ là bộ phận quan trọng không thể thiếu được trong mọi quá trình tự động hoá. Hệ thống nào có chuyển động cơ học ( dây chuyền sản xuất, người máy…) thì hệ thống đó động cơ điện làm khâu trung gian để chuyển hoá điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết. Việc điều khiển chính xác dòng cơ năng tạo nên các chuyển động phức tạp của dây chuyền công nghệ là nhiệm vụ của hệ thống truyền động động cơ. Một trong những vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động được sử dụng rất rộng rãi do nó có rất nhiều ưu điểm nổi bật với kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin phát triển. Việc thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp kinh điển phụ thuộc vào mô hình toán học của hệ, việc mô tả hệ thống càng chính xác thì kết quả điều khiển càng có chất lượng cao. Tuy nhiên việc xây dựng mô hình toá học của hệ thống rất khó khi không biết trước sự thay đổi của tải, thay đổi của thông số, nhiễu hệ thống… Trong những năm gần đây một ngành khoa học mới đã được hình thành và phát triển mạnh mẽ đó là điều khiển logic mờ mà công cụ toán học của nó chính là lý thuyết tập mờ của Jadeh. Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có được, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “ không rõ ràng hay không đầy đủ” những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy được giữa các quan hệ của chúng với nhau và cũng chỉ có thể mô tả được bằng ngôn ngữ, đã cho ra những quyết định chính xác. Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ chụp được phương thức xử lý thông tin và điều khiển của con người, đã giải quyết thành công các bài toán phức tạp. [...]... gian cũn cú cỏc o hm ca sai lch giỳp cho b iu khin phn ng kp thi cỏc bin ng t xut ca i tng E S húa bi Trung tõm Hc liu HTN Bộ điều khiển mờ Đối tựơng http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 E Bộ điều khiển mờ Đối tựơng Hỡnh1.3: H iu khin m theo lut PI Cỏc b iu khinHình 2.13: Hệ điều khiển nay l b iu khin m theo t m ng ang c dựng hin mờ theo luật PI l tớch phõn v t l vi tớch phõn ( PI, PD v PID ) Mt b iu khin... vic mc khõu tớch phõn trc hay sau h m hon ton khỏc nhau Khi mc ni tip u vo mt b iu khin m theo lut t l mt khõu tớch phõn s cú mt b iu khin m theo lut t l vi phõn PD d dt E E' E Bộ điều khiển mờ Đối tựơng Hỡnh1.4: Hệ điều khiển mờ theo luật Hình 2.14:H iu khin m theo lut PD PD Thnh phn ca b iu khin ny cng ging nh b iu khin theo lut PD thụng thng bao gm sai lch gia tớn hiu ch o v tớn hiu ra ca h thng... thng tng hp cỏc b iu khin PI hoc PD B iu khin PID m c thit k trờn c s ca b iu khin PD m bng cỏch mc ni tip u ra ca b iu khin PD m mt khõu tớch phõn d dt E E' E Bộ điều khiển mờ I Đối tựơng Hình 2.14:H iu khin m mờ theo PID PID Hỡnh1.5: Hệ điều khiển theo lut luật Cho n nay, nhiu dng cu trỳc ca PID m hay cũn c gi l b iu khin m ba thnh phn ó c nghiờn cu Cỏc dng cu trỳc ny thng c lp trờn c s tỏch b iu khin... khin m trt 2 hoc 3 u vo nh hỡnh 1.7; 1.8 e d dt Thiết bị hợp thành Giải mờ u Hình 2.19: Bộ điều khiển mờ trựơt hai đầu vào Hỡnh1.9:B iu khin m trt hai u vo S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 34 e d dt Thiết bị hợp thành Giải mờ u Hình 2.20: Bộiu khin m trt ba u vo đầu vào Hỡnh1.10:B điều khiển mờ trựơt ba Trong (1.19 ) ng vi mi giỏ tr ta nhn c mt mt trt Nu ta th hin trờn mt phng... thng - B iu khin m d hiu hn so vi cỏc b iu khin khỏc ( c v k thut ) v d dng thay i i vi cỏc bi toỏn cú phc tp cao gii phỏp dựng b iu khin m cho phộp gim khi lng tớnh toỏn v giỏ thnh sn phm - Trong nhiu trng hp b iu khin m lm vic n nh hn, bn vng hn, kh nng chng nhiu cao hn v cht lng iu khin cao hn Ngy nay, vi tc phỏt trin vt bc ca tin hc v s tng i ca lý thuyt iu khin ó chp cỏnh cho s phỏt trin a dng... v ng dng cho mt i tng c th nhm nõng cao cht lng iu khin ang l s quan tõm ca nhiu nh nghiờn cu 1.4.1.1 S khi ca b iu khin m Cu trỳc chung ca b iu khin m gm bn khi: Khi m hoỏ, khi hp thnh, khi lut m v khi gii m hỡnh 1.2 S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 23 Khối mờ hoá Khối luật mờ Khối hợp thành Ra Khối luật mờ Hỡnh1.2: Sơ đồ khối b iu điều khiển mờ Hình2.12: S khi ca của bộkhin... k thut iu khin cao ang chim u th trong iu khin Rụbt v cỏc ng dng iu khin hiu sut cao khỏc thỳc y s phỏt trin ca truyn ng xoay chiu thỡ trc ht phi phỏt trin in t cụng sut, cỏc mch tớch hp, cỏc mch vi x lý to nờn cỏc b bin i cụng sut iu khin S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 iu khin ng c in xoay chiu phc tp hn ng c in mt chiu v s rt phc tp khi ũi hi hiu sut cao Nguyờn nhõn... th khc phc c, m ch cú th hn ch bng cỏch la chn loi thit b tt hn, cht lng cao hn cho h 3 Chn thut iu khin Khi la chn phng phỏp iu khin nu phự hp vi cỏc c im ca i tng s cho cht lng tt v bỏm chớnh xỏc qu o, ngc li khụng phự hp s dn n sai s ln S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 i vi cỏc h tuyn tớnh, nõng cao cht lng v tng chớnh xỏc iu khin bỏm cú th s dng cỏc b iu khin PID, c... h KC cú tin cy v chớnh xỏc cao, giỏ thnh r v tit kim nng lng Nhim v c bn ca KC phi m bo giỏ tr yờu cu ca cỏc i lng iu chnh v iu khin tin cy trong cỏc lnh vc hot ng m nú phc v Ngoi ra, h KC phi m bo n nh ng v tnh, chng c nhiu trong v ngoi, ng thi khụng gõy tỏc hi cho mụi trng nh: ting n quỏ mc quy nh, súng hi ca in ỏp v dũng in quỏ ln cho li in 1.3 CC VN NGHIấN CU NNG CAO CHT LNG IU KHIN CA H KC 1.3.1... thit b k thut ngoi vic gim giỏ thnh cũn phi tng hiu sut, gim súng hi ca ngun, kt cu gn nh, s dng thun tin v tiờu chun hoỏ cao Trong xu th hin nay cỏc h iu khin chuyn ng ngy cng tin cy, chớnh xỏc hn, d s dng v giỏ thnh r hn l vỡ : - S dng cỏc thit b bỏn dn cụng sut cú tn s v hiu sut cao S húa bi Trung tõm Hc liu HTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 - S phỏt trin ca kt cu mỏy in mi - S dng cỏc thut toỏn iu . LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Học viên : Vũ Hƣng Ngƣời HD Khoa Học: TS. CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 50 3.1. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 51 3.1.1 trúc thu gọn mạch vòng vị trí 60 3.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí 62 3.15 Quan hệ giữa  và  64 3.16 Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 68 3.17