Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------***-----------
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ Học viên: Nguyễn Tiến Dũng
Lớp: CH K10
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Ngày giao đề tài: 01/02/2009
Ngày hoàn thành: 31/07/2009
KHOA ĐT SAU ĐH CB HƯỚNG DẪN
PGS.TS Nguyễn Hữu Công
HỌC VIÊN
THÁI NGUYÊN 2009 Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: NGUYỄN VĂN HUỲNH
Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------***----------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ
NGUYỄN TIẾN DŨNG
....................................................................................................................... 1
.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu ......................... 10
....................................................................................................................... 1
.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị ............................................. 12
....................................................................................................................... 1
.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình ............................. 13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
....................................................................................................................... 1
.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. ................................................................ 13
....................................................................................................................... 1
.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. ............................................................................... 14
....................................................................................................................... 1
.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. ......................................................................... 16
....................................................................................................................... 1
.2.5. Phƣơng pháp tìm khi có nhiều điểm cực trị .............................................. 17
....................................................................................................................... 1
.2.6. Động học hệ cực trị .................................................................................. 17
....................................................................................................................... 1
.3. Kết luận chƣơng một ................................................................................... 19
1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi ...................................................................... 19
....................................................................................................................... 1
.3.2.Hệ cực trị. ................................................................................................. 20
....................................................................................................................... C
HƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ
LUYỆN CÁN THÉP ....................................................................................... 21
2.1 ...................................................................................................... Đặt vấn đề
........................................................................................................................ 21
2.2 ................................................. Vai trò của lò nung trong công nghệ cán thép
2.5.2.2 .................................................. Xác định tham số cho hàm truyền
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.6 ............... Tỷ lệ nhiên liệu, không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng
........................................................................................................................ 31
....................................................................................................................... 2
.7 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 34
....................................................................................................................... C
HƢƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...................................... 35
....................................................................................................................... 3
.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển................................. 35
3.1.1. ................................................................. Hệ thống điều khiển vị trí:
35
....................................................................................................................... 3
.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí ..................................................................... 35
3.1.1.2 ............................................................ Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:
36
....................................................................................................................... 3
.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : ........... 37
....................................................................................................................... 3
.1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến
tính .................................................................................................................. 40
....................................................................................................................... 3
.1.2.1 Xét hệ bậc hai ...................................................................................... 40
....................................................................................................................... 3
.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng có hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ
cao ................................................................................................................... 40
3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền ....................................................... 42
3.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 42
4.4.3. Nhận xét ………………………………………………………………... 83
4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 84
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 85
5.1. Kết luận …………………………………………………………………………. 85
5.2. Kiến nghị ……………………………………………………………………….. 86
TÓM TẮT …………………………………………………………………………… 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 88
23 Hình 2.1 Nhiệt độ lò nung phụ thuộc vào năng suất nung
24 Hình 2.2 Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t)
25 Hình 2.3 Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị
26 Hình 2.4 Đặc tính cực đại của lò đốt
28 Hình 3.1 Quy luật điều chỉnh hai vị
29 Hình 3.2 Quy luật điều chỉnh ba vị trí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
30 Hình 3.3 Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
31 Hình 3.4 Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
32 Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
33 Hình 3.6 Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lƣu lƣợng dầu
34 Hình 3.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc
35 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ
36 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
37 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc
38 Hình 3.11 Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
39 Hình 3.12 Mạch điện bộ phát lệnh
40 Hình 3.13 SW dùng IC 4066
41 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
42 Hình 3.15 Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
43 Hình 3.16 Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ
44 Hình 3.17 Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ
45 Hình 3.18 Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng
46 Hình 3.19 Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
47 Hình 3.20 Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
48 Hình 3.21 Sơ đồ các chân TCA785
49 Hình 3.22 Các khối chức năng của TCA785
50 Hình 3.23 Giản đồ điện áp của các chân TCA785
51 Hình 3.24 Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
0
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Tiến Dũng
Sinh ngày 11 tháng 8 năm 1982
Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trƣờng đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại
học Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có
đặc tính cực trị” do thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Công hƣớng dẫn là công trình
nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ
ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009
Tác giả luận văn
gian qua, tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần để tác
giả hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản
thân. Song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa nhiều, nên bản thuyết minh
không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vậy tác giả mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ của các
thầy cô, sự góp ý trân thành của bạn bè, đồng nghiệp.
Mọi sự góp ý xin gửi về: email:
Xin chân thành cảm ơn !
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ CỰC
TRỊ ............................................................................................................................. 11
1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi ............................. 11
1.1.1.Định nghĩa ..................................................................................................... 11
1.1.2.Phân loại ........................................................................................................ 11
1.1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi ............................................................ 13
1.2. Hệ cực trị ............................................................................................................. 13
1.2.1. Đối tƣợng có đặc tính cực trị ......................................................................... 13
1.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ ............................. 16
1.2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị ......................... 19
1.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu ........................... 19
1.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị............................................... 20
1.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình .................................. 22
1.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. .................................................................. 22
1.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. ................................................................................. 22
1.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. ........................................................................... 24
2.7 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 43
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................ 45
3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển ......................................... 45
3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí: ...................................................................... 45
3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí ...................................................................... 45
3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:................................................................... 46
3.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : ............. 47
3.1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính
............................................................................................................................... 50
3.1.2.1 Xét hệ bậc hai ........................................................................................ 50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
3.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng có hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ
cao ...................................................................................................................... 50
3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền ....................................................... 52
3.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 53
3.3. Mạch vòng ổn định lƣu luợng dầu ....................................................................... 54
3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc .............................. 55
3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc .......................... 55
3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ ..................................................................... 57
3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý ............................................................................. 59
3.4.3.1. Bộ phát lệnh........................................................................................... 59
3.4.3.2. Bộ ghi nhớ ............................................................................................. 62
3.4.3.3. Mạch so sánh ......................................................................................... 63
3.4.3.4. Động cơ chấp hành ................................................................................. 64
3.4.3.5. Mạch logic ............................................................................................. 66
3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành ............................................ 68
3.4.3.7 Sensor .................................................................................................... 76
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ
1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi
2 Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi
29 Hình 3.1 Quy luật điều chỉnh hai vị
30 Hình 3.2 Quy luật điều chỉnh ba vị trí
31 Hình 3.3 Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
32 Hình 3.4 Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
33 Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
34 Hình 3.6a Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lƣu lƣợng dầu
35 Hình 3.6.b Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc
36 Hình 3.7
Sai lệch
k
y
ở các vùng khác nhau trên đặc tính cực đại
37 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ
38 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
39 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc
40 Hình 3.11 Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
41 Hình 3.12 Mạch điện bộ phát lệnh
42 Hình 3.13 SW dùng IC 4066
43 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
44 Hình 3.15 Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
45 Hình 3.16 Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ
46 Hình 3.17 Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ
47 Hình 3.18 Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng
48 Hình 3.19 Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
49 Hình 3.20 Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
50 Hình 3.21 Sơ đồ các chân TCA785
51 Hình 3.22 Các khối chức năng của TCA785
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
MỞ ĐẦU
Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị
1. Tổng quan.
Hệ điều khiển thích nghi, tuỳ thuộc vào đối tƣợng là tuyến tính hay phi tuyến, nhất
là khi đặc tính tĩnh của hệ có cực trị (cực đại hay cực tiểu), mà ta có hệ cực trị và hệ
giải tích. Hệ giải tích đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu nhƣ xây dựng hệ giải
tích theo phƣơng pháp toán tử phụ; xây dựng hệ giải tích theo phƣơng pháp
Lyapunov… Tuy nhiên việc nghiên cứu hệ cực trị trong điều khiển thích nghi chƣa
đƣợc quan tâm nhiều, đề tài này sẽ tiếp tục nghiên nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống
điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị, ứng dụng cho một số đối tƣợng có đặc
tính cực trị.
Trong thực tế có nhiều đối tƣợng có đặc tính cực trị, nhƣ công nghệ cán thép, công
nghệ nung kính, gạch men, công nghệ ô tô, xe máy…
Ví dụ, trong công nghệ cán thép, việc nung phôi trƣớc khi đƣa vào máy cán sử dụng
dầu nặng FO. Hệ thống điều khiển tự động phối hợp giữa lƣợng dầu và không khí sao
cho hiệu quả nhất hiện nay chính là hệ cực trị. Với những nhà máy theo công nghệ cũ,
suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 52kg dầu/1 tấn sản phẩm (hệ thống cũ của nhà máy nán
cán Gia sàng); Với những nhà máy theo công nghệ mới, suất tiêu hao nhiên liệu
khoảng 30 - 35kg dầu/1 tấn sản phẩm (Thép Việt Öc). Với sản lƣợng thép của Việt
nam hiện nay khoảng 6 triệu tấn/ năm, vì vậy việc nghiên cứu khai thác hệ thống tự
động này là cấp bách và có ý nghĩa thực tế.
Hệ thống tự động này còn đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
a. Ý nghĩa khoa học.
Các hệ thống tự chỉnh có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Các hệ đơn
giản nhất, đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị có
Các hệ thống điều khiển cho đối tƣợng có đặc tính cực trị (cực đại hoặc cực tiểu),
cụ thể là công nghệ luyện cán thép tại một số nhà máy cán thép tại Thái Nguyên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
CHƢƠNG 1
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ CỰC TRỊ
1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi
.1. 1. Định nghĩa
Thích nghi là quá trình thay đổi thông số, cấu trúc của bộ điều khiển hay tác động
điều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích
đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu
cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi.
Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều
chỉnh trong mạch điều khiển nhằm hiện thực hay duy trì ở một mức độ nhất định chất
lượng của hệ khi thông số của quá trình không biết trước hay thay đổi theo thời gian.
Trong khoảng 50 năm gần đây, lý thuyết điều khiển thích nghi đã được được hình
thành như một môn khoa học, từ tư duy đã trở thành hiện thực nghiêm túc, từ cách giải
quyết những vấn đề cơ bản trở thành bài toán tổng quát, từ những vấn đề về sự tồn tại
và khả năng có thể giải quyết đến những ứng dụng có tính bền vững và chất lượng.
1.1.2. Phân loại
Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:
* Tuỳ vào đối tượng là phi tuyến hay không phi tuyến, nhất là khi đối tượng có đặc
tính cực trị (cực đại hay cực tiểu).
- Hệ cực trị: Ở hệ cực trị, bản thân đối tượng có cực tính cực đại hay cực tiểu đó
là lượng thông tin ban đầu có them được và trên cơ sở ấy hệ thống được tổng hợp giản
đơn hơn.
- Hệ giải tích: Ở hệ giải tích “cực trị của chất lượng” được hình thành gián tiếp
-Hệ tự tổ chức.
* Ngoài ra tuỳ theo phương pháp tổng hợp là tiền định hay thống kê mà ta có hệ
tiền định hay ngẫu nhiên, liên tục hay gián đoạn.
Copyright: Tài liệu đại học ©