Luận văn thạc sĩ: Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ hống quạt gió cánh phẳng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
–––––––––––––––––––

NGUYỄN THÀNH CƠNG

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

THÁI NGUN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
–––––––––––––––––––

NGUYỄN THÀNH CƠNG

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Nguyễn Văn Chí
PHÕNG QUẢN LÝ ĐÀO
TẠO SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thành Công
Sinh ngày 09 tháng 6 năm 1975
Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa 02 – Trường Đại Học Kỹ
Thuật Công Nghiệp- Đại Học Thái Nguyên.
Hiện tôi đang công tác tại Trường Cao Đẳng Nghề Cơ Điện Phú Thọ
Tôi cam đoan tồn bộ nội dung trong luận văn do tơi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn có
nguồn gốc rõ ràng.
Nếu có gì sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Cơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên. Tơi đã hồn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nhận
dạng và điều khiển thích nghi hệ thống quạt gió cánh phẳng”.
Trong thời gian làm luận văn do kiến thức của tơi cịn rất nhiều hạn chế, thực
tế là chưa đủ để thực hiện đề tài này. Nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy
hướng dẫn, các thầy giáo trong Bộ môn Đo lường - Điều khiển tự động của trường
Đại học kỹ thuật công nghệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự chỉ bảo ân cần của thầy
giáo TS. Nguyễn Văn Chí nên tơi đã hồn thành được nội dung nghiên cứu. Mặc dù
đã cố gắng nhưng do thời gian hạn chế và kiến thức của tơi cịn thiếu nên bản luận
văn này chắc chắn cịn có nhiều thiếu sót mong sẽ được các thày chỉ dẫn thêm.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Văn Chí và các thầy cơ
giáo trong bộ mơn Đo lường - Điều khiển tự động
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Cơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iii

MỤC LỤC

Lời cam đoan ................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Mục lục...................................................................................................................... iii
Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................... v

Danh mục các hình ........................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cần thiết của đề tài .......................................................................................... 1
2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài ....................................................................... 1
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn .......................................................................... 2
4. Phương pháp và phương pháp luận ........................................................................ 2
5. Đóng góp của luận văn .............................................................................................. 3
6. Bố cục của luận văn ................................................................................................ 3
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG ........... 4
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 4
1.2. Mô tả hệ thống ..................................................................................................... 4
1.3. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................ 8
1.4. Cơ sở xây dựng và nhận dạng mơ hình động lực học QGCP ............................. 8
1.5. Kết luận chương I .............................................................................................. 10
Chƣơng 2: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................... 12
2.1. Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển ............................................ 12
2.1.1. Định nghĩa nhận dạng ..................................................................................... 12
2.1.2. Phân loại phương pháp nhận dạng ................................................................. 12
2.1.3. Các phương pháp nhận dạng .......................................................................... 13
2.1.4. Nhận dạng mơ hình có tham số - Phương pháp bình phương tối thiểu - Mơ
hình ARX ................................................................................................................. 13
2.1.5. Các bước tiến hành bài toán nhận dạng .......................................................... 16
2.2. Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng ......................................................... 17
2.2.1. Thu thập dữ liệu vào/ra hệ thống QGCP......................................................... 17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iv

2.2.2. Tiền sử lý dữ liệu ............................................................................................ 19
2.2.3. Nhận dạng hệ thống bằng phần mềm chuyên dụng Identification Toolbox
trong Matlab .............................................................................................................. 19
2.2.4. Kết quả nhận dạng hệ thống QGCP ............................................................... 29
2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 30
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID .................................................... 31
3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID ................................................................................ 31
3.2. Tiến hành chạy thực trên hệ thống quạt gió cánh phẳng ................................... 32
3.2.1. Chạy thực hệ thống QGCP khi chưa có tác động của nhiễu ........................... 32
3.2.2. So sánh hệ thống QGCP thực và lý tưởng ...................................................... 35
3.2.3. Chạy thực hệ thống QGCP khi có tác động của nhiễu.................................... 38
3.3. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 40
Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU 42
4.1. Cơ sở lý thuyết về hệ điều khiển thích nghi ....................................................... 42
4.1.1. Khái niệm hệ điều khiển thích nghi ................................................................ 42
4.1.2. Hệ thích nghi theo mơ hình mẫu – MRAS...................................................... 42
4.2. Thiết kế hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho hệ thống quạt gió cánh phẳng ................................................................................................................ 44
4.3. Chạy thực hệ điều khiển thích nghi trên hệ thống quạt gió – cánh phẳng ......... 54
4.3.1. Hệ thống khi chưa có tác động nhiễu .............................................................. 54
4.3.2. Hệ thống khi có tác động của nhiễu ................................................................ 58
4.3.3. So sánh đáp ứng đầu ra hệ thống khi có tác động nhiễu giữa bộ điều
khiển PI và điều khiển thích nghi.............................................................................. 60
4.4. Kết luận chương 4 .............................................................................................. 64
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

QGCP

Fan and Plate

Quạt gió cánh phẳng

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

AR

Auto Regression

Quá trình tự hồi quy

PI

Proportional Integral

Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ

PID

Proportional Integral Derivative

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

Model Reference Adaptive

Hệ thích nghi mơ hình tham

Systems

chiếu

MRAS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phịng thí nghiệm bộ mơn Đo lường
Điều khiển – Khoa Điện tử ........................................................................ 4
Hình 1.2: Động cơ quạt gió cánh phẳng ..................................................................... 5
Hình 1.3: Cánh phẳng ................................................................................................. 5
Hình 1.4: Sensor đo góc .............................................................................................. 5
Hình 1.5: Mạch điều khiển .......................................................................................... 6
Hình 1.6: Bộ nguồn một chiều .................................................................................... 7
Hình 1.7: Cáp kết nối máy tính ................................................................................... 7
Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển.......................................................................................... 7
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống QGCP ................................................................ 8
Hình 1.10: Biểu diễn quá trình động lực học của QGCP ............................................ 9
Hình 1.11: Sơ đồ khối của mơ hình ............................................................................ 9
Hình 2.1: Khối tạo tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên trên Simulink ............................... 17
Hình 2.2: Nhận dạng hệ thống QGCP trên phần mềm Matlab – Simulink .............. 18
Hình 2.3: Tín hiệu vào hệ thống................................................................................ 18
Hình 2.4:Tín hiệu ra hệ thống ................................................................................... 18
Hình 2.5:Tín hiệu vào sau tiền xử lý ......................................................................... 19
Hình 2.6: Tín hiệu ra sau tiền xử lý .......................................................................... 19
Hình 2.7: Cửa sổ làm việc của cơng cụ nhận dạng ................................................... 20
Hình 2.8: Nhập đối tượng vào cơng cụ nhận dạng ................................................... 20
Hình 2.9: Tiền xử lý dữ liệu loại bỏ giá trị trung bình .............................................. 21
Hình 2.10: Hình vẽ bộ dữ liệu gốc và mới ................................................................ 21
Hình 2.11: Di chuyển mơ hình identdata.d vào Working Data ................................ 22
Hình 2.12: Bộ dữ liệu identdata de và identdata dv .................................................. 22
Hình 2.13: Hình vẽ bộ dữ liệu identdata de và identdata dv ..................................... 23
Hình 2.14:Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc .............. 23
Hình 2.15: Ước lượng mơ hình ................................................................................. 24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

vii

Hình 2.16: Chọn các thơng số mơ hình ..................................................................... 24
Hình 2.17: Độ phù hợp của mơ hình ......................................................................... 25
Hình 2.18: Mơ hình tốn học của ARX221 .............................................................. 25
Hình 2.19: Đặc tính vào/ra trước và sau khi loại bỏ giá trị trung bình ..................... 28
Hình 2.20:Độ phù hợp của các mơ hình ARX221,ARX551,ARX10101 ................. 28
Hình 3.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng với bộ điều khiển PID .............................. 32
Hình 3.2:Góc thực của hệ thống khi góc đặt 5° ........................................................ 33
Hình 3.3: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 10° ..................................................... 33
Hình 3.4: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 15° ..................................................... 34
Hình 3.5: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 20° ..................................................... 34
Hình 3.6: So sánh đối tượng QGCP thực và lý tưởng .............................................. 35
Hình 3.7: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng ................ 35
Hình 3.8: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng ................ 36
Hình 3.9: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng ................ 37
Hình 3.10: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng .............. 37
Hình 3.11: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 5° ........................ 38
Hình 3.12: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 10° ...................... 39
Hình 3.13: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 15° ...................... 39
Hình 3.14: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 20° ...................... 40
Hình 4.1: Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mơ hình tham chiếu .................. 42
Hình 4.2: Mơ hình sai số ........................................................................................... 43
Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu .............. 45
Hình 4.4: Sơ đồ mơ phỏng điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng...... 49
Hình 4.5: Khối mơ hình mẫu..................................................................................... 50
Hình 4.6: Khối cơ cấu chỉnh định thích nghi ............................................................ 50
Hình 4.7: Khối bộ điều khiển .................................................................................... 50

Hình 4.8: Khối đối tượng quạt gió - cánh phẳng ...................................................... 51
Hình 4.9: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 5° .................................... 51
Hình 4.10:Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 10° ................................. 52
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

viii

Hình 4.11: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 15° ................................ 52
Hình 4.12: Sai số e và các tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 20° ................................ 53
Hình 4.13: Sơ đồ chạy thực điều khiển thích nghi cho hệ thống .............................. 54
Hình 4.14: Sai số e khi góc đặt 5° ............................................................................. 54
Hình 4.15: Góc cánh phẳng và góc đặt 5°................................................................. 55
Hình 4.16: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 5°.......................................................... 55
Hình 4.17 :Sai số e khi góc đặt 10° ........................................................................... 56
Hình 4.18: Góc cánh phẳng và góc đặt 10°............................................................... 56
Hình 4.19: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 10° ....................................................... 56
Hình 4.20:Sai số e khi góc đặt 15° ............................................................................ 57
Hình 4.21: Góc cánh phẳng và góc đặt 15°............................................................... 57
Hình 4.22: Tham số hiệu chỉnh khi góc đặt 15° ....................................................... 58
Hình 4.23:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm ............ 59
Hình 4.24:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm ............ 59
Hình 4.25:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm ............ 60
Hình 4.26: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt ............................................................................................ 61
Hình 4.27 : So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt 10° ..................................................................................... 62
Hình 4.28: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt 15° ..................................................................................... 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của đề tài
Ngày nay do u cầu của thực tế sản suất có cơng nghệ hiện đại trên tất cả các
lĩnh vực đòi hỏi phải có hệ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số của
nó để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng đã định. Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện,
điện tử, tin học và máy tính đã được phát triển ở mức độ cao, lý thuyết điều khiển
thích nghi ra đời đáp ứng được yêu cầu trên. Nội dung của điều khiển thích nghi là:
tạo ra được hệ điều khiển mà cấu trúc và tham số của nó có thể thay đổi theo sự
biến thiên thơng số đối tượng điều khiển sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo
theo các chỉ tiêu đã định. Do tính ưu việt của điều khiển thích nghi mà hiện nay các
bộ điều khiển đang bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp,
các hệ phi tuyến trong thực tế .
Mơ hình hệ thống QGCP là một mơ hình cho phép cài đặt các thuật bù điều
khiển góc, với tính chất chịu ảnh rất nhiều của nhiễu và sự thay đổi tham số do đó
hệ thống QGCP là hệ thống khó điều khiển để đạt được chất lượng tốt.
Xuất phát từ những lý do trên và quan điểm của bản thân tác giả luận văn
mạnh dạn đi sâu nghiên cứu đề tài Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống
quạt gió cánh phẳng để từ đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự động điều khiển
góc với chất lượng tốt hơn, qua đó mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống thơng
gió, góc mở của van được điều khiển bằng khí nén trong các nhà máy xí nghiệp.
Sau khi hồn thành ln văn sẽ góp phần là rõ lý thuyết cũng như cho một số hướng
điều chỉnh thực tế cho bộ điều khiển thích nghi ổn định góc.
2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Vấn đề nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi ổn định góc là một vấn đề khơng
mới nhưng có thể nói là khó vì trong các cơng trình trước đây [5],[6] người ta
thường bỏ qua những thành phần khó xác định tham số, đơn giản hóa mơ hình và
cuối cùng nhận được mơ hình tuyến tính bậc 1 hoặc bậc 2. Sau đó người ta thiết kế
bộ điều khiển PID cho mơ hình này, các tham số của bộ điều khiển PID thường được
xác định bởi phương pháp quỹ đạo nghiệm số hoặc thông qua thử nghiệm thực tế,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

2

kết quả là chất lượng điều khiển thường không được cao. Một số cơng trình khác
[1],[7] người ta sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi, trong đó các tham số bộ điều
khiển PID được chỉnh bằng một cơ cấu hiệu chỉnh, cơ cấu hiệu chỉnh này có nhiệm
vụ xác định các tham số PID dựa trên sai lệch giữa góc thực của hệ thống quạt gió
cánh phẳng và đầu ra của một mơ hình mẫu. Phương pháp này nhận được chất lượng
điều khiển tốt hơn so với phương pháp điều khiển PID thuần túy, tuy nhiên vì mơ
hình của đối tượng bỏ qua một số thành phần và không xét đến nhiễu cho nên chất
lượng điều khiển nhiều khi không được như mong đợi, đặc biệt khả năng đáp ứng với
nhiễu. Mặt khác vấn đề lựa chọn mơ hình mẫu hợp lý cũng là một bài tốn có khá
nhiều vấn đề đang được giải quyết.
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển
thích nghi 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[1],[5],[6],[7].
Chính vì vậy, luận văn tập trung vào các mục tiêu cụ thể như sau:
Nhận dạng hệ thống quạt gió cánh phẳng thông qua nhận dạng thực
nghiệm theo phương pháp hồi quy trung bình trượt nhằm xác định mơ hình hệ thống
và mơ hình nhiễu tác động.

Xác định mơ hình mẫu.
Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và cơ cấu hiệu chỉnh thích nghi theo luật MIT
Cài đặt bộ điều khiển và cơ cấu chỉnh định trong Matlab simulink và điều
khiển thực.
So sánh kết quả của phương pháp điều khiển áp dụng với phương pháp đã có
Đánh giá và nhận xét.
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
- Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết về nhận dạng thực nghiệm, tiến hành nhận dạng thực
tế hệ thống quạt gió cánh phẳng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

3

Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển thích nghi, trong đó lựa chọn phương
pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu với cơ cấu hiệu chỉnh thơng số thích
nghi theo luật MIT.
- Phương pháp luận:
Sử dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm theo phương pháp hồi quy
trung bình trượt để cho phép nhận dạng được mơ hình chính xác hơn trong đó bao
gồm cả mơ hình đối tượng và mơ hình của nhiễu. Dữ liệu dùng cho nhận dạng: điện
áp điều khiển và góc của cánh phẳng theo thời gian.
Khi có được mơ hình chính xác hơn và có kể đến mơ hình của nhiễu, ta có
thể áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu với luật hiệu
chỉnh MIT cho phép linh hoạt chọn lựa các tham số của bộ điều khiển và mơ hình
mẫu, qua đó có thể cải thiện được chất lượng điều khiển.
5. Đóng góp của luận văn
Ứng dụng lý thuyết cơ bản về nhận dạng và điều khiển thích nghi để xác định

tham số hệ thống QGCP. Sau đó thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển thích
nghi để nâng cao chất lượng điều khiển góc. Các kết quả được kiểm chứng trên
Mallab/Simulik và điều khiển thực cho thấy các tham số đã xác định được thông
qua nhận dạng là tương đối chính xác, bộ điều khiển thích nghi cho chất lượng điều
khiển tốt hơn nhiều trong trường hợp có nhiễu tác động.
6. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm 4 chương với nội dung như sau:
- Chương I. Giới thiệu về hệ thống quạt gió cánh phẳng.
- Chương II. Nhận dạng hệ thống điều khiển.
- Chương III. Thiết kế bộ điều khiển PID.
- Chương IV. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu
- Ngồi ra cịn có phần mở đầu và danh mục tài liệu tham khảo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

4

Chƣơng 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG QUẠT GIÓ CÁNH PHẲNG
1.1. Đặt vấn đề
Hệ thống quạt gió cánh phẳng (QGCP) là một hệ thống khí động học, hệ có
tính phi tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu, vì vậy hệ quạt gió cánh
phẳng là đối tượng rất tốt để nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự động từ đơn
giản đến phức tạp.
1.2. Mô tả hệ thống
Mục tiêu điều khiển của hệ thống QGCP là ổn định góc đặt của cánh phẳng
bằng luồng khơng khí thổi từ quạt gió.
 Cấu trúc của hệ thống khí động học quạt gió cánh phẳng bao gồm:

- Quạt gió.
- Cánh phẳng.
- Sensor đo góc.
- Mạch điều khiển.
- Thiết bị được giao tiếp,điều khiển và giám sát bằng máy tính thơng qua
cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab.
- Bộ nguồn một chiều

Hình 1.1:Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phịng thí nghiệm bộ mơn Đo lƣờng
Điều khiển – Khoa Điện tử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

5

a. Quạt gió
- Được điều khiển bằng động cơ một chiều, điện áp 0-24VDC, dịng điện 0.25A

Hình 1.2: Động cơ quạt gió cánh phẳng
b. Cánh phẳng

Hình 1.3: Cánh phẳng
- Tấm nhơm hình chữ nhật có bản lề với 2 trụ kim loại thẳng đứng, góc cánh
phẳng từ :00 – 200.
c. Sensor đo góc
- Là 1 biến trở 5V,có chức năng đo góc của cánh phẳng, trong đó 10 tương
ứng 0.18V (hoặc 28 ).

Hình 1.4: Sensor đo góc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

/>

6

d. Mạch cơng suất và giao tiếp máy tính

8

1

2
1

5

1

3
3

3
7

2

1

1

3

3
3

3
6

2
1

4

1

3
Hình 1.5: Mạch điều
3 khiển
Bao gồm:
1. Điện áp vào lấy từ bộ nguồn có điện áp ± 15V
2. PIC16F877A là vi mạch có hai chức năng : Nhận tín hiệu điện áp từ sensor đo
góc để đọc ADC và điều khiển tốc độ động cơ quạt gió bằng phương pháp PWM.
3. Max232 đây là vi mạch chuyển đổi 2 chiều giữa tín hiệu RS232 (của
cổng COM) mức điện áp

10V và tín hiệu TTL (của PIC) mức điện áp 0-5V.

4. IC ổn áp LA 7805
5. IC ổn áp LA7812
6. Chân cắm nối với sensor đo góc của lá nhơm
7. Chân cắm giao tiếp với cổng COM của máy tính
8. Chân cắm điều khiển quạt gió

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

7

e. Bộ nguồn một chiều

1

2

Hình 1.6: Bộ nguồn một chiều
1. Điện áp xoay chiều đầu vào 220V- 50Hz
2. Điện một chiều đầu ra ± 15V
f. Cáp kết nối với cổng COM máy tính

Hình 1.7: Cáp kết nối máy tính
g. Sơ đồ điều khiển
Máy tính

BĐK

Góc đặt

Đối tƣợng
QGCP

( )

Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

8

1.3. Nguyên lý hoạt động

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống QGCP
Đối tượng quạt gió cánh phẳng được giao tiếp, điều khiển và giám sát bằng
máy tính thơng qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab.
Khi ta đặt giá trị góc đặt trên máy tính, từ bộ điều khiển tín hiệu điều khiển sẽ
được đưa tới đối tượng QGCP : mạch điều khiển điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ
quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước. Đáp ứng
đầu ra là góc cánh phẳng được đo bởi Sensor đo góc, giá trị góc này lại được đưa
trở lại mạch điều khiển và phản hồi về chương trình điều khiển trên máy tính, tại
đây sai lệch giữa giá trị góc đặt và góc phản hồi được đưa tới bộ điều khiển,hệ
thống sẽ điều chỉnh cho sai lệnh này về 0 bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt gió để
đảm bảo góc cánh phẳng ln đạt giá trị đặt. Q trình trên được lặp đi lặp lại liên
tục để điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo giá trị đặt trước.
1.4. Cơ sở xây dựng và nhận dạng mơ hình động lực học QGCP [8]
Ta có mơ hình động lực học QGCP và sơ đồ khối của mơ hình như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

9

Hình 1.10: Biểu diễn quá trình động lực học của QGCP
Trong đó:
Góc
: góc giữa cánh phẳng và trục thẳng đứng
Mg : trọng lượng của cánh phẳng (kể cả đối trọng)
C : trọng tâm của hệ.
P: Áp suất tác động lên cánh phẳng
Các khoảng cách IM, IP,L1,L2 xác định như hình vẽ .

Hình 1.11: Sơ đồ khối của mơ hình
Mơ hình được chia làm ba phần:
 Khối quạt gió biểu diễn dưới dạng:
T1

d (t )
dt

(t )

K1V (t ) C1

(1.1)

T1: Hằng số thời gian
K1: Hệ số khuyếch đại ở trạng thái xác lập.

C1: Hằng số điều kiện đầu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

10

 Khối động học dịng khí: Diễn tả quan hệ giữa vận tốc dịng khí Ω và áp
suất khí đập lên cánh phẳng. Khi Ω thay đổi, có hai yếu tố cần tính đến : Sự trễ
chuyển động của cánh phẳng, dịng khí chuyển động xốy bên dưới và xung quanh
cánh phẳng. Ta coi khâu này gồm trế dịch chuyển, một dạng phi tuyến căn bậc hai
và động lực học phụ thuộc hướng.
 Khối biểu thị quan hệ giữa Ψ và P. Xem cánh phẳng là con lắc vật lý. Mơ
hình động lực học cánh phẳng :
J

d2
dt 2

MglM sin

b

d
dt

(1.2)

PAl p cos

Từ phân tích cấu trúc vật lý, theo tài liệu [8] ta có hàm truyền của đối tượng
QGCP là:
G( s)

( s)
V ( s)

e 2 s . Al p .cos ss
K1
1 T1s Js 2 bs ( M g lM cos ss Pss Al p sin

ss

)

(1.3)

 Đây là mơ hình tuyến tính hóa, trong đó bỏ qua sự xốy của dịng khí gây
ra dao động của cánh (thành phần động học không thể mơ hình được) nên có sự sai
lệch giữa mơ hình (1.3) và mơ hình thật, các tham số mơ hình thay đổi theo chế độ
làm việc và ln chịu tác động của nhiễu.
 Ngồi ra, mơ hình (1.3) có cấu trúc phức tạp có các tham số khó đo đạc,
khơng thích hợp cho việc tổng hợp và điều khiển bằng máy tính. Do vậy để có thể
tổng hợp và điều khiển hệ thống QGCP trên máy tính ta cần thực hiện nhận dạng hệ
thống điều khiển, từ đó xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống QGCP trên cơ sở
số liệu vào/ra thực nghiệm.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Chương này luận văn trình bày về cấu trúc của hệ thống khí động học
QGCP. Mơ tả các thiết bị, ngun lý làm việc của hệ thống. Đây là hệ có tính phi
tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu ,do vậy bài toán đặt ra ở đây là

phải xây dựng bộ điều khiển thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng; thỏa mãn tính thích
nghi khi tham số thay đổi và bền vững với nhiễu. Với mục tiêu trên cần tìm được
thuật tốn, thiết kế và cài đặt chương trình điều khiển (dùng máy tính là chức năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

11

của bộ điều khiển và quan sát thông qua cáp kết nối với cổng COM) để tạo ra tín
hiệu điều khiển trên cơ sở đo vị trí góc quay cánh phẳng qua sensor đo góc. Hàm
truyền (1.3) là mơ hình tuyến tính hóa, trong đó bỏ qua sự xốy của dịng khí gây ra
dao động của cánh (thành phần động học khơng thể mơ hình được) nên có sự sai
lệch giữa mơ hình (1.3) với mơ hình thật. Ngồi ra, các tham số mơ hình thay đổi
theo chế độ làm việc và luôn chịu tác động của nhiễu. Để thiết kế và cài đặt hệ điều
khiển thích nghi ta cần xác định các tham số của mơ hình bằng phương pháp nhận
dạng, sau đó sẽ thực hiện bài tốn thiết kế bộ điều khiển.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

12

Chƣơng 2
NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 . Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển
2.1.1. Định nghĩa nhận dạng
Nhận dạng là phương pháp thực nghiệm nhằm xác định một mơ hình cụ thể

trong các lớp mơ hình thích hợp đã cho trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào/ra.[1].
u cầu với mơ hình tìm được là phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất.
2.1.2. Phân loại phương pháp nhận dạng [2]
a. Nhận dạng theo dạng mơ hình sử dụng
Chúng ta phân ra các phương pháp như nhận dạng hệ phi tuyến/tuyến tính,
liên tục/gián đoạn, trên miền thời gian/tần số, nhận dạng mơ hình khơng tham số/có
tham số, nhận dạng mơ hình rõ/mờ. Trong đó, hai loại mơ hình được ứng dụng phổ
biến nhất đó là mơ hình tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc khơng có trễ, có hoặc
khơng có dao động, có hoặc khơng có thành phần tích phân) là những dạng thực
dụng nhất.
b. Theo dạng tín hiệu thực nghiệm
Chúng ta có nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động. Nhận dạng được gọi
là chủ động nếu tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích. Đây là phương
pháp tốt nhất nếu thực tế cho phép. Nếu hệ thống đang vận hành ổn định, khơng
cho phép có sự can thiệp nào gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, ta sử dụng
các số liệu vào ra trong quá trình vận hành. Đó là phương pháp nhận dạng bị
động. Số liệu thu được phản ánh hệ thống ở chế độ xác lập, mang ít thơng tin
cần thiết cho việc điều khiển.
c. Nhận dạng theo cấu trúc
Theo cấu trúc ta có nhận dạng vịng kín và nhận dạng vịng hở.
 Nhận dạng vịng hở là phương pháp trong đó mơ hình của đối tượng có thể
nhận được trực tiếp trên cơ sở tiến hành thực nghiệm và tính tốn với các tín hiệu
vào ra của nó. Phương pháp này có nhược điểm là có khả năng đưa hệ thống đến
trạng thái mất ơn định. Giải pháp thay thế đó chính là nhận dạng vịng kín.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

13

 Nhận dạng vịng kín có được bằng cách đưa vào một vịng phản hồi đơn
giản, giúp duy trì sự ổn định của hệ thống
2.1.3. Các phương pháp nhận dạng [2]
 Nhận dạng mơ hình khơng tham số:
 Phân tích đáp ứng quá độ và phân tích tương quan.
 Phân tích đáp ứng tần số.
 Phân tích Fourier.
 Phân tích phổ.
 Nhận dạng mơ hình có tham số:
 Phương pháp bình phương tối thiểu:
- Mơ hình AR
- Mơ hình ARX
- Mơ hình ARMAX
 Phương pháp sai số dự báo.
 Phương pháp biến phụ.
 Phương pháp không gian con.
2.1.4. Nhận dạng mơ hình có tham số - Phương pháp bình phương tối thiểu - Mơ
hình ARX [2]
Cho hệ thống có tín hiệu vào là u(t), tín hiệu ra là y(t).

Giả sử ta thu thập được N mẫu dữ liệu:

ZN

u 1 , y 1 ,...., u N , y N

(2.1)

Ta cần nhận dạng mơ hình tốn học của hệ thống.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

14

Giả sử quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống rời rạc có thể được
mơ tả bởi phương trình sai phân:
ana y t na

... a1 y t 1

y t

bnbu t nb

... b1u t 1

b0u t

(2.2)

Đặt vector tham số mơ hình cần xác định là:
[a1 ... ana b0 ... bnb ]T

(2.3)

Và vecto hồi quy :
T

(t ) [ y (t 1) ...

y (t na)u (t ) ... u(t nb)]

(2.4)

y(t ) e(t )

(2.5)

Nên ta có thể viết:
T

y(t )

(t )

e(t )

Ước lượng tham số mơ hình bằng phương pháp bình phương tối thiểu:
Ta cần xác định tham số

sao cho giá trị tính tốn y t ,

y t càng tốt. Cách dễ thấy nhất là chọn

càng gần giá trị đo

sao cho bình phương sai số giá trị tính

tốn là tối thiểu:
N

N

^

[ y(ti ) y(ti )]2

V ( , tN )
i 1

[ y(ti )

T

(ti ) ]2

min
(2.6)

i 1

Trong đó: y (ti ) là giá trị quan sát được tại thời điểm ti
^

y (ti ) là giá trị tính tốn được từ q trình nhận dạng.
T
T

(t1 )

1

(t1 )

2

(t1 ) ...

n

(t1 )

(t2 )

1

(t2 )

1

(t2 ) ...

n

(t 2 )

.
.

.
.
T

(t N )

.
.
1

(t N )

2

,

.
.
(t N ) ...

n

RN

n

(2.7)

(t N )

y (t1 )
y (t2 )
.

,

RN

(2.8)

.
y (tn )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

15

Lúc này hệ (2.2) trở thành:

=
)T (

V( ,t N ) (

(2.9)

)

Ước lượng tham θ trở thành giải bài tốn tìm nghiệm tối ưu để cực tiểu hóa hàm
V( ,t N )

)T (

arg min[(

)]

(2.10)

Do Φ không phụ thuộc vào θ nên phương trình trên có nghiệm chính xác khi N n
và

T

là ma trận đối xứng khơng âm, nó khơng suy biến khi ( ) = n tức là ( ) có

đủ hạng cột. Ta có nghiệm θ của là nghiệm của phương trình:
V

T

0
T

T

(

*

T

(

) 0

(2.11)

)

T

(

Trong đó

T

)

1

T

*

: là ma trận nghịch đảo (pseudo-inverse) của

 Khi mơ hình có nhiễu tác động: (ti )
T

y(ti )

(ti )

(2.12)

(ti )

 Khi đó vecto tham số sẽ được ước lượng:
T

(

)

1

T

(

~

E

E

*

)
E

~

(

)

(2.13)

*

Nếu nhiễu là nhiễu khơng có tương quan với biến đầu vào

*

ta có E

Phép ước lượng là xác thực với kỳ vọng đúng bằng của θ là:
Phương sai của θ:
E(

T

)

E( * (

*

)T )

E(

*

*T

E(

T

)

*

*T

(2.14)

Trong đó: λ là kỳ vọng của nhiễu.
 Với mơ hình ARX đơn biến:
Đối với các mơ hình gián đoạn ta có một phương pháp mơ tả rất thuận lợi, đó
là sử dụng tốn tử dịch tiến (kí hiệu q) và tốn tử dịch lùi (kí hiệu q 1 ). Với một tín
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>