Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật toán PID kết hợp LFFC

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
........................................

NGUYỄN VĂN ĐẠT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG MÁY IN SỬ DỤNG THUẬT
TỐN PID KẾT HỢP LFFC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

THÁI NGUN – 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
........................................

NGUYỄN VĂN ĐẠT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG MÁY IN SỬ DỤNG THUẬT
TỐN PID KẾT HỢP LFFC

Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60. 52. 02. 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Cương

THÁI NGUN – 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Nguyễn Văn Đạt
Sinh ngày 17 tháng 8 năm 1987
Học viên lớp cao học khố 14 CHKTĐT - Trường đại học kỹ thuật Cơng nghiệp
Thái Ngun.
Hiện đang cơng tác tại : Trường Cao đẳng nghề cơ điện

h Thọ

Xin cam đoan luận văn “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển
động máy in sử dụng thuật tốn PID kết hợp LFFC” do thầy giáo TS. Nguyễn
Duy Cương hướng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả các tài liệu
tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tơi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đ ng như nội dung
trong đề cương và u cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Ngun, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đạt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình
gi p đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “Thiết kế, chế
tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật tốn PID kết hợp
LFFC” đã được hồn thành.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, gi p đỡ tơi
hồn thành luận văn.
Các thầy cơ giáo Trường Đại học kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun và một số

đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, gi p đỡ tơi trong suốt q trình học tập để
hồn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế
của bản thân còn ít, cho nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tơi mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cơ giáo và các bạn bè đồng
nghiệp.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Thái Ngun, ngày….tháng….năm 2014
Học viên

Nguyễn Văn Đạt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... vi
LỜI NĨI ĐẦU.........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .....................................................................................3
1.1. Cấu tạo, cấu tr c máy in (cơng nghệ in)...........................................................3
1.2. Mơ hình tốn máy in theo 1 phương ................................................................3

1.3. Các yếu tố gây ra chuyển động thiếu chính xác cho hệ thống máy in .............5
1.3.1. Các nhiễu lặp cho đối tượng ......................................................................5
1.3.2. Bất định mơ hình ......................................................................................7
1.4. Khó khăn cần đối mặt khi thiết kế hệ thống điều khiển ...................................7
1.5.
Tổng
quan
nghiên
.....................................................9

cứu

trong

và

ngồi

nước

1.6. Động lực cho việc sử dụng điều khiển ID truyền thống kết hợp Learning
Feed-Forward ........................................................................................................11
1.7. Thiết kế hệ thống điều khiển và nhiệm vụ của tác giả ...................................12
1.8. Mong muốn đạt được .....................................................................................14
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LEARNING FEED-FORWARD CONTROL
(LFFC) VÀ MODEL REFERENCE ADAPTIVE SYSTEMS (MRAS)..............16
2.1. Tổng quan về LFFC........................................................................................16
2.1.1. Giới thiệu .................................................................................................16
2.1.2. Điều khiển học (Learning Control - LC) .................................................16
2.1.3. Bộ điều khiển học sử dụng sai lệch phản hồi (Feedback Error Learning FEL) ...................................................................................................................20

2.1.4. Learning Feed forward Control (LFFC) ..................................................22
2.2. Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu .......................................................22
2.2.1. Khái qt chung .......................................................................................23
2.2.2. Cơ chế thích nghi .....................................................................................27
2.2.3. hương pháp ổn định của Liapunov ........................................................29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

4

2.3.
Bộ
điều
khiển
LFFC
..........................................................32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

trên

cơ

/>

sở

MRAS


5

2.3.1. Khái niệm chung ......................................................................................33
2.3.2. MRAS dựa trên điều khiển Feed - Forward ............................................35
2.3.3. Luật điều khiển thích nghi. ......................................................................37
2.4. Kết luận chương 2 ..........................................................................................42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MƠ HỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LFFC TRÊN CƠ
SỞ MRAS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY IN................................................................43
3.1 Cấu tr c hệ thống với bộ điều khiển LFFC dựa trên MRAS ..........................43
3.2 Tính tốn thơng số ...........................................................................................45
3.3. Mơ phỏng hệ thống.........................................................................................46
3.4. Kết luận Chương 3 .........................................................................................50
CHƯƠNG 4: TH C NGHIỆM ............................................................................51
4.1. Giới thiệu hệ thống máy in .............................................................................51
4.2.Cấu tr c điều khiển hệ thống ...........................................................................52
4.3. Kết luận Chương 4 .........................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ Viết Tắt

Tên tiếng anh

Tên tiếng việt

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

AD

Analog digital

Bộ biến đổi tương tự -số

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

FEL

Learning Feedback Error

ILC

Interative learning control

LC

Learning Control

Điều khiển học sai lệch phản
hồi
Điều khiển học theo q
trình lặp
Bộ điều khiển học

LFFC

Learning Feed Forward Control

MRAS

Model Reference Adaptive System

STR
PWM
PID

Hệ thống thích nghi theo mơ
hình mẫu

Self Tuning Regulator

Bộ điều khiển tự chỉnh

Pulse – width modulation

Điều chế độ rộng xung

Proportional - Integral - Derivative

Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH1. 1: Cấu tr c thực nghiệm máy in ....................................................................3
HÌNH1. 2: Mơ hình tốn bậc hai.................................................................................4
HÌNH 1. 3: Hệ thống chuyển động điện cơ ................................................................5
HÌNH 1. 4: Mơ hình đối tượng và các nhiễu lặp.........................................................6
HÌNH 2. 1: Cực tiểu cục bộ trong kỹ thuật học ......................................................18
HÌNH 2. 2: Bộ điều khiển phản hồi sai lệch .............................................................20
HÌNH 2. 3: Đối tượng và nhiễu lặp...........................................................................21
HÌNH 2. 4. Hệ thích nghi tham số ...........................................................................25
HÌNH 2. 5. Hệ thích nghi tín hiệu ............................................................................26

HÌNH 2. 6. Điều khiển sơ cấp và cấp hai.................................................................27
HÌNH 2. 7. Mơ hình mẫu và đối tượng ....................................................................28
HÌNH 2. 8: MRAS cho sự thích nghi của các tham số bộ điều khiển ......................34
HÌNH 2. 9: MRAS với mơ hình có thể hiệu chỉnh cho nhận dạng tham số .............34
HÌNH 2. 10. Cấu tr c MRAS với khâu khởi tạo tín hiệu đặt ..................................35
HÌNH2. 11. Nhận dạng mơ hình ngược của đối tượng .............................................36
HÌNH2. 12. Bộ điều khiển LFFC ..............................................................................37
HÌNH3. 1: Cấu tr c hệ thống với bộ điều khiển LFFC dựa trên MRAS ..................44
HÌNH3. 2: Cấu tr c chi tiết hệ thống ........................................................................45
HÌNH 3. 3: Cấu tr c mơ phỏng hệ thống ..................................................................46
HÌNH3. 4: Cấu tr c hệ thống trong simulink............................................................47
HÌNH 3. 5: Cấu tr c LFFC và bộ lọc SVF ...............................................................48
HÌNH 3. 6: Kết quả mơ phỏng và các giá trị thích nghi am, bm, cm .......................49
HÌNH4. 1: Hệ thống thực nghiệm .............................................................................51
HÌNH4. 2: Cấu tr c điều khiển hệ thống ..................................................................52
HÌNH 4. 3: Cấu hình cổng kết nối ............................................................................52
HÌNH4. 4: Cấu hình thời gian thực ...........................................................................53
HÌNH4. 5: Cấu hình đọc encoder..............................................................................53
HÌNH4. 6: Cấu tr c bộ lọc ........................................................................................54
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

vii

HÌNH 4. 7: Cấu hình xuất tín hiệu WM .................................................................54
HÌNH 4. 8: Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ ..............................................55
HÌNH 4. 9: Cấu hình đầu ra số..................................................................................55

HÌNH 4. 10: Cấu tr c điều khiển mơ hình thực ........................................................56
HÌNH 4. 11: Kết quả thực nghiệm ............................................................................56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

1

LỜI NĨI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, điều khiển chuyển động chính xác, tốc độ cao đã và đang được
ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống như điều khiển
máy in, điều khiển hành trình, điều khiển cánh tay robot v.v... Đã có rất nhiều
phương pháp khác nhau nh m thực hiện nhiệm vụ này như dùng bộ điều khiển
ID truyền thống, STR (Self Tuning Regulator) v.v... Tuy nhiên, đối với hệ thống
máy in, khi u cầu điều khiển là hình in ra phải giống như hình mẫu, tốc độ in
cao (năng suất cao) thì lại đối mặt với rất nhiều khó khăn như: thơng số của đối
tượng điều khiển thay đổi, tác động xấu của nhiễu đo, tác động của nhiễu hệ
thống. Do vậy khi các máy in làm việc với u cầu độ ổn định và độ chính xác cao
thì các bộ điều khiển trên thể hiện các hạn chế.
Hệ thống điều khiển thích nghi là hệ thống mà cấu tr c và tham số của bộ
điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thơng số của hệ sao cho chất lượng
đảm bảo các chỉ tiêu đã định. Đặc biệt hệ điều khiển Learning Feed Forward
Control (LFFC) trên cơ sở thích nghi theo mơ hình mẫu (Model Reference Adaptive
System: MRAS), đã được nghiên cứu và thiết kế ứng dụng trong thực tế. Bộ điều
khiển này có ưu điểm là có khả năng kháng nhiễu hệ thống (System Noise) có hiệu
quả, nhờ đó độ chính xác và độ ổn định của hệ có thể đồng thời đạt được.

Việc ứng dụng Learning Feed Forward trên cơ sở MRAS để điều khiển
chính xác vị trí máy in s nâng cao chất lượng của hệ thống. Vì vậy tác giả lựa chọn
đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in sử dụng thuật
tốn PID kết hợp LFFC”
Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng thuật tốn

ID kết hợp LFFC để

điều khiển chuyển động của máy in.
hương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mơ hình tốn của hệ máy in, thiết kế bộ
điều khiển.
- Kiểm chứng kết quả thiết kế thơng qua mơ phỏng b ng phần mềm Matlab
Simulink và thực nghiệm trên mơ hình thực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

2. Bố cục luận văn
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan về Learning Feed-Forward Control (LFFC) và Model
Reference Adaptive Systems (MARS)
Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển LFFC trên cơ sở MRAS để
điều khiển máy in
Chương 4: Thực nghiệm

Thái Nguyên, ngày ...... tháng .......năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đạt


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Cấu tạo, cấu trúc máy in (công nghệ in)
Máy in công nghiệp được sử dụng rộng rãi hiện nay. Cấu tạo của máy in
được mô tả một cách đơn giản bao gồm đầu in gắn trên ụ chuyển qua lại theo
phương X, toàn bộ phần thiết bị chuyển động theo phương X được gắn trên phần
chuyển động qua lại theo phương Y. B ng cách điều khiển các chuyển động theo
các phương X và Y bám theo các quỹ xác định, đầu in s v ra một hình theo mong
muốn trên mặt phẳng.
1.2. Mô hình toán máy in theo 1 phương
Cấu trúc thực nghiệm của máy in có dạng như (Hình 1.1).
Công tắc
hành trình

Bộ nguồn

Cầu H

Con trượt

Động cơ và
bánh răng

Adrunio board

HÌNH1. 1: Cấu tr c thực nghiệm máy in

Để xác định được mô hình toán học của hệ thống, trong tính toán, khi bỏ qua
những thành phần phi tuyến của lực ma sát trên phần tử giảm chấn, nếu coi dây
curoa nối giữa động cơ và ụ trượt là cứng và bỏ qua khối lượng rôto, khung là vững
chắc thì đối tượng s được biểu diễn dưới dạng mô hình toán học như (

nh 1.2), và

có dạng là một khâu bậc 2 tuyến tính được biểu diễn b ng hệ phương trình trạng
thái trong biểu thức (1.1).


Dòng điện
động cơ

Km
Hệ số
động cơ

F

m

Động cơ

Tải

Bộ giảm chấn

Sensor
p

HÌNH1. 2: Mô hình toán bậc hai
x  Ax  B


 y  Cx 

u

(1.1)

Du
 d 0   v 
 km 
L 



 m
 m F

xL    1 0   xL
0 



Lv 

y  0
F

(1.2)

v 
1  L    0 
x

(1.3)

L

 d

Với:


0
10
0
Ac 2   m

,B

  1 0  c 2
1 0 

 km 

19

 m  

 0 
0

Cc2  0 1 , Dc2  0

Khi nói đến ma sát phi tuyến của Damper thì:
 d
  dc
 vL   0   vL   
 m
 x m

1 L  0   x L 
0



k 
sign(vL )  m 
 m F
0

(1.4)

(1.5)

(1.6)

- Các kí hiệu viết tắt được giải thích trong Bảng 1.1:
vL

Trạng thái 1: Vận tốc của ụ trượt

d

Thông số viscous của Damper

xL

Trạng thái 2: Vị trí của ụ trượt

m

Khối lượng của ụ trượt

F

Lực tác dụng lên quá trình

km

H ng số động cơ

dc

Thông số Coulomb của Damper
Bảng1.1: Giải thích các biến và các thông số sử dụng trong các công thức

(1.2) và (1.6)


1.3. Các yếu tố gây ra chuyển động thiếu chính xác cho hệ thống máy in
Các nhiễu lặp và bất định đối tượng trong các hệ thống chuyển động điện cơ
(máy in): Một hệ thống chuyển động điện cơ (Hình 1.3) là một đối tượng cơ khí
hoạt động b ng điện mà u cầu điều khiển vị trí của cơ cấu tác động cuối cùng [4].
Bộ tạo quỹ đạo chỉ ra một quỹ đạo mong muốn cho cơ cấu tác động cuối. Các động
cơ điện được sử dụng có thể là AC hoặc DC, quay hoặc tuyến tính. Các thành phần
cơ khí để truyền chuyển động của động cơ điện tới cơ cấu tác động cuối bao gồm:
các trục, các bánh răng, các dây đai, các liên kết, các vòng bi quay, v.v …
Đối tượng điện cơ
Bộ phát tín
hiệu mẫu

Hệ thống
điều khiển

Cơ cấu
tác động

Hàm truyền

Cơ cấu tác
động cuối

HÌNH 1. 3: Hệ thống chuyển động điện cơ
Việc sử dụng phản hồi để tạo ra một hệ thống vòng lặp kín ổn định đòi hỏi
việc sử dụng các cảm biến phù hợp để cung cấp các thơng tin cần thiết về q trình.

Các cảm biến này thường được đặt ở thiết bị truyền động hoặc cơ cấu tác động cuối.
Với cấu tr c này, hạn chế cho thiết kế một hệ thống điều khiển như nhiễu lặp trong
đối tượng, bất định mơ hình, và nhiễu đo lường là khơng thể tránh khỏi. Rất khó để
điều khiển hệ thống này với phản hồi đơn để có được hiệu suất cao và bền vững.
Những thách thức này là một trong những lý do chính để sử dụng bộ điều khiển
nâng cao.
1.3.1. Các nhiễu lặp cho đối tượng
Một điều khiển chuyển động sử dụng động cơ điện có thể được mơ tả bởi một
mơ hình mơ phỏng đơn giản được thể hiện trong (hình 1.4) [6]. Đối tượng ln ln
là đối tượng bị nhiễu. Trong trường hợp động cơ tuyến tính kích thích b ng nam
châm vĩnh cửu. Do đó, các nhiễu này có thể được xem như là một hàm trạng thái

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

của đối tượng và ch ng có thể có một đặc tính tái sinh - điều này có nghĩa là các
nhiễu lặp đi lặp lại xuất hiện theo cách tương tự khi một chuyển động cụ thể được
lặp lại.
Lực ma sát được tác dụng theo hướng chống lại chuyển động, ma sát thường
tiêu tốn năng lượng. Như đã giải thích trong [7], ma sát có thể được mô hình như
một nhiễu phụ thuộc vận tốc, là tự nhiên đối với hầu hết các hệ thống chuyển động.
Ma sát có tính phi tuyến cao và có thể gây ra sai lệch trạng thái ổn định, các chu kỳ
giới hạn và hiệu suất kém…
Mô hình đối
tượng

Coulomb

Friction
+

+

Viscous

Nhiễu lặp
u

+

Inertia

∫

v

∫

x

HÌNH 1. 4: Mô hình đối tượng và các nhiễu lặp
Bình thường, thuật toán tỷ lệ - tích phân - vi phân tiêu chuẩn ( ID) được sử
dụng trong điều khiển chuyển động để giải quyết bài toán ma sát. Khâu tích phân
trong bộ điều khiển để loại bỏ sai lệch. Việc sử dụng phản hồi thường đơn giản và
hiệu quả bởi vì nó không cần thiết phải có các đặc điểm chi tiết của quá trình [5].
Hiệu suất bám cao có thể đạt được khi hệ số khuếch đại cao được sử dụng trong
vòng lặp. Tuy nhiên, tăng các hệ số khuếch đại bộ điều khiển có thể làm cho vòng
lặp không ổn định. Lực ma sát cũng có thể được bù b ng điều khiển Feed - Forward

nhưng nó chỉ thích hợp nếu quỹ đạo vận tốc mong muốn được biết trước. Ý tưởng
là đơn giản. Nhiễu ma sát được đo, và một tín hiệu điều khiển cố gắng để chống lại
nhiễu này được tạo ra và áp dụng cho quá trình này. Trong thực tế, ma sát biến đổi


phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lực, vị trí, nhiệt độ, và v.v... Một biến đổi của một
trong những yếu tố có thể thay đổi các đặc điểm ma sát theo những cách phức tạp.
Bởi vì các đặc điểm ma sát phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố dẫn đến u cầu thích
nghi tự động.
1.3.2. Bất định mơ hình
Trong thực tế, các hệ thống điều khiển chuyển động ln ln hoạt động với
bất định mơ hình. Tính bất định là khơng có thơng tin, có thể khơng được mơ tả và
đo lường. Tính bất định mơ hình có thể bao gồm bất định tham số và các động học
khơng mơ hình. Như đã giải thích trong [8], bất định tham số có thể do tải biến đổi,
các khối lượng và các qn tính ít biết đến, hoặc khơng rõ và các thơng số ma sát
biến đổi chậm theo thời gian, v.v... Bất định cấu tr c do các động học khơng mơ
hình có thể do ma sát bị bỏ qn trong các truyền động, khe hở trong các bánh răng,
do tính mềm cơ khí bị bỏ qua trong các khớp và các liên kết, v.v… Trong lý thuyết
điều khiển, bất định mơ hình được xem xét từ quan điểm của mơ hình hệ thống vật
lý. Các động học khơng mơ hình và bất định tham số có ảnh hưởng tiêu cực đến
hiệu suất bám và thậm chí có thể dẫn đến khơng ổn định. Nếu cấu tr c mơ hình
được giả định là đ ng, nhưng hiểu biết chính xác về các thơng số đối tượng khơng
rõ, thì điều khiển thích nghi được áp dụng. Trong điều khiển thích nghi, một hoặc
nhiều tham số điều khiển hoặc các tham số mơ hình được điều chỉnh trực tuyến
b ng một thuật tốn thích nghi sao cho các động học vòng lặp kín phù hợp với hoạt
động của mơ hình mẫu mong muốn mặc dù các thơng số đối tượng khơng rõ hoặc
biến đổi theo thời gian. Do đó, để đạt bám quỹ đạo tiệm cận, bất định tham số nên
được kể đến, dưới điều kiện là một hiệu suất vòng lặp kín ổn định được đảm bảo
1.4. Khó khăn cần đối mặt khi thiết kế hệ thống điều khiển
Bài tốn đặt ra cho hệ thống điều khiển ở đây đó là hình in ra phải giống

như hình mẫu, tốc độ in cao (năng suất cao) khi phải đối mặt với các khó khăn
như sau:
- Thơng số của đối tượng điều khiển thay đổi chẳng hạn như những thay
đổi tham số do các điều kiện hoạt động và các thay đổi tải trọng khác nhau;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

+ hi tuyến thiết bị truyền động, cảm biến: chẳng hạn như trễ, vùng chết,
độ bão hòa, thay đổi độ dốc đầu vào đầu ra trong dải hoạt động cũng như sự phi
tuyến của lượng tử hóa khi sử dụng các bộ chuyển đổi AD để điều khiển máy tính số:
+ Khe hở và mức độ phù hợp trong bộ truyền động bánh răng.
+ Thời gian trễ.
- Tác động của nhiễu hệ thống. Nhiễu hệ thống chính được hiểu ở đây là
lực ma sát có tính phi tuyến cao. Điều khiển chuyển động chính xác cao s bị ảnh
hưởng bởi sự xuất hiện của ma sát. Ma sát, là một hiện tượng phi tuyến rất phức tạp
tồn tại trong hầu hết các hệ thống cơ khí liên quan đến chuyển động tương đối giữa
các bộ phận. Các đặc tính khác nhau của ma sát có thể xuất hiện trong các dạng
khác nhau của các bề mặt tiếp x c và độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào các tính
chất vật lý của các bề mặt tương tác cũng như tải. Các vấn đề gây ra bởi ma sát cho
kết quả ban đầu là các sai số vị trí, bám khơng tốt và khơng đơn giản được loại bỏ
b ng cách đưa khâu tích phân vào trong bộ điều khiển. Đặc biệt, khi chuyển động ở
tốc độ thấp mà biên độ nhỏ, ma sát phi tuyến kết hợp với khâu tích phân dẫn đến
các chu kỳ giới hạn gọi là sự tiến gián đoạn.
- Các vấn đề liên quan đến tính độ mềm cơ khí cũng là những thách thức để
đạt được khả năng tăng tốc, điều khiển ở tốc độ cao. Trong các mơi trường cơng
nghiệp, các động cơ servo được liên kết tới các cơ cấu tác động cuối b ng các cơ

cấu truyền có độ cứng hữu hạn. Một mơ hình thực tế của các hệ thống như vậy có
thể bao gồm một số các chế độ cộng hưởng, mà trong hàm truyền xuất hiện như là
các điểm khơng hữu hạn và cặp cực liên hợp phức gần trục ảo trong mặt phẳng
phức. Hệ số khuếch đại vòng lặp ổn định đạt được bị giới hạn bởi những cực hay
các cặp điểm cực - điểm khơng, cùng với hiệu suất truyền động tổng. Trong hầu hết
các ứng dụng truyền thống, các tần số cộng hưởng theo thứ tự có giá trị lớn hơn dải
điều khiển u cầu và do đó ch ng thường bị bỏ qua bởi mơ hình hóa q trình này
như một hệ thống gắn kết. Tuy nhiên, các khó khăn phát sinh trong các ứng dụng
đòi hỏi phải có hệ thống điều khiển để có một tiếp cận dải ít nhất là b ng tần số
cộng hưởng thấp nhất.
Nói một cách khác, đối với các quỹ đạo mong muốn cho trước theo từng
phương, khi phải đối mặt với các khó khăn như đã nêu, bộ điều khiển phải đảm bảo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

tồn bộ hệ thống làm việc ổn định, quỹ đạo ra thực ln bám sát quỹ đạo mong
muốn với sai số là nhỏ nhất.
1.5. Tổng quan nghiên cứu trong và ngồi nước
Các vấn đề liên quan đến bất định mơ hình, nhận dạng và bù ma sát trong các
hệ thống cơ khí được điều khiển đã rất hấp dẫn đối với các nhà nghiên cứu trong
nhiều thập kỷ. Rõ ràng là bù ma sát là một phần quan trọng của việc giải quyết các
bài tốn bám và điều chỉnh trong các hệ thống điều khiển chuyển động. Hầu hết các
tiếp cận bù ma sát tiên tiến là dựa mơ hình ngoại trừ một số kỹ thuật đặc biệt như
điều khiển xung (Yang & Tomizuka, 1988; Popovic, et al, 1995). Vì vậy, mơ hình
thường được coi là thành phần thiết yếu của bù ma sát phi tuyến. Nói chung, các mơ
hình tốt được mong đợi s cung cấp hiệu suất tốt về bù ma sát. Các mơ hình ma sát
cả tĩnh và động có thể được tìm thấy trong các tài liệu đã cơng bố.

Các mơ hình ma sát cùng với các phương pháp bù khác nhau được tóm tắt
trong Armstrong-Helouvry, et al. (1994), Olsson (1996) và Olsson, et al. (1998).
Các mơ hình ma sát tĩnh được trang bị b ng một bản đồ giữa lực/ mơ-men quay và
tốc độ, và thường bao gồm các thành phần ma sát nhớt, Coulomb và tĩnhv.v.... Một
số mơ hình cũng liên quan đến những hiệu ứng Stribeck và hiện tượng phi tuyến
khác, như mơ hình bảy thơng số của Armstrong (Armstrong-Helouvry, 1991). Tuy
nhiên, tính năng cơ bản của các mơ hình tĩnh, tức là, sự gián đoạn ở vận tốc b ng
khơng rất khó bù ma sát hiệu quả, bởi vì các mơ hình khơng mơ tả được các động
học ma sát trong vùng này. Do đó, các mơ hình động học cũng được phát triển, bao
gồm mơ hình Dahl (Dahl, 1968), mơ hình LuGre (Canudas de Wit, etal 1995), mơ
hình ma sát tích hợp (Swevers, etal,b2000) và các mơ hình khác (Haessig &
Friedland, 1991; Blimam & Sorine, 1995), để xử lý các hiệu ứng ma sát trong vùng
lân cận của vận tốc khơng. Trong số các mơ hình động đề xuất, mơ hình LuGre là
mơ hình ma sát được trích dẫn nhất nhiều nhất cho bù ma sát động.
Tính ưu việt của mơ hình này so với nhiều mơ hình khác là nó thu thập hầu
hết các hiện tượng ma sát quan sát được, như các tác động Stribeck phức tạp, tính
chất trễ do trễ ma sát, hành vi giống lò xo trong suốt thời gian presliding và thay đổi
lực khởi động tùy thuộc vào tốc độ thay đổi của lực áp dụng. Tất cả những đặc điểm
này được tích hợp vào một phương trình vi phân phi tuyến bậc nhất. Mơ hình này
rất phù hợp cho phân tích mơ phỏng các hệ thống với ma sát và cũng có thể được sử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

dụng trong các ứng dụng điều khiển nếu một vài thơng số ma sát phụ thuộc vào đối
tượng có thể được xác định. Mơ hình dựa trên bù ma sát để điều khiển độ chính xác
cao thường được báo cáo (Lee & Tomizuka năm 1996; Yao, và cộng sự, 1997, Lee
và Kim, 1999). hương pháp này đòi hỏi phải xác định chính xác các thơng số ma

sát, do đó việc lựa chọn một phương pháp nhận dạng thích hợp là một vấn đề quan
trọng trong thiết kế điều khiển. Các phương pháp khác nhau để xác định các thơng
số của các mơ hình ma sát cũng có thể được tìm thấy trong cơng trình khảo sát của
Armstrong-Helouvry, và cộng sự (1994). Một khó khăn trong việc xác định ma sát
là u cầu đo gia tốc, điều này cần thiết để quan sát các lực ma sát và đưa các hiệu
ứng qn tính vào cùng một l c.
Khơng may, gia tốc là khơng thể đo được trong nhiều hệ thống điều khiển
chuyển động thực tế trừ khi thiết bị đắt tiền khác được sử dụng. Một lựa chọn khác
là sử dụng gia tốc mong muốn như ước lượng gia tốc thực, và sau đó các thơng số
qn tính và ma sát có thể được xác định riêng thơng qua một tập các thí nghiệm,
theo các bước nhận dạng được đưa ra ở Johnson và Lorenz (1992).
Tuy nhiên, các đặc tính ma sát biến đổi theo thời gian, có nghĩa là, các thơng
số trong các mơ hình ma sát có thể thay đổi trong một phạm vi rộng khi hoạt động,
vẫn gây ra những khó khăn cho dù bù ma sát chính xác. Nó khơng giống như một
bộ bù tốt có thể đạt được dựa trên một mơ hình ma sát cố định, mơ hình ma sát
được xác định ngoại tuyến. Do đó, bù ma sát thường cần phải được kết hợp với các
phương pháp điều khiển bền vững khác như điều khiển thích nghi (Yao, et al,
1997.) hoặc điều khiển chế độ trượt (Song & Cai năm 1995; Song, et al, 1995; Lee
và Kim, 1999). Các phương pháp nhận dạng ma sát trực tuyến, hoặc thích nghi trực
tiếp hoặc thích nghi dựa quan sát, đã được phát triển để liên tục cập nhật các thơng
số ma sát (Singer, năm 1993; Canudas De Wit & Lischinsky năm 1997; Canudas
De Wit & Ge, 1997; Ge, và cộng sự, 1999). Tuy nhiên, thích ứng trực tuyến nói
chung là được sử dụng để bám các thơng số biến đổi chậm theo thời gian như ma
sát Coulomb, nó khơng thể đảm bảo bù tốt trong vùng tốc độ thấp, trong đó ma sát
có động học rất nhanh.
Hơn nữa, các thuật tốn thích nghi trở nên phức tạp hơn khi số lượng các
thơng số cần được thích nghi tăng. Ví dụ, Canudas De Wit & Lischinsky (1997) sử
dụng mơ hình ma sát LuGre để bù ma sát động ở vận tốc thấp. Họ đề xuất một thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

tốn thích nghi, để đơn giản hóa các thuật tốn tính tốn, một giả định nghiêm ngặt,
tức là, vào sự thay đổi tham số cấu tr c đã được thực hiện. Thêm vào giả định khá
mạnh này, các mơ hình ma sát động cũng đòi hỏi tốc độ lấy mẫu cao (10kHz trở
lên). Nếu tốc độ lấy mẫu là giới hạn, tính chính xác của mơ hình ma sát và tốc độ
cập nhật là có vấn đề. Cho đến nay, chưa có cơng bố đã được tìm thấy trong đó giải
quyết các bài tốn ma sát mơ hình và bù chất lượng tốt.
1.6. Động lực cho việc sử dụng điều khiển PID truyền thống kết hợp
Learning Feed-Forward
Các hệ thống điều khiển chuyển động có thể là khá phức tạp vì nhiều yếu tố
khác nhau phải được xem xét trong thiết kế. Rất khó để tìm ra các phương pháp
thiết kế mà xem xét tất cả những yếu tố: Giảm ảnh hưởng của nhiễu đối tượng, các
biến đổi và những bất định của đối tượng. Khơng có giải pháp duy nhất nào cho các
bài tốn điều khiển khác nhau. Một số phương pháp có thể tốt hơn cho các bài tốn
điều khiển nhất định. Khi bù ma sát được kể đến, hiệu quả của bù ma sát dựa trên
mơ hình đã được chứng minh trong nhiều báo cáo, trong đó một số đã được đề cập
trong phần tổng quan trên. Các mơ hình ma sát được sử dụng bao gồm cả các mơ
hình động tiên tiến và các mơ hình tĩnh đơn giản. Được biết, xác định ma sát thường
là một cơng việc khó khăn và tốn nhiều thời gian. Hơn nữa, sử dụng một mơ hình
ma sát phức tạp hơn có thể khơng dẫn đến các kết quả bù tốt hơn so với chỉ sử dụng
một mơ hình ma sát đơn giản. Để thiết kế các hệ thống điều khiển để có được hiệu
suất cao và bền vững khi điều khiển các q trình phức tạp như vậy, các bộ điều
khiển tiên tiến đã được giới thiệu. Các tiếp cận điều khiển tiên tiến được thảo luận
trong luận văn này là sự kết hợp giữa ID truyền thống và Learning Feed-Forward
theo mơ hình mẫu. Learning Feed-Forward được thiết kế để bù lực ma sát, khi này
chức năng của ID trong hệ thống chỉ đơn giản là duy trì sự ổn định và bù những
nhiễu hệ thống chưa rõ. Giải pháp cho phép đồng thời đạt được độ chính xác điều

khiển, độ ổn định cao.
Sự kết hợp đồng thời hai chuyển động theo các phương X và Y là một bài tốn
khơng đơn giản bởi l khi đó phải kể đến các tác động qua lại giữa hai chuyển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

động (Hệ MIMO). Nội dung của bản luận văn chỉ quan tâm đến bài tốn điều khiển
chính xác theo một phương (Hệ SISO).
1.7. Thiết kế hệ thống điều khiển và nhiệm vụ của tác giả
Hầu hết các hệ thống điều khiển bản chất vốn đã phi tuyến. Người ta thường
xấp xỉ ch ng như những mơ hình tốn học tuyến tính với nhiễu và bất định mơ hình,
cho phép ch ng tơi sử dụng các phương pháp thiết kế phân tích phát triển cho các
hệ thống tuyến tính. Mục đích của thiết kế kỹ thuật điều khiển là để có được cấu
hình, thơng số kỹ thuật, và xác định các thơng số quan trọng của một hệ thống đã
cho để đáp ứng u cầu thực tế [3]. Các thơng số kỹ thuật làm việc là một tập hợp
rõ ràng các u cầu được thỏa mãn bởi thiết bị hoặc sản phẩm. Nói chung, các
thơng số kỹ thuật cho các hệ thống cụ thể là cơ sở cho việc sử dụng phương pháp
thiết kế điều khiển. Nếu các thơng số kỹ thuật làm việc được đưa ra thay vì các đo
lường trong miền tần số hoặc các đặc tính đáp ứng q độ, sau đó một tiếp cận
truyền thống dựa trên đáp ứng tần số hoặc các phương pháp quỹ đạo nghiệm có thể
được sử dụng. Với các phương pháp điều khiển cổ điển, hệ thống được điều khiển
được mơ tả b ng mối quan hệ đầu vào - đầu ra, hoặc hàm truyền. Khi sử dụng các
phương pháp đáp ứng tần số, các nhà thiết kế điều khiển muốn thay đổi hệ thống
sao cho đáp ứng tần số của hệ thống được thiết kế s thỏa mãn các chi tiết kỹ thuật.
Khi sử dụng các phương pháp quỹ đạo nghiệm, các nhà thiết kế muốn thay đổi và
định dạng lại các quỹ đạo nghiệm sao cho các nghiệm của hệ thống thu được s

n m ở vị trí mong muốn trong mặt phẳng - s. Thiết kế điều khiển dựa trên phương
pháp truyền thống về ngun tắc bị giới hạn về các hệ thống bất biến theo thời gian
tuyến tính.
Nếu các thơng số kỹ thuật làm việc được cho trước như các chỉ số hiệu suất
thay vì các biến trạng thái, thì tiếp cận điều khiển hiện đại nên được sử dụng. Các
thơng số kỹ thuật có thể bao gồm các đặc điểm như năng lượng tiêu tán bởi hệ
thống, và các nỗ lực điều khiển u cầu. Đối với một hệ thống vật lý các chỉ số này
ln bị hạn chế. Trong thiết kế điều khiển hiện đại, hệ thống được điều khiển được
mơ tả trong khơng gian trạng thái hay mơ hình đầu vào-đầu ra và các phương pháp
điều khiển triển chủ yếu trong miền thời gian. B ng cách sử dụng các phương pháp
điều khiển hiện đại, các nhà thiết kế điều khiển có thể bắt đầu từ một chỉ số hiệu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

suất, cùng với những hạn chế đối với hệ thống để tạo ra một hệ thống ổn định. Thiết
kế thơng qua lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụng các cơng thức tốn học của bài
tốn và áp dụng lý thuyết tốn học vào bài tốn thiết kế trong đó hệ thống có thể có
nhiều đầu vào và nhiều đầu ra và có thể biến đổi theo thời gian. Nó cho phép các
nhà thiết kế để tạo ra một hệ thống thiết kế mà tối ưu với các chỉ số hiệu suất. Một
khi các thơng số kỹ thuật làm việc và một mơ hình đối tượng thích hợp được xác
định, thiết kế thực tế của hệ thống điều khiển có thể được thành lập. Có rất nhiều
phương pháp điều khiển để thiết kế hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, các phương
pháp thích hợp hơn được lựa chọn dựa trên các thơng số kỹ thuật làm việc, mơ hình
đối tượng, và kiến thức và kinh nghiệm của các nhà thiết kế. Sau khi một hệ thống
được thiết kế, nếu ch ng ta có thể đạt được hiệu suất mong muốn b ng cách điều
chỉnh các thơng số, ch ng tơi s hồn thiện thiết kế và tiến hành ghi lại kết quả. Nếu

khơng, cần phải thay đổi cấu tr c hệ thống hoặc chọn một thiết bị truyền động tăng
cường và cảm biến sau đó ch ng ta s lặp lại các bước thiết kế cho đến khi ch ng
tơi tìm ra các thơng số kỹ thuật u cầu. Kỹ thuật lặp lại sai số và thử là hữu ích
được sử dụng để đạt được các thiết lập thơng số mong muốn.
Nó thường được mong muốn là: (1) hệ thống được thiết kế s cho ra sai số nhỏ
nhất có thể để đáp ứng đầu vào tham chiếu mong muốn, (2) Động học hệ thống
khơng q nhạy cảm với những thay đổi của các thơng số hệ thống, và (3) những
ảnh hưởng của nhiễu q trình nên được giảm thiểu.
Với mục tiêu Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển chuyển động máy in ta cần
tiến hành các bước sau: 1- Thiết kế, tính tốn cơ hệ chuyển động máy in; 2 - Trên
cơ sở của mơ hình hệ thống thực viết các phương trình vi phân mơ tả hệ thống, kết
hợp với thực nghiệm ta xác định được mơ hình tốn của đối tượng điều khiển; 3 Dựa trên mơ hình tốn nhận được lựa chọn cấu tr c điều khiển phù hợp đó là sự
kết hợp giữa ID truyền thống và Learning Feed-Forward đồng thời tính tốn được
thơng số của các bộ điều khiển; 4 - Kết quả tính tốn thiết kế được kiểm chứng và
hiệu chỉnh thơng qua mơ phỏng; 5 - Thiết kế mạch điện tử thực hiện chức năng các
bộ điều khiển; 6 -Triển khai thực nghiệm, hiệu chỉnh thơng số trên hệ thống thực,
so sánh đánh giá kết quả mơ phỏng và kết quả thực nghiệm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>

1.8. Mong muốn đạt được
- Chế tạo mơ hình cơ của máy in chuyển động đơn sử dụng động cơ điện.
- Xây dựng mơ hình tốn của đối tượng điều khiển.
- Xây dựng cấu tr c của hệ thống điều khiển cũng như thơng số các bộ điều
khiển.
- Mơ phỏng, hiệu chỉnh thơng số.

- Thiết kế, lắp ráp mạch điện tử tương tự thực hiện chức năng bộ biến đổi
cấp điện cho động cơ điện một chiều.
- Thiết kế, lắp ráp mạch điện tử tương tự thực hiện chức năng bộ điều khiển.
- Mơ hình thực đầy đủ (Mạch lực và mạch điều khiển).
- Tính đ ng đắn của giải pháp được chứng minh thơng qua kết quả mơ phỏng
và thực nghiệm khi có và khơng có sự tác động của nhiễu hệ thống.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐHTN

/>