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 ch�, thời gian quá độ tqđ = tht= 45s.
Như vậy điều khiển thích nghi cho hệ thống QGCP đáp ứng tốt nhất khi góc
đặt từ 5°-10°.
4.3.2. Hệ thống khi có tác động của nhiễu
Tác động nhiễu vào đối tượng QGCP bằng cách tác động vào cánh phẳng,
làm lệch cánh khỏi vị trí góc đặt hoặc cản trở luồng khơng khí từ quạt gió thổi tới
cánh phẳng sau thời gian quá độ.

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

/>

59

a. Góc đặt 5°

Nhiễu tác động

Hình 4.23:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm
t = 53s và t = 86s
b. Góc đặt 10°

Nhiễu tác động

Hình 4.24:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm
t = 55s và t = 95s

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

/>

60

c. Góc đặt 15°

Nhiễu tác động

Hình 4.25:Góc cánh phẳng và góc đặt khi có tác động nhiễu tại thời điểm
t = 75s và t = 125s
Nhận xét
Sau khi tác động nhiễu vào hệ thống sau quá trình quá độ ta thấy hệ có khả
năng trở về trạng thái xác lập: góc cánh phẳng bám giá trị góc đặt, thời gian hội tụ

nhanh. Do vậy hệ có khả năng khử nhiễu tốt, làm việc ổn định.
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
Tác động nhiễu vào hệ thống QGCP với bộ điều khiển PI và điều khiển thích
nghi bằng cách cản trở luồng khơng khí từ quạt gió thổi tới cánh trong cùng một
điều kiện:
Tác động nhiễu 2 lần trong khoảng thời gian xác lập.
Mỗi lần tác động nhiễu trong 3s.
(khơng nhất thiết có cùng thời điểm tác động do hệ đã vào trạng thái xác lập.)
Ta có đường đặc tính của đáp ứng đầu ra tương ứng với các góc đặt 5°, 10°,
15° như sau:

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

/>

61

Bộ điều khiển PI

Nhiễu tác động

Bộ điều khiển thích nghi

Nhiễu tác động

Hình 4.26: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt

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

/>

62

Bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển thích nghi

Hình 4.27 : So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt 10°

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

/>

63

Bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển thích nghi

Hình 4.28: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt 15°
Nhận xét:
Ta thấy khi có tác động nhiễu vào hệ thống QGCP thì đáp ứng đầu ra của hệ
thống với cả hai bộ điều khiển đều có khả năng khử nhiễu để trở về trạng thái xác
lập, giữ ổn định được góc đặt. Tuy nhiên với bộ điều khiển thích nghi, đáp ứng đầu
ra có thời gian hội tụ nhanh hơn, biên độ dao động nhỏ hơn nên khả năng khử nhiễu
tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PI, đặc biệt là với góc đặt nhỏ (5° và 10°). Vì vậy

hệ thống QGCP với bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu có chất lượng tốt và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

64

làm việc tin cậy hơn khi có tác động nhiễu, đã khắc phục được nhược điểm khả
năng khử nhiễu kém khi góc đặt nhỏ của bộ điều khiển PI ta thiết kế ở chương 3.
4.4. Kết luận chƣơng 4
Ta đã xây dựng được bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho hệ
thống QGCP theo phương pháp tiếp cận Gradient, sử dụng luật hiệu chỉnh MIT.
Với bộ điều khiển thích nghi khi góc đặt từ 5°-10° ta thấy góc cánh phẳng
bám giá trị góc đặt hơn bộ điều khiển PI. Khi góc đặt : 15°≤ uc ≤20° thì chất lượng
bộ điều khiển thích nghi khơng cao: lượng q điều chỉnh lớn, số lần dao động
tương đối lớn, thời gian quá độ chậm, nên bộ điều khiển thích nghi chỉ cho kết quả
tốt trong một điều kiện làm việc giới hạn.
Tuy nhiên khi cùng chịu một điều kiện tác động nhiễu, hệ thống với bộ điều
khiển thích nghi có thời gian hội tụ nhanh, biên độ dao động nhỏ nên có khả năng
khử nhiễu tốt và làm việc tin cậy hơn bộ điều khiển PI. Do vậy bộ điều khiển thích
nghi theo mơ hình mẫu đã khắc phục được nhược điểm khả năng khử nhiễu kém khi
góc đặt nhỏ của bộ điều khiển PI.
.

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

/>

65

KẾT LUẬN CHUNG
Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống Quạt gió – Cánh
phẳng tại phịng thí nghiệm nhằm ổn định góc mở của cánh phẳng theo giá trị đặt
trước. Với mục tiêu đặt ra như vậy luận văn đi theo hướng : nhận dạng hệ thống
điều khiển để xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng quạt gió cánh phẳng trên cơ
sở các số liệu vào/ra thực nghiệm, từ đó đi thiết kế bộ điều khiển PID và điều khiển
thích nghi theo mơ hình mẫu cho hệ thống.
Những kết quả mà luận văn đạt được thể hiện ở những điểm sau:
1. Nhận dạng đƣợc hệ thống QGCP
Xác định được mơ hình tốn học cho hệ thống quạt gió – cánh phẳng bằng
phương pháp nhận dạng hệ thống điều khiển, áp dụng công cụ nhận dạng System
Identification Toolbox của phần mềm Matlab. Dựa theo phương pháp này ta có thể
tiến hành nhận dạng hệ thống một cách dễ dàng, trực quan và nhanh chóng với độ
phù hợp mơ hình khá cao (72.75%).
2. Thiết kế đƣợc bộ điều khiển PID cho hệ thống QGCP
Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống QGCP áp dụng phương pháp bù thời
gian trội theo tiêu chuẩn phẳng. Khi tiến hành chạy thực trên hệ thống QGCP ta
thấy hệ có các ưu nhược điểm sau:
Ưu điểm: Hệ làm việc ổn định, đáp ứng đầu ra (góc cánh phẳng) tương đối
bám giá trị góc đặt, khi có tác động của nhiễu hệ thống vẫn có khả năng giữ ổn định
vị trí góc.
Nhược điểm: Đối với góc đặt lớn (20°) đặc tính của đáp ứng đầu ra có sai lệch
tĩnh lớn. Khả năng khử nhiễu kém khi góc đặt nhỏ (5°-10°).
3. Thiết kế được bộ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho hệ thống QGCP
Thiết kế hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu cho hệ thống QGCP áp
dụng phương pháp tiếp cận Gradient. Khi tiến hành chạy thực trên hệ thống QGCP
ta thấy hệ có các ưu nhược điểm sau:
Ưu điểm: Đáp ứng đầu ra (góc cánh phẳng) bám giá trị góc đặt hơn so với bộ
điều khiển PID. Khi cùng chịu một điều kiện tác động nhiễu, hệ thống với bộ điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

66

khiển thích nghi có thời gian hội tụ nhanh, biên độ dao động nhỏ nên có khả năng
khử nhiễu tốt và làm việc tin cậy hơn bộ điều khiển PI. Do vậy bộ điều khiển thích
nghi theo mơ hình mẫu đã khắc phục được nhược điểm khả năng khử nhiễu kém khi
góc đặt nhỏ của bộ điều khiển PI.
Nhược điểm: Khi góc đặt : 15°≤ uc ≤20° thì chất lượng bộ điều khiển thích
nghi khơng cao: lượng q điều chỉnh lớn, số lần dao động tương đối lớn, thời gian
quá độ chậm, nên bộ điều khiển thích nghi chỉ cho kết quả tốt trong một điều kiện
làm việc giới hạn. Q trình lựa chọn các tham số hiệu chỉnh địi hỏi kinh nghiệm.
4. Đã kiểm chứng các bộ điều khiển đã thiết kế bằng mô phỏng và thực nghiệm
Kết quả chạy thực trên hệ thống QGCP với bộ điều khiển PI và điều khiển
thích nghi theo mơ hình mẫu cho thấy ta đã điều khiển được ổn định góc mở của
cánh phẳng theo giá trị đặt trước. Do vậy mô hình tốn học của hệ thống QGCP tìm
được là gần đúng với mơ hình thực, khẳng định được tính đúng đắn của phương
pháp nhận dạng hệ thống điều khiển mà ta đã chọn.
Những nghiên cứu thực nghiệm về điều khiển ổn định góc đặt cho hệ thống
quạt gió – cánh phẳng tại phịng thí nghiệm của luận văn đã góp phần vận dụng lý
thuyết về điều khiển tự động, mà cụ thể là nhận dạng hệ thống điều khiển, điều
khiển PID và điều khiển thích nghi vào thực nghiệm.
5. Khả năng ứng dụng thực tế
Điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió - cánh phẳng được ứng dụng
trong điều khiển ổn định góc mở cho các hệ thống thơng gió và góc mở van được
điều khiển bằng khí nén trong thực tế. Vì vậy cịn nhiều vấn đề cần phải được quan
tâm và tiếp tục nghiên cứu để áp dụng kết quả vào thực tế sao cho chính xác và hiệu
quả nhất.

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

/>

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh (2001), Nhận dạng hệ thống điều
khiển, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001.
[2]. Phạm Văn Thiêm (2001), Bài tập lớn nhận dạng hệ thống, 2011.
[3]. Nguyễn Thương Ngô (1999), Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1999.
[4]. Nguyễn Thị Tuyết Hoa (2013), Điều khiển thích nghi cho hệ thống quạt gió
cánh phẳng, Đồ án tốt nghiệp.
[5].

A. Numsomran and V. Tipsuwanporn, The Design of Robust PID Control for
Fanand Plate Process, CA'07 Proceeding of the Ninth IASTED
Internatinonal Conference on Control and Applications, Pages 273-277, ACTA
Press Anaheim, CA, USA 2007.

[6]. Kungwalrut, P. Thumma, M. ; Design MRAC PID control for fan and
plate process, Proceedings of SICE Annual Conference (SICE), 2011,
Page(s): 2944 - 2948 .
[7]. Åström, K. J. and B. Wittenmark, Computer-Controlled Systems, Prentice
Hall, (1997) .
[8]. />[9]. www.youtube.com/watch?v=oTu5ghJ1NMc

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

/>