Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
–––––––––––––––––––
NGUYỄN THÀNH CÔNG
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 HÓA
THÁI NGUYÊN – 2014 TS. Nguyễn Văn Chí
THÁI NGUYÊN – 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
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 toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi 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 tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
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 mô 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 mô hình có tham số - Phương pháp bình phương tối thiểu - Mô
hình ARX 13
2.1.5. Các bước tiến hành bài toán nhận dạng 16
KẾT LUẬN CHUNG 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên viết tắt
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
QGCP
Fan and Plate
Quạt gió cánh phẳng
PWM
Pulse Width Modulation
Điều chế độ rộng xung
AR
Auto Regression
Quá trình tự hồi quy
PI
Proportional Integral
Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ
PID
Proportional Integral Derivative
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ
MRAS
Model Reference Adaptive
Systems
Hệ thích nghi mô hình tham
Hình 2.12: Bộ dữ liệu identdata de và identdata dv 22
Hình 2.13: Hình vẽ bộ dữ liệu identdata de và identdata dv 23
Hình 2.14:Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc 23
Hình 2.15: Ước lượng mô hình 24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vii
Hình 2.16: Chọn các thông số mô hình 24
Hình 2.17: Độ phù hợp của mô hình 25
Hình 2.18: Mô hình toán học của ARX221 25
Hình 2.19: Đặc tính vào/ra trước và sau khi loại bỏ giá trị trung bình 28
Hình 2.20:Độ phù hợp của các mô hình ARX221,ARX551,ARX10101 28
Hình 3.1: Hệ thống quạt gió cánh phẳng với bộ điều khiển PID 32
Hình 3.2:Góc thực của hệ thống khi góc đặt 5° 33
Hình 3.3: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 10° 33
Hình 3.4: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 15° 34
Hình 3.5: Góc thực của hệ thống khi góc đặt 20° 34
Hình 3.6: So sánh đối tượng QGCP thực và lý tưởng 35
Hình 3.7: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 35
Hình 3.8: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 36
Hình 3.9: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 37
Hình 3.10: So sánh đặc tính đầu ra của hệ với đối tượng thực và lý tưởng 37
Hình 3.11: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 5° 38
Hình 3.12: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 10° 39
Hình 3.13: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 15° 39
Hình 3.14: Đường đặc tính đầu ra có tác động nhiễu khi góc đặt 20° 40
Hình 4.1: Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu 42
Hình 4.2: Mô hình sai số 43
Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu 45
Hình 4.28: So sánh bộ điều khiển PI và điều khiển thích nghi khi có tác động
nhiễu góc đặt 15° 63
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của đề tài
Ngày nay do yêu cầu của thực tế sản suất có công nghệ hiện đại trên tất cả các
lĩnh vực đòi hỏi phải có hệ điều khiển có thể thay đổi được cấu trúc và tham số của
nó để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng đã định. Dựa trên cơ sở của nền kỹ thuật điện,
điện tử, tin học và máy tính đã được phát triển ở mức độ cao, lý thuyết điều khiển
thích nghi ra đời đáp ứng được yêu cầu trên. Nội dung của điều khiển thích nghi là:
tạo ra được hệ điều khiển mà cấu trúc và tham số của nó có thể thay đổi theo sự
biến thiên thông số đối tượng điều khiển sao cho chất lượng của hệ được đảm bảo
theo các chỉ tiêu đã định. Do tính ưu việt của điều khiển thích nghi mà hiện nay các
bộ điều khiển đang bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp,
các hệ phi tuyến trong thực tế .
Mô hình hệ thống QGCP là một mô hình cho phép cài đặt các thuật bù điều
khiển góc, với tính chất chịu ảnh rất nhiều của nhiễu và sự thay đổi tham số do đó
hệ thống QGCP là hệ thống khó điều khiển để đạt được chất lượng tốt.
Xuất phát từ những lý do trên và quan điểm của bản thân tác giả luận văn
mạnh dạn đi sâu nghiên cứu đề tài Nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống
quạt gió cánh phẳng để từ đó thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự động điều khiển
góc với chất lượng tốt hơn, qua đó mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống thông
gió, góc mở của van được điều khiển bằng khí nén trong các nhà máy xí nghiệp.
Sau khi hoàn thành luân văn sẽ góp phần là rõ lý thuyết cũng như cho một số hướng
điều chỉnh thực tế cho bộ điều khiển thích nghi ổn định góc.
2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
Vấn đề nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi ổn định góc là một vấn đề không
khiển thực.
So sánh kết quả của phương pháp điều khiển áp dụng với phương pháp đã có
Đánh giá và nhận xét.
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
- Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết về nhận dạng thực nghiệm, tiến hành nhận dạng thực
tế hệ thống quạt gió cánh phẳng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3
Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển thích nghi, trong đó lựa chọn phương
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu với cơ cấu hiệu chỉnh thông số thích
nghi theo luật MIT.
- Phương pháp luận:
Sử dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm theo phương pháp hồi quy
trung bình trượt để cho phép nhận dạng được mô hình chính xác hơn trong đó bao
gồm cả mô hình đối tượng và mô hình của nhiễu. Dữ liệu dùng cho nhận dạng: điện
áp điều khiển và góc của cánh phẳng theo thời gian.
Khi có được mô hình chính xác hơn và có kể đến mô hình của nhiễu, ta có
thể áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu với luật hiệu
chỉnh MIT cho phép linh hoạt chọn lựa các tham số của bộ điều khiển và mô hình
mẫu, qua đó có thể cải thiện được chất lượng điều khiển.
5. Đóng góp của luận văn
Ứng dụng lý thuyết cơ bản về nhận dạng và điều khiển thích nghi để xác định
tham số hệ thống QGCP. Sau đó thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển thích
nghi để nâng cao chất lượng điều khiển góc. Các kết quả được kiểm chứng trên
Mallab/Simulik và điều khiển thực cho thấy các tham số đã xác định được thông
qua nhận dạng là tương đối chính xác, bộ điều khiển thích nghi cho chất lượng điều
khiển tốt hơn nhiều trong trường hợp có nhiễu tác động.
cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab.
- Bộ nguồn một chiều
Hình 1.1:Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phòng thí nghiệm bộ môn Đo lƣờng
Điều khiển – Khoa Điện tử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5
a. Quạt gió
- Được điều khiển bằng động cơ một chiều, điện áp 0-24VDC, dòng điện 0.25A
Hình 1.2: Động cơ quạt gió cánh phẳng
b. Cánh phẳng
Hình 1.3: Cánh phẳng
- Tấm nhôm hình chữ nhật có bản lề với 2 trụ kim loại thẳng đứng, góc cánh
phẳng từ :00 – 200.
c. Sensor đo góc
- Là 1 biến trở 5V,có chức năng đo góc của cánh phẳng, trong đó 1
0
tương
ứng 0.18V (hoặc 28 ).
Hình 1.4: Sensor đo góc
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3
8
6
1
3
3
7
1
3
3
2
1
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7
e. Bộ nguồn một chiều
Hình 1.6: Bộ nguồn một chiều
1. Điện áp xoay chiều đầu vào 220V- 50Hz
2. Điện một chiều đầu ra ± 15V
f. Cáp kết nối với cổng COM máy tính Hình 1.7: Cáp kết nối máy tính
quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước. Đáp ứng
đầu ra là góc cánh phẳng được đo bởi Sensor đo góc, giá trị góc này lại được đưa
trở lại mạch điều khiển và phản hồi về chương trình điều khiển trên máy tính, tại
đây sai lệch giữa giá trị góc đặt và góc phản hồi được đưa tới bộ điều khiển,hệ
thống sẽ điều chỉnh cho sai lệnh này về 0 bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt gió để
đảm bảo góc cánh phẳng luôn đạt giá trị đặt. Quá trình trên được lặp đi lặp lại liên
tục để điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo giá trị đặt trước.
1.4. Cơ sở xây dựng và nhận dạng mô hình động lực học QGCP [8]
Ta có mô hình động lực học QGCP và sơ đồ khối của mô hình như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
9
Hình 1.10: Biểu diễn quá trình động lực học của QGCP
Trong đó:
Góc : góc giữa cánh phẳng và trục thẳng đứng
Mg : trọng lượng của cánh phẳng (kể cả đối trọng)
C : trọng tâm của hệ.
P: Áp suất tác động lên cánh phẳng
Các khoảng cách I
M
, I
P
,L
1
,L
2
xác định như hình vẽ .
chuyển động của cánh phẳng, dòng khí chuyển động xoáy bên dưới và xung quanh
cánh phẳng. Ta coi khâu này gồm trế dịch chuyển, một dạng phi tuyến căn bậc hai
và động lực học phụ thuộc hướng.
Khối biểu thị quan hệ giữa Ψ và P. Xem cánh phẳng là con lắc vật lý. Mô
hình động lực học cánh phẳng :
2
2
sin os
Mp
dd
J Mgl b PAl c
dt dt
(1.2)
Từ phân tích cấu trúc vật lý, theo tài liệu [8] ta có hàm truyền của đối tượng
QGCP là:
2
1
2
1
. . os
()
()
( ) 1 ( os sin )
s
p ss
g M ss ss p ss
e Al c
K
khiển thích nghi ta cần xác định các tham số của mô hình bằng phương pháp nhận
dạng, sau đó sẽ thực hiện bài toán thiết kế bộ điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
12
Chƣơng 2
NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 . Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển
2.1.1. Định nghĩa nhận dạng
Nhận dạng là phương pháp thực nghiệm nhằm xác định một mô hình cụ thể
trong các lớp mô hình thích hợp đã cho trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào/ra.[1].
Yêu cầu với mô hình tìm được là phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất.
2.1.2. Phân loại phương pháp nhận dạng [2]
a. Nhận dạng theo dạng mô hình sử dụng
Chúng ta phân ra các phương pháp như nhận dạng hệ phi tuyến/tuyến tính,
liên tục/gián đoạn, trên miền thời gian/tần số, nhận dạng mô hình không tham số/có
tham số, nhận dạng mô hình rõ/mờ. Trong đó, hai loại mô hình được ứng dụng phổ
biến nhất đó là mô hình tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc không có trễ, có hoặc
không có dao động, có hoặc không có thành phần tích phân) là những dạng thực
dụng nhất.
b. Theo dạng tín hiệu thực nghiệm
Chúng ta có nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động. Nhận dạng được gọi
là chủ động nếu tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích. Đây là phương
pháp tốt nhất nếu thực tế cho phép. Nếu hệ thống đang vận hành ổn định, không
cho phép có sự can thiệp nào gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, ta sử dụng
các số liệu vào ra trong quá trình vận hành. Đó là phương pháp nhận dạng bị
động. Số liệu thu được phản ánh hệ thống ở chế độ xác lập, mang ít thông tin
cần thiết cho việc điều khiển.
c. Nhận dạng theo cấu trúc
1 , 1 , , ,
N
Z u y u N y N
(2.1)
Ta cần nhận dạng mô hình toán học của hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
14
Giả sử quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống rời rạc có thể được
mô tả bởi phương trình sai phân:
1 1 0
1 1
na nb
a y t na a y t y t b u t nb bu t b u t
(2.2)
Đặt vector tham số mô hình cần xác định là:
10
[ b b ]
T
na nb
aa
(2.3)
Và vecto hồi quy :
( ) [ ( 1) ( ) ( ) u( )]
T
t y t y t na u t t nb
(2.4)
Nên ta có thể viết:
^
()
i
yt
là giá trị tính toán được từ quá trình nhận dạng.
1
1 1 2 1 1
1 2 1 2 2
2
12
()
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
()
. . . .
. . . .
( ) ( ) ( )
()
T
n
T
n
T
N N n N
N
t
t t t
t t t
t
(2.9)
Ước lượng tham θ trở thành giải bài toán tìm nghiệm tối ưu để cực tiểu hóa hàm
V( ,t )
N
argmin[( ) ( )]
T
(2.10)
Do Φ không phụ thuộc vào θ nên phương trình trên có nghiệm chính xác khi
Nn
và
T
là ma trận đối xứng không âm, nó không suy biến khi
()
= n tức là
()
có
đủ hạng cột. Ta có nghiệm θ của là nghiệm của phương trình:
1*
0 ( ) 0
()
()
T T T
TT
TT
V
(2.11)
Trong đó
T T T T T
E E E E
(2.14)
Trong đó: λ là kỳ vọng của nhiễu.
Với mô hình ARX đơn biến:
Đối với các mô hình gián đoạn ta có một phương pháp mô tả rất thuận lợi, đó
là sử dụng toán tử dịch tiến (kí hiệu q) và toán tử dịch lùi (kí hiệu
1
q
). Với một tín
V( ,t ) ( ) ( )
T
N
Copyright: Tài liệu đại học ©