ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - VŨ HƯNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : 605260 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn hoàn thành trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Cán HDKH : TS Võ Quang Vinh Phản biện : Phản biện : Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số , trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Vào phút ngày tháng năm 2010 Có thể tìm hiển luận văn Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun LỜI NĨI ĐẦU Hiện đất nước ta thời kỳ đổi mới, cơng nghiệp hố đại hố với phát triển công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điện tử phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hố Hệ thống có chuyển động học ( dây chuyền sản xuất, người máy…) hệ thống động điện làm khâu trung gian để chuyển hoá điện thành với đặc tính cần thiết Việc điều khiển xác dòng tạo nên chuyển động phức tạp dây chuyền công nghệ nhiệm vụ hệ thống truyền động động Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hoá việc điều chỉnh tốc độ động truyền động Việc thiết kế điều khiển theo phương pháp kinh điển phụ thuộc vào mơ hình tốn học hệ, việc mơ tả hệ thống xác kết điều khiển có chất lượng cao Tuy nhiên việc xây dựng mơ hình tố học hệ thống khó khơng biết trước thay đổi tải, thay đổi thông số, nhiễu hệ thống… Trong năm gần ngành khoa học hình thành phát triển mạnh mẽ điều khiển logic mờ Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển hoàn toàn dựa vào xác tuyệt đối thơng tin mà nhiều ứng dụng khơng cần thiết khơng thể có được, điều khiển mờ xử lý thơng tin “ không rõ ràng hay không đầy đủ” thơng tin mà xác nhận thấy quan hệ chúng với mơ tả ngơn ngữ, cho định xác Chính khả làm cho điều khiển mờ chụp phương thức xử lý thông tin điều khiển người, giải thành công tốn phức tạp Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp em vào nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ ứng dụng điều khiển mờ trượt điều khiển tốc độ động Tùy theo đối tượng mà áp dụng luật điều khiển khác nhau, nhiên điều khiển có ưu điểm điều khiển mờ bản, chúng tập hợp đơn giản, dễ hiểu, làm việc ổn định, có đặc tính động học tốt thơng tin đối tượng khơng đầy đủ khơng xác Một số cịn khơng chịu ảnh hưởng nhiễu thay đổi theo thời gian đối tượng điều khiển Kết cấu luận văn gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan hệ điều khiển chuyển động Chương 2: Xây dựng thuật toán tổng hợp mờ trượt cho hệ chuyển động đối tượng phi tuyến Chương 3: Ưng dụng điều khiển mờ trượt để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí sử dụng động điện chiều Kết luận Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đến luận văn em hoàn thành với kết tốt Thành cơng phải kể đến giúp đỡ tận tình thày cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Đặc biệt Thầy TS Võ Quang Vinh người trực tiếp hướng dẫn em, hết lòng ủng hộ cung cấp cho em kiến thức quý báu Em xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc Do thời gian, kiến thức kinh nghiệm thực tế có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến bảo thày cô giáo bạn bè đồng nghiệp để luận văn em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng năm 2011 Học viên Vũ Hưng CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 1.1 SƠ LƯỢC VỀ SỰ PHÁT TRIỂN HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG (ĐKCĐ) 1.2 CẤU TRÚC , PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM HỆ ĐKCĐ 1.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển chuyển động 1.2.2 Phân loại hệ ĐKCĐ 1.2.3 Đặc điểm hệ điều khiển chuyển động 1.3 CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ ĐKCĐ 1.3.1 Đặt vấn đề 1.3.2 Hệ truyền dộng điện 1.3.3 Các thiết bị đo lường 1.3.4 Các điều khiển 1.3.5 Các phương pháp điều khiển 1.3.5.1 Phân tích sai số điều khiển 1.3.5.2 Sai số lượng nhiễu loạn khác 1.3.5.3 Chọn thuật điều khiển 1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG 1.4.1.Phương pháp điều khiển mờ 1.4.1.1 Sơ đồ khối điều khiển mờ 1.4.1.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh: 1.4.1.3 Bộ diều khiển mờ động 1.4.2 Hệ điều khiển mờ lai F - PID 1.4.3 Hệ điều khiển mờ trượt 1.4.3.1 Nguyên lý điều khiển trượt Nhận xét: Qua nghiên cứu ta nhận thấy điều khiển mờ có tính phi tuyến mạnh, khả chống nhiễu cao, phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thời gian, có tham số dải thời gian trễ lớn Việc thành công thiết kế điều khiển mờ phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm vận hành hệ thống kiến thức chuyên gia mà chưa có phương pháp chuẩn hố để thiết kế điều khiển mờ Nội dung điều khiển trượt mờ làm sở để tổng hợp điều khiển mờ trượt phần luận văn CHƯƠNG II XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỔNG HỢP MỜ TRƯỢT CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN Đặt vấn đề: Trong chương I ta đề cập đến điều khiển mờ trượt, ta thấy loại có ưu điểm nhược điểm riêng, kết hợp chúng lại ta nâng cao chất lượng điều khiển Vì chương ta xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển mờ trượt để điều khiển đối tượng phi tuyến bậc 2.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ 2.1.1 Phương pháp điều khiển trượt 2.1.2 Thiết kế điều khiển trượt ổn định bền vững 2.1.3 Thiết kế điều khiển trượt bám bền vững 2.1.4.Thiết kế luật điều khiển trượt 2.1.5 Cơ sở hệ điều khiển trượt mờ từ điều khiển trượt kinh điển 2.1.6 Thuật toán tổng hợp điều khiển mờ trượt Bước 1: Chọn mặt trượt S Chọn hàm thuộc với tập mờ ( nên chọn khoảng từ đến 10 tập mờ) Bước 2: Thiết kế luật điều khiển cho hệ thống rơi vào mặt trượt S = trì chế độ mãi Chọn hàm trượt S(e)= λe’+λ1e Trong λ chọn cho nghiệm đa thức đặc trưng λp+λ1 = nằm bên trái mặt phẳng phức Mặt trượt S cho phương trình S(e) = 0, luật điều khiển u chọn cho Ssign(S) < Do luật điều khiển có hàm sign nên gây tượng dao động, để khắc phục nhược điểm ta thêm khâu xử lý mờ điều khiển để thay cho hàm si Bước 3: Xây dựngbộ mờ Các bước xây dựng mờ: Mờ hoá mặt trượt S Xây dựng hệ quy tắc mờ: Giải mờ: Bằng phương pháp giải mờ trọng tâm Bước 4: Thiết kế mô Matlab CHƯƠNG III ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hệ thống truyền động động chiều hệ thống tự động điều chỉnh điện áp với ba mạch vịng phản hồi phản hồi dịng điện, phản hồi tốc độ, phản hồi vị trí Kết vấn đề thiết kế hệ thống độ ổn định đảm bảo tiêu chất lượng động như: độ điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh, số lần dao động 3.1 Xây dựng hàm truyền khâu hệ thống điều khiển 3.1.1 Hàm truyền động điện 3.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 3.1.3 Hàm truyền máy phát tốc 3.1.3 Hàm truyền máy phát tốc 3.1.4 Hàm truyền thiết bị đo điện 3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, Rω , Rϕ 3.1.5.1 Tổng hợp điều khiển dòng điện RI 3.1.5.2 Tổng hợp điều khiển tốc độ Rω 3.1.5.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí 3.1.5.3.1 Sơ đồ cấu trúc trúc hệ thống điều chỉnh vị trí 3.1.5.3.2 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 3.2 Mơ hệ thống truyền động với điều khiển PID 3.2.1.Tính tốn thơng số hệ điều chỉnh vị trí động chiều kích từ độc lập * Các thông số cho trước: Pđm : Công suất định mức động 3,2kW Uđm : Điện áp định mức động 110 V 10 Hình3.16:Sơ đồ cấu trúc mơ tả hệ điều khiển vị trí điều khiển PID Chạy chương trình mơ với giá tri đặt vị trí khác ta có kết đồ thị vẽ đây: Hình3.17: Mơ PID 10s 16 Hình 3.18: Mơ PID 15s 17 3.3.Xây dựng điều khiển trượt mờ cho mạch vịng vị trí Bước 1: Chọn mặt trượt S: S(e)= λe’+λ1e Bước 2: Thiết kế luật điều khiển cho hệ thống rơi vào mặt trượt S = trì chế độ mãi Trong λ chọn cho nghiệm đa thức đặc trưng λp+λ1 = nằm bên trái mặt phẳng phức Mặt trượt S cho phương trình S(e) = 0, luật điều khiển u chọn cho Ssign(S) < Do luật điều khiển có hàm sign nên gây tượng dao động, để khắc phục nhược điểm ta thêm khâu xử lý mờ điều khiển để thay cho hàm sign Bước 3: Xây dựngbộ mờ Các bước xây dựng mờ: Mờ hố mặt trượt S: chọn 18 Hình 3.19: Hàm thuộc với tập mờ 19 Xây dựng hệ quy tắc mờ: Hình 3.20: Luật hợp thành Hình 3.21: Quan hệ vào điều khiển mờ 20 Giải mờ: Bằng phương pháp giải mờ trọng tâm Bước 4: Thiết kế mô Matlab 3.4 Mô hệ điều khiển vị trí có điều khiển trượt mờ 21 Hình 3.23: Mơ trượt mờ 10s 22 Hình 3.23: Mơ trượt mờ 15s 23 KẾT LUẬN Đề tài sử dụng phương pháp điều khiển đại nâng cao chất lượng hệ điều khiển vị trí, cụ thể áp dụng phương pháp điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí sử dụng động điện chiều xuất phát từ thực tiễn ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá Đề tài nghiên cứu kết hợp điều khiển mờ điều khiển trượt để đưa điều khiển vị trí phát huy ưu điểm điều khiển trượt kết hợp với điều khiển mờ để khắc phục nhược điểm điều khiển trượt tượng trượt (sliding) hay gọi rung (chattering) Điều khiển trượt mờ giúp cho thời gian độ hệ thống nhanh lên từ 30% - 60% đạt độ xác cao, với giá trị đặt nhỏ.Khi vị trí đặt lớn định mức việc giảm thời gian độ, điều khiển trượt mờ giảm độ qúa điều chỉnh đặc biệt trình hãm Các kết nghiên cứu tóm tắt sau: - Tổng quan hệ thống điều khiển chuyển động - Các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ điều khiển chuyển động 24 - Một số phương pháp nâng cao chất lượng chuyển động - Thiết kế điều khiển trượt bền vững - Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển mờ trượt - Mô hệ điều khiển vị trí với điều khiển PID - Mơ hệ điều khiển vị trí với điều khiển trượt mờ - Kiểm nghiệm mô phần mềm Matlab cho thấy kết xác, góp phần đáng kể nâng cao chất lượng hệ điều khiển vi trí TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật Robot, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 2003 Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 1998 Cao Tiến Huỳnh, Điều khiển trượt mặt trượt mờ, Tuyển tập báo cáo Khoa học Hội nghị Tồn quốc lần thứ ba Tự động hóa, Hà Nội - 2000 25 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 1998 Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến Đoàn Quang Vinh, Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 2003 Phan Xuân Minh Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ (in lần thứ 1), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 1996 Phan Xuân Minh Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ (in lần thứ 3), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 2002 Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 1996 Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 2001 10 Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, Quyển 2: Hệ xung số, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 2003 11 Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, Quyển 3: Hệ phi tuyến hệ ngẫu nhiên, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 26 - 2003 Nguyễn Đình Phú, Lý thuyết ổn định ứng dụng, Nhà xuất Giáo dục - 1996 12 Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 2003 13 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hệ phi tuyến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 1999 14 Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hệ phi tuyến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội - 1999 27 28 29 30 ... trượt mờ 15s 23 KẾT LUẬN Đề tài sử dụng phương pháp điều khiển đại nâng cao chất lượng hệ điều khiển vị trí, cụ thể áp dụng phương pháp điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí sử dụng động điện chiều... khiển hệ điều khiển chuyển động 24 - Một số phương pháp nâng cao chất lượng chuyển động - Thiết kế điều khiển trượt bền vững - Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển mờ trượt - Mơ hệ điều khiển vị. .. khiển vị trí với điều khiển PID - Mô hệ điều khiển vị trí với điều khiển trượt mờ - Kiểm nghiệm mô phần mềm Matlab cho thấy kết xác, góp phần đáng kể nâng cao chất lượng hệ điều khiển vi trí TÀI