tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu lý THUYẾT điều KHIỂN THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO hệ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG vật LIỆU

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ BÍCH THỦY
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH
NGHI ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG
QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2012
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Cán bộ HDKH : TS. Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 1 :PGS. TS. Bùi Quốc Khánh
Phản biện 2 : TS. Đỗ Trung Hải
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng
cao học số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 13 giờ 30 phút ngày 25 tháng 01 năm 2013.
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên
và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của đề tài.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết của Điều khiển thích
nghi để nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng phi tuyến và áp dụng cho
hệ truyền động quấn băng vật liệu.
2. Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay các bộ điều khiển trong thực tế chủ yếu sử dụng bộ điều khiển
PID. Bộ điều khiển PID với các tham số được lựa chọn phù hợp nói chung đáp
ứng được các yêu cầu của đối tượng điều khiển là tuyến tính. Tuy nhiên các hệ

thống cần được điều khiển trong thực tế đều là các hệ phi tuyến, có chứa các
tham số không biết trước hoặc chứa các phần tử phi tuyến không thể hoặc rất khó
mô hình hóa trong việc xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả hệ. Các
tham số không biết trước có thể là hằng số hoặc biến thiên theo thời gian - Có thể
là biến thiên chậm hoặc nhanh theo thời gian. Ngoài ra trong quá trình làm việc
hệ cũng bị nhiễu tác động từ môi trường.
Điều khiển các hệ phi tuyến nói trên các bộ điều khiển PID thông thường
nói chung không đáp ứng được.
Khi cần thiết kế các bộ điều khiển có khả năng điều khiển các hệ phi
tuyến và chịu ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường, thường được sử dụng lý
thuyết điều khiển hiện đại như : điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững (ĐKBV)
và điều khiển thích nghi (ĐKTN)
Hệ điều khiển thích nghi là hệ điều khiển tự động mà cấu trúc và tham
số của bộ điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho
chất lượng ra của hệ đảm bảo các chỉ tiêu đó định. ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh
theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhằm duy trì đặc tính của đối tượng điều
khiển nằm trong phạm vi mong muốn trong khi thông số của đối tượng (Đã
biết hoặc chưa biết) biến thiên theo thời gian.
3
Vì những lý do trên việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ĐKTN vào điều
khiển các hệ thực là cần thiết và cần được tập trung nghiên cứu.
Hệ truyền động quấn băng vật liệu được sử dụng nhiều trong thực tế và là
hệ có tính phi tuyến mạnh. Để đáp ứng yêu cầu điều khiển có thể sử dụng bộ
điều khiển thích nghi. Vì vậy tôi chọn hướng nghiên cứu là :
“Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ứng dụng cho hệ truyền
động quấn băng vật liệu”
3. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn bao gồm những phần sau :
Chương 1 : Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết điều khiển thích nghi .
Nội dung của phần này là tìm hiểu những vấn đề chung về ĐKTN

Chương 2 : Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.
Nội dung của phần này là đi sâu vào phương pháp Điều khiển thích nghi
theo mô hình mẫu, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều khiển cho bài toán ứng dụng ở
Chương 3
Chương 3 : Tổng hợp hệ MRAC cho hệ truyền động quấn băng vật liệu
Từ các nghiên cứu lý thuyết tiến hành tổng hợp bộ điều khiển cho đối
tượng cụ thể là hệ truyền động quấn băng vật liệu dùng động cơ một chiều.
Chương 4. Kiểm nghiệm, đánh giá chất lượng
Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng bộ điều khiển bằng mô phỏng nhờ
phần mềm MATLAB - SIMULINK
Từ các kết quả thực nghiệm nhận được ta tiến hành đánh giá nội dung của
phương pháp và rút ra kết luận chung về đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. NGUYỄN VĂN VỴ đã tận tình hướng
dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành nội dung luận văn này. Tôi xin chân thành
cảm ơn Khoa Điện – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo
điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Cuối cùng tôi
xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sau
4
đại học - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạo
điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên ngay 01 thang 01 năm 2013
Người thực hiện
Nguyễn Thị Bích Thủy
5
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.1 - Lịch sử phát triển của hệ diều khiển thích nghi
1.2 Đặc điểm chung của hệ điều khiển thích nghi
1.3 - Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC):

1.3.1. Phương pháp MRAC trực tiếp :
1.3.2. Phương pháp MRAC gián tiếp
1.4. Hệ điều khiển thích nghi áp đặt cực – APPC:
1.5. Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi:
1.6. Hệ thống điều khiển thích nghi có ứng dụng máy tính:
1.7. Kết luận chương 1:
Phương pháp điều khiển thích nghi với các ưu điểm quan trọng của nó được
sử dụng phù hợp trong các hệ thống điều khiển tự động lớn, thông số và cấu trúc
của hệ biến thiên liên tục, yêu cầu chất lượng cao.
Trong thời gian gần đây các phương pháp điều khiển thích nghi phát triển
và hoàn thiện với tốc độ nhanh đặc biệt các hệ thống điều khiển thích nghi theo
mô hình mẫu và các hệ tự chỉnh đã đạt được nhiều kết quả. Từ các luật điều
khiển hiện đại cho ra nhiều bộ điều khiển theo chương trình cho các cho các hệ
thống truyền động điện. Để minh chứng cho điều đó tôi nghiên cứu hệ điều khiển
thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
6
Chương II
HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU.
2.1. Đặc điểm của hệ MRAC.
2.2. Sơ đồ cấu trúc MRAC.
2.3. Phương pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov.
2.4. Tổng hợp luật thích nghi trên cơ sở về lí thuyết ổn định tuyệt đối và
nguyên lí dương của hệ thống động
2.5. Kết luận chương II.
Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu là một phương pháp quan trọng
trong điều khiển thích nghi. Đây là phương pháp được áp dụng nhiều trong thực
tế.
Đây là cách thuận tiện để đưa ra các thông số kĩ thuật cho các vấn đề về
truyền động điện có điều khiển thích nghi. Các tham số thay đổi dựa vào sự phản
hồi cơ bản từ sai số giữa đầu ra của hệ thống và đầu ra của mô hình điều khiển.

Trong chương này tôi đã phân tích, nghiên cứu hệ ĐKTN theo mô hình mẫu, hệ
ĐKTN trực tiếp theo mô hình mẫu, hệ ĐKTN gián tiếp theo mô hình mẫu,
phương pháp tổng hợp MRAC theo hàm Lyapunov, tổng hợp luật thích nghi trên
cơ sở lí thuyết ổn định tuyệt đối. Các bước nghiên cứu cụ thể từ cấu trúc chung
của hệ và nguyên lí làm việc, các phương pháp tổng hợp luật ĐKTN. Từ đó làm
cơ sở tổng hợp MRAC cho hệ truyền động điện một chiều
7
CHƯƠNG III
TỔNG HỢP MRAC CHO HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
3.1 HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUẤN BĂNG VẬT LIỆU
3.1.1 Quá trình hoạt động của hệ tháo – quấn dây
3.1.2 Kết cấu cơ khí của bộ phận quấn dây
3.1.3 Yêu cầu công nghệ của cơ cấu quấn dây
3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển
3.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN.
3.3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
3.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
3.4. Tổng hợp sơ đồ cấu trúc của hệ.
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển thích nghi điều khiển cơ cấu quấn
dây được trình bày trên hình 3.12
8
I
Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc của hệ
thống ĐKTN cho cơ cấu quấn dây
+
_
A
m

_
+
v
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
D
D
U
m
ϖ
2
ϖ
2
U
p
1
U
p

2
ω
2
ω
1
ε
Mz
-
K
r
1
Jv
ar
Q

1

K
r

1

p
Kp
= 1

1

p

1

p
1
4Ts(2T
s.p+1)

1

K
r
Ku
=1
Ki.Js
tr
4Ts.K
r.Cu
1/
Ki
4Ts
+1
C
u
d
1
d
2

1

p
l
2
l
2
m
2
m
1
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG III
Hệ truyền động quấn băng vật liệu là hệ có tính phi tuyến mạnh và trong quá
trình làm việc cũng chịu tác động của nhiễu. Do đặc điểm công nghệ tốc độ động
cơ phải thay đổi theo quy luật nhất định. Vì vậy điều khiển hệ quấn dây vật liệu
các hệ điều khiển truyền thống nói chung không đáp ứng được. Để giải quyết
được yêu cầu công nghệ cần sử dụng các hệ truyền động hiện đại. Điều khiển
thích nghi là hệ thay đổi được tham số và cấu trúc phù hợp với sự biến thiên tham
số của đối tượng, vì vậy có thể ứng dụng vào điều khiển hệ này.
Đối tượng điều khiển ở đây có cấu trúc và tham số biết trước vì vậy ứng
dụng hệ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu vào diều kiển cơ cấu này là hợp
lý, đáp ứng được yêu cầu công nghệ.
9
CHƯƠNG IV
KIỂM NGHIỆM CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
4.1 MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG KIỂM NGHIỆM
4.2 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN
4.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG MATLAB-SIMULINK
Với các thông số của bộ điều khiển đã tìm đựơc và sơ đồ cấu trúc của bộ
điều khiển bằng phần mềm MALTLAB 6.5, sơ đồ mô phỏng MATLAB
-SIMULINK của hệ điều khiển trên hình H4.1.
H4.1: Sơ đồ mô phỏng SIMULINK của hệ thống.

10
Mô hình động cơ khi có thích
nghi
Mô hình động cơ không thích
nghi
Bộ điều khiển thích
nghi
Mô hình mẫu
U
d
M
c
Pulse
Generato
r
Scope
2
Scope
4
Scope
1
Scope
3
Omega mau
Omega
1
Omega
1
Omega mau
Omega

1
U
p2
U
p2
Omega
1
Ed
Omega
p
U
c
M
cd
U
2
Ed
Omega
p
U
c
M
d
U
2
1
2
2
Signal
U

p
5
1
2
1
.Signal
mau.Omega
Omega
Up
Signal
d
E
m
E
Omega
mau Omega
d
U
p
U
2
m
E
mau Omega
d
U
4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.
Trên cơ sở đó tiến hành khảo sát các đặc tính của hệ khi các các thông số
của hệ thay đổi (Momen quán tính J biến thiên và momen cản Mc thay đổi).
Các kết quả mô phỏng trên hình H4.6 ÷ H4.14

Hình 4.6: Đặc tính ra của hệ khi đường kính cuộn dây và M
c
thay đổi
Khi tín hiệu đặt thay đổi theo yêu cầu công nghệ và mô men cản Mc là biến
thiên nhưng đặc tính ra của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
Hình 4.7: Đặc tính ra của hệ khi lượng đặt và phụ tải thay đổi
Khi tín hiệu đặt thay đổi và mô men cản Mc là biến thiên nhưng đặc tính ra
của hệ Yp vẫn bám theo đặc tính mong muốn Ym
H 4.8: Đặc tính ra của hệ khi J và M
c
thay đổi.
Như vậy đặc tính ra ít bị ảnh hưởng khi momen quán tính thay đổi và nhiễu
tác dụng, nghĩa là hệ thích nghi với thay đổi tham số.
11
H4.9: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi dạng xung tam giác.
Trong trường hợp này nhiễu thay đổi dạng xung tam giác nhảy cấp, chúng ta
nhận thấy khi M
c
thay đổi nhảy cấp thì đặc tính Y
c
khi chưa có thích nghi thay
đổi theo, nhưng đặc tính ra của hệ Y
p
vẫn bám theo đặc tính mong muốn Y
m
.
H4.10: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi nhảy cấp.
Khi nhiễu M
c
thay đổi nhảy cấp, đặc tính ra của hệ ĐKTN Y

p
vẫn bám theo
đặc tính Y
p
và rất ít chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động.
H4.11: Đặc tính ra của hệ khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên
Khi nhiễu M
c
thay đổi nhảy cấp, đặc tính ra của hệ ĐKTN Y
p
vẫn bám theo
đặc tính Y
p
và rất ít chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động.
12
H4.12: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên.
Khi nhiễu thay đổi ngẫu nhiên, chúng ta nhận thấy tại thời điểm mà M
c
thay đổi
thì đáp ứng tốc độ của đặc tính khi không có thích nghi Y
c
thay đổi theo. Nhưng
đặc tính ra của hệ Y
p
vẫn bám theo đặc tính mong muốn Y
m
.
H4.13: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi là dạng hình sin có chu kì.
Khi nhiễu thay đổi là dạng sin ngẫu nhiên, chúng ta nhận thấy tại thời điểm mà
M

c
thay đổi từ Min → Max thì đáp ứng tốc độ của đặc tính khi không có thích
nghi Y
c
thay đổi từ Max → Min. Nhưng đặc tính ra của hệ Y
p
vẫn bám theo đặc
tính mong muốn Y
m
.
H4.14: Đặc tính ra của hệ khi thay đổi ngẫu nhiên .
13
Khi nhiễu M
c
thay đổi ngẫu nhiên, đặc tính ra của hệ ĐKTN Y
p
vẫn bám theo
đặc tính Y
m
và rất ít chịu ảnh hưởng của nhiễu tác động
4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.
Bằng cách sử dụng luật thích nghi thay cho luật điều khiển thông thường ta
đã tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi áp dụng cho hệ truyền động điện một
chiều quấn băng vật liệu là hệ đang được sử dụng trong thực tế đòi hỏi chỉ tiêu
điều chỉnh tốc độ cao.
Qua kết quả kiểm tra bằng mô phỏng hệ thống ta đưa ra được kết luận sau :
hệ truyền động là hệ phi tuyến và trong thực tế hệ làm việc luôn bị nhiễu tác
động từ môi trường nhưng với bộ điều khiển thích nghi thì chất lượng ra của hệ
luôn bám theo đặc tính mong muốn :
+ Chất lượng động của hệ tốt hơn hệ truyền động thông thường: thời gian

quá độ nhỏ, lượng quá điều chỉnh nhỏ, ít dao động .
+ Khi lượng đặt không đổi thì sai lệch giữa các đặc tính của hệ là nhỏ.
Chất lượng động và chất lượng tĩnh không phụ thuộc vào mô men cản nghĩa
là hệ bền vững đối với nhiễu.
Với kết quả kiểm nghiệm trên cho phép ta xây dựng được hệ truyền động
thoả mãn các yêu cầu đặt trước cho các đối tượng đòi hỏi chất lượng điều chỉnh
cao.
KẾT LUẬN CHUNG.
Trong quá trình nghiên cứu, tôi thu được một số kết quả sau:
Sau một thời gian tìm tòi học hỏi, tôi đã hoàn thành được bản luận văn theo
đề cương đã được phê duyệt.
Đã nghiên cứu cấu trúc và các dạng cơ bản của hệ thống ĐKTN.
14
Đã tổng hợp được hệ ĐKTN theo mô hình mẫu trực tiếp cho động cơ điện
một chiều.
Đã tổng hợp được hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
Qua kết quả khảo sát với đối tượng cụ thể, có thể kết luận:
- Hệ ĐKTN đã cải thiện và nâng cao tính ổn định của hệ thống được điều
khiển đúng như đã nêu trong phần lí thuyết.
- Hệ ĐKTN có khả năng chống biến thiên tham số, đáp ứng yêu cầu của các
quá trình công nghệ trong thực tế
15
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT.
1. Vũ Gia Hạnh, Phan Tử Thụ (1992): Máy điện - NXB Khoa học và kĩ thuật
Hà Nội.
2. Nguyễn Công Hiền (2005): Mô hình hoá và mô phỏng - Giáo trình dành
cho cao học.
3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2002): Truyền
động điện - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.

4. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi
(2002): Điều chỉnh tự động truyền động điện - NXB Khoa học và kĩ thuật
Hà Nội.
5. Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004 - bản dịch): Cơ sở điều khiển tự động
truyền động điện - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.
6. Nguyễn Thương Ngô (1999): Lí thuyết điều khiển tự động hiện đại - NXB
Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.
7. Nguyễn Thương Ngô (2001): Lí thuyết điều khiển tự động - NXB Khoa
học và kĩ thuật Hà Nội.
8. Nguyễn Phước Doãn, Phan Xuân Minh (2000): Hệ phi tuyến - NXB Khoa
học và kĩ thuật Hà Nội.
9. Nguyễn Phước Doãn (2005): Lí thuyết điều khiển nâng cao - NXB Khoa
học và kĩ thuật Hà Nội.
10.Nguyễn Phùng Quang (2004): MATLAB
&
Simulink dành cho kĩ sư điều
khiển tự động - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội.
TIẾNG ANH.
11.Astrom, K.J and Wittenmark (1990): Computer Contrlled Systems: Theory
anh design - Prentice-Hall ISBN 0-13-172784-2.
12.Astrom, K.J and Wittenmark (1995): Adaptive Control - Addison Wesley
Publising Companny.
13.Charles L.Phillips and Royce D.Hardor (1996): Feedback Control Systems
- Prưntice-Hall International, Inc.
14.Kurz, H.Insermann, R.Sechumann (1997): Experimental Comparition of
various parameter adaptive algoritms - Automatica 13.
16