tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP điều KHIỂN HIỆN đại NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ điều KHIỂN vị TRÍ

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

Chun ngành : Tự Động Hóa
Mã số
: 605260

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2011

1


Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

Cán bộ HDKH

: TS. Võ Quang Vinh

Phản biện 1

:

Phản biện 2

:

Luận văn đã được 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 ... giờ ... phút ngày ... tháng ... năm 2010.
Có thể tìm hiển 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


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới,
cơng nghiệp hố hiện đại hố 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 hố. 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 hố
điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết. Việc
điều khiển chính xác dịng 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. Việc thiết kế bộ điều khiển theo
phương pháp kinh điển phụ thuộc vào mơ hình tốn học của

hệ, việc mơ tả hệ thống càng chính xác thì kết quả điều khiển
càng có chất lượng cao. Tuy nhiên việc xây dựng mơ hình
tố học của hệ thống rất khó khi khơng 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 . Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển
là hoàn toàn dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thơng tin mà

3


trong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có
được, điều khiển mờ có thể xử lý những thơng 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 mơ tả được bằng ngơn 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 cơng các bài
tốn phức tạp.
Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp em đã đi vào
nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ và ứng dụng điều khiển
mờ trượt điều khiển tốc độ động cơ. Tùy theo từng đối tượng
mà áp dụng các luật điều khiển khác nhau, tuy nhiên các bộ
điều khiển này đều có ưu điểm của bộ điều khiển mờ căn
bản, nhưng chúng được tập hợp đơn giản, dễ hiểu, làm việc
ổn định, có đặc tính động học tốt ngay cả khi thông tin của
đối tượng không đầy đủ hoặc khơng chính xác. Một số cịn
khơng chịu ảnh hưởng của nhiễu cũng như sự thay đổi theo

thời gian của đối tượng điều khiển.
Kết cấu của luận văn gồm:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động

4


Chương 2: Xây dựng thuật toán tổng hợp mờ trượt
cho hệ chuyển động đối với đối tượng phi tuyến
Chương 3: Ưng dụng điều khiển mờ trượt để nâng
cao chất lượng điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một
chiều
Kết luận
Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đến nay bản
luận văn của em đã hoàn thành với kết quả tốt. Thành công
này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các thày cơ giáo
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Đặc biệt
là Thầy TS Võ Quang Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn
em, đã hết lòng ủng hộ và cung cấp cho em những kiến thức
hết sức quý báu. Em xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc.
Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có
hạn nên luận văn này khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em
rất mong nhận được các ý kiến chỉ bảo của các thày cô giáo
và của bạn bè đồng nghiệp để bản luận văn của em được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 8 năm 2011
Học viên
Vũ Hưng

5


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 của 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 bộ 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 do các lượng nhiễu loạn khác
1.3.5.3. Chọn thuật điều khiển
1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
CHUYỂN ĐỘNG.

6

1.4.1.Phương pháp điều khiển mờ
1.4.1.1 Sơ đồ khối của bộ 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 rằng bộ điều
khiển mờ có tính phi tuyến mạnh, khả năng chống nhiễu
cao, nó rất phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thời
gian, nó có tham số dải và thời gian trễ lớn. Việc thành
công khi thiết kế bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào
kinh nghiệm vận hành hệ thống và kiến thức chuyên gia mà
chưa có phương pháp chuẩn hoá để thiết kế bộ điều khiển
mờ .
Nội dung về điều khiển trượt và mờ sẽ làm cơ sở để
tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt ở phần tiếp theo ở luận
văn.
CHƯƠNG II

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỔNG HỢP MỜ TRƯỢT
CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỐI TƯỢNG PHI
TUYẾN.

7

Đặt vấn đề:
Trong chương I ta đã đề cập đến bộ điều khiển mờ và
trượt, ta thấy mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng,
nếu kết hợp chúng lại ta sẽ nâng cao được chất lượng điều
khiển. Vì vậy trong chương này ta đi xây dựng thuật toán
tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển đối với đối
tượng phi tuyến bậc 2
2.1. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ .

2.1.1. Phương pháp điều khiển trượt.
2.1.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững
2.1.3. Thiết kế bộ 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 bộ điều khiển mờ trượt.
Bước 1: Chọn mặt trượt S
Chọn hàm thuộc với các tập mờ ( nên chọn trong khoảng từ 3
đến 10 tập mờ)
Bước 2: Thiết kế luật điều khiển cho hệ thống rơi vào mặt
trượt S = 0 và duy trì ở chế độ này mãi mãi
Chọn hàm trượt S(e)= λe’+λ1e.
Trong đó λ được chọn sao cho nghiệm của đa thức đặc trưng
λp+λ1 = 0 đều nằm bên trái mặt phẳng phức.

8


Mặt trượt S cho bởi phương trình S(e) = 0, luật điều
khiển u được chọn sao cho Ssign(S) < 0.

Do trong luật điều khiển có hàm sign nên gây ra hiện tượng
dao động, để khắc phục nhược điểm này ta thêm khâu xử lý
mờ trong bộ điều khiển để thay thế cho hàm si
Bước 3: Xây dựngbộ mờ
Các bước xây dựng bộ mờ:
1. Mờ hoá mặt trượt S
2. Xây dựng hệ quy tắc mờ:
3. Giải mờ: Bằng phương pháp giải mờ trọng tâm.
Bước 4: Thiết kế mô phỏng bằng 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 cơ một chiều là hệ thống
tự động điều chỉnh điện áp với ba mạch vòng phản hồi đó là
phản hồi dịng điện, phản hồi tốc độ, phản hồi vị trí. Kết quả
của vấn đề thiết kế hệ thống là độ ổn định và đảm bảo các chỉ
tiêu về chất lượng động như: độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời
gian điều chỉnh, số lần dao động.
3.1.

Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống

điều khiển

9


3.1.1. Hàm truyền của động cơ điện

3.1.2. Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor
3.1.3. Hàm truyền của máy phát tốc
3.1.3. Hàm truyền của máy phát tốc
3.1.4. Hàm truyền của thiết bị đo điện
3.1.5. Tổng hợp hệ điều khiển RI, Rω , Rϕ
3.1.5.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI
3.1.5.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Rω
3.1.5.3. Tổng hợp mạch vịng vị trí
3.1.5.3.1. Sơ đồ cấu trúc của trúc hệ thống điều chỉnh vị
trí
3.1.5.3.2. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí
3.2.

Mơ phỏng hệ thống truyền động với các bộ điều

khiển PID
3.2.1.Tính tốn các thơng số hệ điều chỉnh vị trí đối với
động cơ một chiều kích từ độc lập
* Các thông số cho trước:
Pđm

: Công suất định mức của động cơ
3,2kW

Uđm

: Điện áp định mức của động cơ
110 V

10

nđm

: Tốc độ quay định mức của động cơ
3000 v/p

Iđm

: Dòng điện định mức của động cơ
35A

Lư

: Điện cảm phần ứng
0.0059Ω

Rư

: Điện trở phần ứng
0,162Ω

Ti

: Hằng số thời gian của máy biến dòng
0,002 s

TCL

: Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu

0,0025s

Tđk
chỉnh lưu
Tω

: Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ
0,001s
: Hằng số thời gian của máy phát tốc
0,001s

Tϕ

: Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí
0,3s

L

: Chiều dài quãng đường cần di chuyển
100 cm

R

: Bán kính trục truyền tải cuối cùng
0,32 cm

11


* Tính tốn các thơng số hệ điều chỉnh vị trí:

Tốc độ góc định mức:
ω dm =

2. π . n dm 2. π .3000
=
= 314 rad/s
60
60

Mômen định mức:
Mđm = KΦđm.Iđm = 0,332.35 = 11.62 Nm
Trong
KΦ dm =

đó

U dm − I dm .R u 110 − 35.0.162
=
= 0,332
ω dm
314

Hằng số thời gian phần ứng:
L
0,0059
Tu = u =
= 0,0364
Ru
0,162
Hàm truyền động cơ:

WD (p) =

1/R u
6,1728
=
1 + Tu .p 1 + 0,0309.p

Hàm truyền của bộ biến đổi:
WBBD =
Trong đó: K cl =

K cl
11
=
1 + Tcl .p 1 + 0,0025.p
U dm 110
=
= 11
U dk 10

12


Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện theo tiêu
chuẩn tối ưu modul:
R i (p) =


R u Tu

1
1 +
 pT
2.K cl .K i .Tsi 
u






Trong đó:
Tsi = Ti + Tv + Tdk = 2ms + 2,5ms + 1ms = 5,5.10 −3 s
Ki: Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện
Ki =

U dk 10
=
= 0,286
I dm 35

⇒ R i (p) =


0,162.0,0364 
1
1 +

−3 
2.11.0,286.5,5.10  0,0364.p 




R i (p) = 0,1704.1 +




1

0,0364.p 


Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn
tối ưu modul:
R ω (p) =

K i .KΦ.Tc
R u .K ω .2.Tsω
Ta có: Uωđ = ω.Kω

Chọn: Uωđ = 5 V
Hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ:
Kω =

5
= 0,0159
314

13

Ta có: Tω = 1 ms
Tsω = Tω + 2.Tsi = 1 + 2.5,5 = 12ms
J=

GD 2 0,085
=
= 0,021
4
4

Tc =

J.R u 0,021.0,162
=
= 0,0336s
kφ 2
0,318 2

R ω (p) =

K .KΦ.T
i

c

R u .K ω .2.Tsω

=

0,286.0,332.0,0336
= 51.60
0,162.0,0159.2.0,012

Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí R ϕ theo tiêu
chuẩn tối ưu modul:
R ϕ (p) =

Kω
(1 + 2.Tsω p)
K r .K T .2.TT

l = 100c m
r = 0,32c m
l = T.r = 2 π.r.n
l
100
=
= 50
Ta có: ⇒ n =
2 π . r 2 π .0,32
l
⇒ T = = 2 π . n = 100 π(rad)
r
T.K ϕ = U Td
Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí:

14

⇒ Kϕ =

10
= 0,0318
100.π

Kr: Hệ số khuyếch đại của bộ truyền lực
1

T = ∫ K r . ω . dt = K r . ω.t
0

⇒ Kr =
R ϕ (p) =

T 100.π
=
=1
ω 314

Kω
0,0159
(1 + 2.Tsω p) =
(1 + 0,024.
K r .K ϕ .2.Tϕ
1.0,0318.2.0,3

Rϕ(p) = 0,8333.(1+0,024p)

3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển
PID
Thay các thơng số đã tính được vào cấu trúc điều khiển
và dung simulink ta có sơ đồ mơ phỏng hệ điều chỉnh vị
trí như hình 3.16

15


Hình3.16:Sơ đồ cấu trúc mơ tả hệ điều khiển vị trí
bằng bộ điều khiển PID
Chạy chương trình mơ phỏng với giá tri đặt của vị trí khác
nhau ta có kết quả như các đồ thị được vẽ dưới đây:

Hình3.17: Mơ phỏng PID 10s

16


Hình 3.18: Mơ phỏng PID 15s

17


3.3.Xây dựng bộ điều khiển trượt mờ cho mạch vòng 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 = 0 và duy trì ở chế độ này mãi mãi
Trong đó λ được chọn sao cho nghiệm của đa thức đặc

trưng λp+λ1 = 0 đều nằm bên trái mặt phẳng phức.
Mặt trượt S cho bởi phương trình S(e) = 0, luật điều
khiển u được chọn sao cho Ssign(S) < 0.
Do trong luật điều khiển có hàm sign nên gây ra hiện tượng
dao động, để khắc phục nhược điểm này ta thêm khâu xử lý
mờ trong bộ điều khiển để thay thế cho hàm sign
Bước 3: Xây dựngbộ mờ
Các bước xây dựng bộ mờ:
1. Mờ hoá mặt trượt S: chọn

18


Hình 3.19: Hàm thuộc với 5 tập mờ

19


2. Xây dựng hệ quy tắc mờ:

Hình 3.20: Luật hợp thành

Hình 3.21: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
20


Giải mờ: Bằng phương pháp giải mờ trọng tâm

Bước 4: Thiết kế mô phỏng bằng Matlab
3.4. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển trượt

mờ

21


Hình 3.23: Mơ phỏng trượt mờ 10s

22


Hình 3.23: Mơ phỏng trượt mờ 15s

23


KẾT LUẬN
Đề tài sử dụng phương pháp điều khiển hiện đại
nâng cao chất lượng hệ điều khiển vị trí, cụ thể là áp dụng
phương pháp điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí sử
dụng động cơ điện một chiều xuất phát từ thực tiễn của
ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Đề tài nghiên cứu
đã kết hợp điều khiển mờ và điều khiển trượt để đưa ra một
bộ điều khiển vị trí mới phát huy được những ưu điểm của
bộ điều khiển trượt và kết hợp với bộ điều khiển mờ để khắc
phục nhược điểm của bộ điều khiển trượt là hiện tượng trượt
(sliding) hay còn gọi là rung (chattering).
Điều khiển trượt mờ giúp cho thời gian quá độ của
hệ thống nhanh lên từ 30% - 60% đạt độ chính xác cao, ngay
cả với giá trị đặt rất nhỏ.Khi vị trí đặt lớn hơn định mức
ngồi việc giảm thời gian quá độ, bộ điều khiển trượt mờ cịn

giảm độ qúa điều chỉnh đặc biệt trong q trình hãm. Các kết
quả nghiên cứu được tóm tắt như sau:
-

Tổng quan về hệ thống điều khiển chuyển động.

-

Các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng điều
khiển của hệ điều khiển chuyển động.

24


-

Một số phương pháp nâng cao chất lượng chuyển
động.

-

Thiết kế bộ điều khiển trượt bền vững.

-

Xây dựng thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ
trượt.

-

Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID.

-

Mơ phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển
trượt mờ.

-

Kiểm nghiệm bằng

mơ phỏng trên phần mềm

Matlab cho thấy những kết quả chính xác, góp phần
đáng kể nâng cao chất lượng hệ điều khiển vi trí.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật Robot, Nhà xuất bản Khoa học
và Kỹ thuật, Hà Nội - 2003.
2. Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 1998.
3. Cao Tiến Huỳnh, Điều khiển trượt trên các mặt trượt
mờ, Tuyển tập các báo cáo Khoa học Hội nghị Toàn
quốc lần thứ ba về Tự động hóa, Hà Nội - 2000.

25