Luận văn Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán

LỜI CAM ĐOAN . ii

LỜI CẢM ƠN.iii

MỤC

LỤC.

iv.

DANH MỤC HÌNH VẼ.vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI .ix

MỞ ĐẦU.1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG

DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN.2

1.1. Ứng dụng hệ truyền động nhiều động cơ trong máy sản xuất .2

1.2. Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều động cơ.2

1.2.1. Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại.2

1.2.2. Đặc tính phụ tải của chuyển động trục cán trong dây chuyền cán liên tục.3

1.3. Phân tích và chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động cán nóng

thô.9

1.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ).9

1.3.2. Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ) .10

1.3.3. Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ (BT - ĐKĐB)11

1.4. Kết luận chương 1 .12

CHƯƠNG II: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG

CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ.13

2.1. Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô .13

2.2. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB cho hệ truyền động trong dây chuyền cán

thô.14

2.2.1. Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian .14

2.2.2. Các phương pháp biến đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB từ hệ tọa độ

của vectơ không gian (a,b,c) về các hệ tọa độ khác.16

pdf97 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 26/02/2022 | Lượt xem: 315 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
theo từ thông rotor (d,q) sang hệ 3 pha (a,b,c) để đưa vào điều khiển bộ nghịch lưu. Tín hiệu phản hồi dòng điện được quy đổi từ hệ 3 pha về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Các ma trận quy đổi có tham số phụ thuộc vào góc quay 1 và được xác định theo công thức: 24   t qs t ss dtikdt 0 1 0 1 ...  Với dq s s iTi k 121 . 1   Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị biến tần Từ phương trình (2-9) và (2-10) ta nhận thấy: nếu trong quá trình làm việc giữ từ thông rotor không đổi 2d = const có nghĩa là giữ nguyên dòng điện I1d = const, lúc này ta điều chỉnh dòng điện I1q để tiến hành điều chỉnh mômen (cách điều chỉnh này giống như điều chỉnh động cơ điện một chiều). Với hai mạch vòng, để điều chỉnh I1q thì sẽ điều chỉnh được lượng vào của mạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh mômen của động cơ. Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tốc độ đặt của động cơ  thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ. 25 2.2.6. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB a) Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện điều khiển vector biến tần và động cơ không đồng bộ Từ sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ (hình 2.4) và sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị biến tần (hình 2.6), thành lập được sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ (hình 2.7). Jp 1 Mc  IS  R M RI RI WL(p) W1(p) US Et ku kS i1d i1q S  * 1di * 1qi  * - - - - - Co t Co t Co Co Kh©u t¹o m« men p 1 Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống TĐĐ sử dụngbiến tần và động cơ KĐB Trong sơ đồ này ta coi gần đúng bộ biến tần là một khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại là ku. Vector tE chứa thành phần phi tuyến xác định theo biểu thức:                                          qdrdn qdrqn qq dd tq td t T kiL T kiL EE EE E E E 2 2 211 22 2 11 21 21 . 1 ... .. 1 ..   (2-13) Các thành phần của từ thông 2d được xác định từ hệ phương trình phi tuyến 0.)1(.. 0...)1( 12222 12222   qmqds dmqsd iLpTT iLTpT   Hàm truyền W1(p) được xác định theo công thức: 26    pTR pW nn   1. 1 1 Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có dạng:    pT pW L L   1 1 Khâu tạo mômen là một khâu phi tuyến có phương trình:  dqqd ii 1212r ..kM   Ma trận C0 là ma trận quy đổi từ hệ toạ độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)                   21210 616132 cossin sincos . 11 11 130   CCC (2-14) Ngược lại C0t=C1t.C3t là ma trận quy đổi từ hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) về hệ tọa độ vector không gian (a,b,c). Các ma trận quy đổi C0 và C0t có các phần tử thay đổi theo góc quay 1 của từ trường quay. Ta nhận thấy: C0.C0t =I0 (với I0 là ma trận đơn vị). Vì vậy ta có thể đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ thành sơ đồ như trong hình 2.8a dưới đây.  i1d i1q M * 1di * 1qi RI RI ku US Et W1(p) WL(p) WL(p) Mc Jp 1 * R  Kh©u t¹o m« men - - - - Hình 2.8a: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ Qua sự phân tích trên ta thấy quá trình biến đổi từ thông 2d là không đổi, cho nên động cơ KĐB giống như động cơ 1 chiều kích từ độc lập, do đó 27 ta chỉ cần khảo sát mạch thay đổi với 2 tham số momen và tần số. Vì vậy ta có sơ đồ cấu trúc rút gọn như hình 2.8b.  i1q M * 1qi RI ku US Et W1(p) WL(p) Mc Jp 1 * R Kr  - - - Hình 2.8b: Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ Từ sơ đồ cấu trúc trên ta lần lượt tổng hợp các mạch vòng dòng điện , tốc độ để tổng hợp hệ truyền động ổn định tốc độ. b) Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ Quá trình tổng hợp được thực hiện ở phụ lục II Kết quả: Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:          p k k pTK pTR ppK pTpTR pR ip iu nn u Lnn i 1 1 2 1 12 11         (2-15) Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu là:     STk T pR .2  (2-16) Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn môdul đối xứng là: 28   pT pT TK T pR S S S     4 14 .2   (2-17) c) Tổng hợp hệ ổn định tốc độ Với kết quả tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chỉnh tốc độ (theo 2 phương pháp mô đun tối ưu và mô đun đối xứng) việc thành lập hàm truyền hệ ổn định tốc độ được thực hiện như sau: Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: (2-18) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn môdul đối xứng ta có: (2- 19) 2.2.7. Mô phỏng hệ truyền động Từ sơ đồ 2.8b ta có sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động BT - ĐKB ổn định tốc độ như sau: ωd(p) ωp MC IUid Ui(p) Udk Ud - - - W(p) Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Trong đó: WC(P): Hàm số truyền điện cơ của động cơ 1 𝐽𝑝 WD(P): Hàm số truyền điện từ của động cơ    pTR pW nn   1. 1 1 ωsωω 22 sωsωd K 1 . .p2T1 1 K 1 . p2T.p2T1 1 (p)ω ω(p)     ωsωω 33 sω 22 sωsωd K 1 . .p4T1 1 K 1 . .p8T.p8T.p4T1 1 (p)ω ω(p)     29 WT: Hàm số truyền của bộ BT - ĐKĐB WCBi: Hàm số truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện    pT pW L L   1 1 WCBω: Hàm số truyền cảm biến của máy phát tốc WF =KF/(1+TFP) WRi: Hàm số truyền của bộ điều chỉnh dòng điện   p k kpR ipi 1 1  WRω: Hàm số truyền bộ điều chỉnh tốc độ     STk T pR .2  a) Chọn và xác định các thông số: - Các thông số cho trước: phụ lục 3 - Tính toán các thông số: phụ lục 3 b) Tiến hành mô phỏng Sử dụng công cụ Simulink của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh dòng điện và điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động với bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI Hình 2.10: Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc của hệ thống Matlab Simulink c)Kết quả mô phỏng 30 Hình 2.11: Đáp ứng tốc độ đầu ra của hệ thống Hình 2.12: Đáp ứng dòng điện đầu ra của hệ thống 31 d) Nhận xét: Ta đánh giá chất lượng tĩnh và động như sau: Sai lệch tĩnh: St = 0% Độ quá điều chỉnh: %10 Thời gian quá độ: tqđ = 3.5 s Số lần dao động: n=2 lần. 2.3. Kết luận chương 2 Kết quả của việc tổng hợp hệ ổn định tốc độ với hai bộ điều chỉnh tốc độ Rω, nếu dùng tiêu chuẩn môđun tối ưu ta được khâu tỷ lệ P còn nếu dùng tiêu chuẩn mô đun đối xứng ta được khâu PI, thông qua kết quả mô phỏng với bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ ta nhận thấy chất lượng tĩnh và động hệ điều chỉnh này đều bảo đảm yêu cầu ứng dụng để điều khiển chuyển động trục cán. Chương tiếp theo chúng ta sẽ tiến hành xây dựng hệ ổn định lực căng trong dây chuyền cán thô. 32 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LỰC CĂNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ 3.1. Đặt vấn đề Trong sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng tốc ở chế độ cán thô hình 1.3. Ở hình vẽ này hai động cơ M1 và M2 được thiết kế ổn định tốc độ, trong chương II bản luận văn đã tính toán khảo sát hệ truyền động ổn định tốc độ được ứng dụng trong dây chuyền cán này là dùng hệ truyền động BT - ĐĐKB. Từ hình 1.3 chúng ta thấy, việc ổn định lực căng (đồng bộ tốc độ cán) chỉ thực hiện cho 1 hệ truyền động (trong sơ đồ là thực hiện cho động cơ M2). Với cách đặt vấn đề như trên bản luận văn tiến hành xây dựng hệ ổn định lực căng cho dây chuyền cán thô qua hai bước như sau: - Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ điều chỉnh RT dùng PID tuyến tính - Nâng cao chất lượng hệ với bộ điều khiển mờ thích nghi 3.2. Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ RT dùng PID tuyến tính 3.2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng Với cách đặt vấn đề trên, sơ đồ khối của hệ truyền động lực căng như hình vẽ 3.1: RT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BT - ĐKĐB ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ TRỤC CÁN CẢM BIẾN UT KHỚP NỐI T * Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động lực căng 33 Từ sơ đồ khối đó thay hàm số truyền của các khâu đã biết trong sơ đồ khối ta được sơ đồ cấu trúc của hệ ổn định lực căng với bộ điều khiển PID tuyến tính được thể hiện ở hình 3.2 U (p)T R (p) (-) TKr P TT .p T  (p)  (p) T.p    d = s .  (p)  (p) T.p    d = s . T Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng Trong đó: P K r : Hàm truyền của bộ chuyển đổi tốc độ góc thành tốc độ dài RT(p): Hàm truyền của bộ điều chỉnh lực căng pTT T 1 K : Hàm truyền của cảm biến )( )( p p d  : Hàm truyền của động cơ 3.2.2. Tổng hợp mạch vòng Qúa trình tổng hợp được thực hiện ở phụ lục 2 Kết quả: Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh lực căng theo tiêu chuẩn tối ưu modul: ).21( .2.. )( pT TKK K pR S TTr T    (3-1) Với   TKK K K Tr p 2..    TKK TK K Tr S D ..  Vậy RT(p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD). Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh lực căng theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: 34 ).41( .2.. )( pT TKK K pR S TTr T    (3-2) RT(p) cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD). Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển khối lượng như hình 3.3. P2T1 1 si P2T1 ω ω  PTC R cu JP 1 iK 1 RRT JP 1 K U T (p) (p) d (-) (-) (-) Ui (p) I MC  T K P2T1 T T  * Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh lực căng 3.2.3. Mô phỏng hệ ổn định lực căng a. Chọn và xác định các thông số - Các thông số cho trước: phụ lục 3 - Tính toán các thông số: phụ lục 3 b. Tiến hành mô phỏng Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ trên hình 3.4 và dùng Matlab simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình 3.5 35 Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID Kết quả mô phỏng: 36 37 c. Nhận xét Chất lượng của hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PD kinh điển tuy vẫn đảm bảo nhưng nói chung chất lượng vẫn còn chưa tốt lắm. Điều này được thể hiện qua các chỉ tiêu chất lượng dưới đây: - Thời gian quá độ: 12 giây. - Dao động khi có tải : có. - Độ quá điều chỉnh:5% Mặc dù chất lượng đảm bảo nhưng thực chất trong mạch có khâu phi tuyến và tính phi tuyến của hệ được thể hiện như sau: Ta xét quá trình bắt đầu hãm, lúc đó tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau nghĩa là: hTR   ).( 21 (3-3) 21h  : Quãng đường hãm h  : Vận tốc thời điểm bắt đầu quá trình hãm. Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức : hmax hMax rMax K ε .ω . 2 1 2  (3-4) Trong đó: hMax  : Gia tốc hãm cực đại cho trước. Từ (3-3) và (3-4) ta có: hTh R   .max hMax TrMax h KK    .. . 2 1 2  Chọn TT KR  r hMax T K K . .2 1   (3-5) Quãng đường đi được lúc hãm là:  = 2hmax = ε ω r 2 h K. (3-6) Khi tổng hợp bộ điều khiển vị trí TR , ta đã có hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại TK = const, quan hệ tĩnh )(f  trong quá trình hãm công thức (3-4) được vẽ trên hình 3.5 ta thấy: 38 Khi cho quãng đường là 1  thì tốc độ là 1 tương ứng với hệ số khuếch đại là 1TK , khi cho quãng đường là 2 mà vẫn giữ nguyên hệ số 1TK thì tốc độ là 2  nhưng thực chất theo quan hệ phi tuyến thì tốc độ là ' 2  - nghĩa là cần hệ số khuếch đại 2TK . Tương tự cho quãng đường là 3 thì cần phải có 3TK . Như vậy khi  càng nhỏ thì hệ số khuếch đại TR càng lớn để đạt được tốc độ lớn tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu. Hình 3.5: Quan hệ giữa Δφ và ω Qua phân tích ta thấy quan hệ ω = f(Δφ) là phi tuyến mặt khác như ta đã biết khi thiết kế bộ điều khiển tổng hợp mạch vòng vị trí theo phương pháp kinh điển thì hệ số khuếch đại KT = const là không hợp lý. Để giải quyết vấn đề này tác giả đề xuất phương án thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động trục cán thô. 3.3. Nâng cao chất lượng hệ điều khiển ổn định lực căng trong hệ điều khiển chuyển động dây chuyền cán thô Để nâng cao chất lượng hệ điều khiển lực căng có rất nhiều phương pháp trong lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến. Trong luân văn này sẽ chọn bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ truyền động này. Qúa trình tổng hợp hệ được thực hiện như sau: 39 3.3.1. Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi 3.3.1.1. Định nghĩa Hệ điều khiển mờ thích nghi là hệ điều khiển thích nghi được xây dựng trên cơ sở của hệ mờ. Như vậy ta thấy bộ điều khiển mờ thích nghi bao gồm hai phần: - Điều khiển mờ - Điều khiển thích nghi 3.3.1.2. Điều khiển mờ Sơ đồ chức năng bộ điều khiển mờ cơ bản như hình 3.6, gồm 4 khối mờ hoá (1), khối hợp thành (2), khối luật mờ (3) và khối giải mờ (4). Hình 3.6: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ Khối mờ hoá có nhiệm vụ biến đổi các giá trị rõ đầu vào thành một miền giá trị mờ với hàm lien thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã được định nghĩa. Khối hợp thành dung để biến đổi các giá trị mờ hoá của biến ngôn ngữ đầu vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo luật hợp thành. Khối luật mờ bao gồm tập các luật “ Nếu Thì” dựa vào các luật cơ sở, được người thiết kế viết ra cho thích hợp với từng biến và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra. Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ, vì nó có khả năng mô phỏng những suy đoán của con người để đạt được mục tiêu điều khiển mong muốn nào đó. 40 Khối giải mờ biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều khiển đối tượng. Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm 4 khối thành phần như vậy được gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản. Trong điều khiển mờ người ta thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chình, đó là: - Phương pháp điểm cực đại - Phương pháp trọng tâm - Phương pháp điểm trung bình tâm Bộ điều khiển mờ động: Để mở rộng ứng dụng cho các bài toán điều khiển người ta thường bổ sung thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản các khâu tích phân, đạo hàm, do đó ta có cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ như hình 3.7. Hình 3.7: Sơ đồ bộ điều khiển mờ động 3.3.1.3. Điều khiển thích nghi Cấu trúc của hệ thống thích nghi gồm ba khâu cơ bản: - Đo lường theo tiêu chuẩn IP nào đó - Khâu so sánh - Cơ cấu thích nghi Các tiêu chuẩn IP có thể là: Các chỉ số tĩnh, các chỉ số động, các chỉ số của các thông số, hàm của các biến thông số và các tín hiệu vào. Cơ cấu thích nghi có thể là: - Thích nghi thông số - Tổng hợp một tín hiệu bổ sung LuËt hîp thµnh dt d KP K u KD KI e D I E 41 Chiến thuật thích nghi có thể là: - Tiền định - Phỏng đoán - Tự học Hệ thống cần điều khiển sẽ được điều khiển thích nghi ổn định theo thông số nào đó, cho dù tín hiệu vào là không biết trước hay là quá lớn. Hệ điều khiển thích nghi có 3 sơ đồ chính: - Điều chỉnh hệ số khuếch đại - Điều khiển theo mô hình mẫu - Hệ tự điều chỉnh Hình 3.8: Điều chỉnh hệ số khuếch đại Hình 3.9: Bộ điều khiển theo mô hình mẫu 42 Các thông số của bộ điều chỉnh được hiệu chỉnh nhờ mạch vòng ngoài dựa trên cơ sở sai số giữa mô hình mẫu ym và quá trình y. Vấn đề là xác định cơ cấu hiệu chỉnh này sao cho ổn định và sai số tiến về bằng 0. Hình 3.10: Bộ điều khiển tự chỉnh a. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Gradient Xét đối tượng mô tả bởi: buay dt dym  Mô hình mẫu được mô tả bởi phương trình: ubya dt dy mm m  Tín hiệu điều khiển: )()()( 21 tytutu c   Đặt e = y - ym Trong đó y là đầu ra của hệ kín, ta có: cU bas b Y 2 1     ; Với dt d s  là toán tử vi phân. Hàm độ nhạy được xây dựng bởi đạo hàm riêng sai số theo các biến θ1, θ2: cU bas E 2  ;   Y bas b U bas bE c 2 2 2 1 2 2          43 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Các công thức trên không thể sử dụng trực tiếp vì không biết a, b do đó ta sử dụng phương pháp gần đúng. Ta thấy rằng khi s + a + bθ2 = s +am thì tham số của hệ thống hoàn toàn giống mô hình mẫu. Vì vậy coi gần đúng s + a +bθ2 ≈ s +am. Ta nhận được quy luật điều khiển tham số. eu as a dt d eu as a dt d c m m c m m                     2 1 (3.8) γ trong (4.5) nói lên tốc độ hội tụ của thuật thích nghi. b. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết Lyapunov Gọi sai số giữa đối tượng và mô hình là e = y – ym. Bài toán đặt ra là cần tìm hàm Lyapunov và cơ cấu thích nghi để sai số tiến đến 0. Xét hệ bậc nhất được mô tả bởi phương trình: buay dt dy  Giả thiết mô hình mẫu được mô tả bởi: cmmm m ubya dt dy  với am >0 và tín hiệu được giới hạn. Tín hiệu điều khiển: yuu c 21   với θ1,θ2 là các tham số điều chỉnh. Sai số: e = y - ym Đạo hàm phương trình sai số ta có: 44     cmmm ubbyaabea dt de  12  Cần phải cho sai số tiến đến 0 nên các tham số tiến đến các giá trị: b aa b b mm  022 0 11 ;  Ta tìm cách xây dựng một cơ cấu điều chỉnh thông số để điều chỉnh các tham số θ1, θ2 tới giá trị mong muốn. Muốn vậy với giả thiết bγ >0 và có hàm bậc 2 sau:              2 1 2 2 2 21 11 2 1 ,, mm bb b aab b eeV      Hàm này sẽ bằng 0 khi sai số e = 0 và tham số bộ điều chỉnh bằng giá trị đặt. Để hàm này được coi như hàm Lyapunov thì đạo hàm dt dV phải âm.                             eu dt d bbye dt d aabea dt d bb dt d aab dt de e dt dV cmmm mm               1 1 2 2 2 1 1 2 2 11 11 2 1 (3.9) Nếu như các tham số có dạng: ye dt d eu dt d c      21 ; (γ tốc độ hội tụ) ta nhận được : 2ea dt dv m Từ định lý Lyapunov, sai số tiến đến gần 0. Tuy nhiên, các tham số cũng cần phải hội tụ dần đến giá trị đặt. Sơ đồ cấu trúc của hệ biểu diễn trên hình 3.12 Hình 3.12: Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối tượng bậc nhất 45 c. Phân loại Hệ điều khiển mờ thích nghi có thể phân thành 2 loại: - Bộ điều khiển mờ tự chỉnh là bộ điều khiển mờ có khả năng chỉnh định các tham số của các tập mờ (các hàm liên thuộc). - Bộ điều khiển mờ tự thay đổi cấu trúc là bộ điều khiển mờ có khả năng chỉnh định lại các luật điều khiển. Đối với loại này hệ thống có thể bắt đầu làm việc với một vài luật điều khiển đã được chỉnh định trước hoặc chưa đủ các luật. d. Các phương pháp điều khiển mờ thích nghi Các bộ điều khiển mờ thích nghi rõ và mờ đều có mạch vòng thích nghi được xây dựng trên cơ sở 2 phương pháp: Hình 3.13: Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp. - Phương pháp trực tiếp thực hiện thông qua việc nhận dạng thường xuyên các tham số của đối tượng. Quá trình nhận dạng thông số của đối tượng có thể thực hiện bằng cách thường xuyên đo trạng thái của tín hiệu vào/ra của đối tượng và chọn 1 thuật toán nhận dạng hợp lý, trên cơ sở mô hình đã biết trước hoặc mô hình mờ. 46 Hình 3.14: Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp - Phương pháp gián tiếp thực hiện thông qua phiếm hàm mục tiêu của hệ kín xây dựng trên các chỉ tiêu chất lượng. Phiếm hàm mục tiêu có thể được xây dựng trên cơ sở các chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống như quá trình điều chỉnh, thời gian quá độ hay các chỉ tiêu tích phân sai lệch Bộ điều khiển mờ thích nghi có thể chia thành 2 loại: + Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc Đó là bộ điều khiển mờ có khả năng tự chỉnh định các luật điều khiển. Để thay đổi luât điều khiển trước tiên ta phải xác định được quan hệ giữa giá trị được hiệu chỉnh ở đầu ra với giá trị biến đổi ở đầu vào. Do đó cần phải có mô hình thô của đối tượng, mô hình này dùng để tính toán giá trị đầu vào tương ứng với giá trị đầu ra cần đạt được của bộ điều khiển ta có thể xác định và hiệu chỉnh các nguyên tắc điều khiển để đảm bảo chất lượng hệ thống. + Bộ điều khiển mờ tự chỉnh mô hình theo dõi Một hệ tự chỉnh không những chỉnh định trực tiếp tham số của bộ điều khiển mà còn chỉnh định cả tham số của mô hình đối tượng được gọi là bộ tự chỉnh có mô hình theo dõi. Với bộ điều khiển này hệ mờ không chỉ phục vụ cho việc điều khiển đối tượng mà còn phục vụ cho việc nhận dạng đối tượng. Sơ đồ cấu trúc của hệ tự chỉnh có mô hình theo dõi như hình 3.15. 47 Hình 3.15: Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi Bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi 3 thành phần: - Mô hình mờ của đối tượng được xác định trong khi hệ thống đang làm việc bằng cách đo và phân tích các tín hiệu vào/ra của đối tượng. Mô hình mờ của đối tượng gián tiếp xác định các luật hợp thành của bộ điều khiển. Vì vậy bộ điều khiển mờ tự chỉnh có mô hình theo dõi cũng chính là bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc. - Khối phiếm hàm mục tiêu: Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống được phản ánh qua phiếm hàm mục tiêu bằng các hàm liên thuộc. - Khối tạo tín hiệu điều khiển có nhiệm vụ lựa chọn tín hiệu điều khiển từ tập các tín hiệu điều khiển xác định từ mô hình đối tượng và đảm bảo tốt nhất chỉ tiêu chất lượng đề ra. 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song. 3.3.2.1. Đặt vấn đề Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ logic mờ (FLC –Fuzzy Logic Control) là cấu trúc kiểu phản hồi sai lệch. Sơ đồ như hình 3.16  KD K u U e e E I d dt Luật hợp thành Hình 3.16: Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào Nhận dạng Mô hình đối tượng Phiếm hàm mục tiêu Tạo tín hiệu điều khiển Đối tượng 48 Trong đó kD,  là các hệ số khuếch đại đầu vào, K là hệ số khuếch đại đầu ra. Thực tiễn cho thấy việc chỉnh định FLC khó khăn hơn nhiều so với chỉnh định bộ điều khiển kinh điển, một trong những lý do chính là tính mềm dẻo của vùng nhận biết cơ bản của bộ điều khiển mờ và sự móc nối các thông số của chúng. Tuy nhiên không có một cách hệ thống hoá nào để đưa ra tất cả các thông số này. Trong phần này tác giả đưa ra phương pháp thiết kế: Đầu tiên ta xây dựng mô hình cơ bản của bộ điều khiển mờ bao gồm các hàm liên thuộc, các luật hợp thành. Chúng có thể tạo ra một đáp ứng hợp lý ở một mức độ nào đó. Luật hợp thành cơ bản được chọn là một luật hợp thành tuyến tính, còn hàm liên thuộc có thể được xác định theo hình tam giác, hình thang hoặc hàm Gauss. Sau khi xác định được hàm liên thuộc và luật hợp thành cơ bản, ta sử dụng chúng để tìm ra hệ số khuếch đại tỷ lệ. Có thể sử dụng nhiều phương pháp định lượng khác nhau, việc xác định hệ số khuếch đại tỷ lệ rất quan trọng đối với sự hoạt động của FLC. Trong điều khiển kinh điển, ta đã biết một Algorithm điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu sử dụng phương pháp Gradient hay phương pháp Lyapunov rất thích hợp cho việc điều khiển một quá trình không nhận biết được, đặc biệt là đối với hệ phi tuyến. Một bộ điều khiển mờ với luật hợp thành tuyến tính và các hàm liên thuộc tam giác có thể xấp xỉ tuyến tính xung quanh trạng thái cân bằng. Do đó ta sử dụng ý tưởng đó của bộ điều khiển thích nghi kinh điển để áp dụng cho hệ điều khiển mờ, thích nghi với một vài sự xấp xỉ nào đó. Cấu trúc của các bộ điều khiển mờ thích nghi dựa trên cơ sở lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient kinh điển. 3.3.2.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ Xét bộ điều khiển mờ hai đầu vào như hình 3.15. Để xây dựng mô hình toán học của nó ta thực hiện theo các bước sau: 49 a. Chọn các hàm liên thuộc Các tập mờ đầu vào được chọn để mờ hoá là E và I. Ta chọn số lượng các tập mờ vào và ra bằng nhau và bằng N, các hàm liên thuộc sơ bộ chọn hình tam giác với mỗi hàm liên thuộc bao phủ không gian trạng thái 2A cho mỗi đầu vào và 2B cho mỗi đầu ra. Giả sử chọn j hàm liên thuộc âm cho E, R, U, Chọn j hàm liên thuộc dương cho E, R, U và một hàm liên thuộc zezo cho E, R, U (hình 3.16). Như vậy số lượng các hàm liên thuộc của mỗi biến vào/ra là N = 2j + 1 . Để đơn giản cho việc xâ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_nang_cao_chat_luong_he_dieu_khien_chuyen_dong_nhieu.pdf
Tài liệu liên quan