Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, vấn đề tự động hóa sản

xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.

Những ứng dụng kỹ thuật tự động hóa trong công nghiệp ngày càng được phát triển để làm tăng năng suất của dây chuyền công nghệ, cải tiến chất lượng sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được vấn đề đó phải xét đến những hệ thống tự động hóa linh hoạt, chính xác, dễ điều khiển.
Trước những năm 1990, ở nước ta, việc ứng dụng kỹ thuật tự động hóa trong công nghiệp còn rất sơ khai. Trong những năm gần đây, nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập các dây chuyền tự động để lắp ráp linh kiện điện tử, thao tác hàn vỏ xe ô tô, xe máy, sơn phủ bề mặt, máy ép kim loại, đóng gói các chất phóng xạ nguy hiểm, Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý và vi tính, người ta đã tổng
hợp ra các hệ điều khiển rất phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển chính là máy tính có thêm các thiết bị ghép phối ADC và DAC. Các thuật toán điều khiển được tính toán theo các phương pháp ốt i ưu và thích nghi. Hơn nữa, trong những năm gần đây, xuất hiện nhiều công cụ phần mềm làm xúc tiến mạnh mẽ việc nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển tự động, trong đó phải kể đến phần mềm Matlab, là công cụ do MathWorks xây dựng nên. Đến năm 2008, phần mềm này đã có đến phiên bản 8.0.
Hiện nay, có nhiều nguyên tắc điều khiển chuyển động:

- Nguyên tắc điều khiển theo bù nhiễu

- Nguyên tắc điều khiển theo độ sai lệch

- Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo độ sai lệch và bù nhiễu

Vấn đề cần đạt đến là hệ thống hoạt động đơn giản, chất lượng, độ chính xác và độ ổn định cao.

Việc điều khiển chuyển động đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh

vực, đã được đăng tải trên nhiều sách báo và tài liệu. Các phương pháp điều khiển quỹ

đạo chuyển động chuẩn thường được thiết kế là điều khiển động lực học ngược, điều khiển động lực học ngược thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp, điều khiển thích nghi theo sai lệch, điều khiển kiểu trượt,

Nhằm đáp ứng được mục tiêu của luận văn là nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động, tôi đã phân tích cácưu nhược đi ểm của các phương pháp điều khiển chuyển động nói trên trong chương I, từ đó nhận thấy rằng phương pháp điều khiển trượt có những ưu điểm nổi bật hơn các phương pháp khác, nhưng vấn đề còn lại là phải khắc phục nhược điểm của phương pháp này là hiện tượng rung (chattering).

Mục tiêu của vấn đề cần nghiên cứu là với những ưu điểm của phương pháp điều khiển trượt, tìm cách khắc phục nhược điểm của nó bằng cách chọn thuật toán điều khiển ít phức tạp nhất để giảm tối đa vấn đề chattering của bộ điều khiển trượt mà sai lệch quỹ đạo và tính ổn định của hệ thống kín đã được minh chứng thông qua việc sử dụng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Phương pháp được thực hiện bằng việc nghiên cứu mô phỏng hệ thống trên Simulink của Matlab với quỹ đạo chuyển động, như vậy mới chứng minh được tính đúng đắn và khẳng định việc chọn luật điều khiển cho phương pháp điều khiển trượt đưa ra là đơn giản, đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và độ ổn định cao của hệ thống, đồng thời giảm nhỏ được hiện tượng chattering.

Chương I : Tổng quan hệ điều khiển chuyển động . Nội dung chương này nêu lên những phương pháp điều khiển chuyển động, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp và lựa chọn phương pháp điều khiển trượt làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài.

Chương II : Các phương pháp cải tiến chất lượng điều khiển trượt cho hệ điều khiển chuyển động Chương này nêu lên các phương pháp ãđđược nghiên cứu của các tác giả Y.J. Huang, M. Tomizuka, J.J.E. Slotine đã áp dụng phương pháp điều khiển trượt và các giải pháp để cải thiện chất lượng điều khiển, từ đó luận án nêu lên
phương pháp nghiên cứu bằng cách dùng phương pháp điều khiển trượt - mờ để cải

thiện chất lượng điều khiển trượt.

Chương III : Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một chiều. Trong chương này trình bày các thiết kế , kết quả mô phỏng để chứng minh lý thuyết mà luận v ăn đã nêu ở chương 2 là đúng đắn bằng cách chọn mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một chiều để khẳng định việc ứng dụng vào thực tế là hiện thực.
Kết luận : Nội dung chính của luận văn là nêu lên một phương pháp mới để nâng

cao chất lượng và cải thiện sai lệch vị trí hệ điều khiển trượt.

Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đến nay bản luận văn của em đã hoàn thành với kết quả tốt. Thành công này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. Đặc biệt là Thầy TS Võ Quang Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn em, đã hết lòng ủng hộ và cung cấp cho em những kiến thức hết sức quý báu. Em xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc.
Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có hạn nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được các ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự tạo điều kiện quan tâm của nhà trường! Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC

Mục lục 1 . 1

Danh mục hình vẽ và đồ thị . 4

Lời nói đầu .7

Chương một : Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động 10

1.1 Sơ lược về hệ điều khiển chuyển động .10

1.2 Các tính chất của hệ điều khiển chuyển động phi tuyến . .11

1.3 Các phương pháp điều khiển chuyển động đã được nghiên cứu

nhằm nâng cao chất lượng điều khiển bám chính xác . .12

1.3.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược . .12

1.3.2 Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi . 14

1.3.3 Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu .17

1.3.4 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp và trực tiếp .18

1.3.5 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch 21
1.3.6 Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control) 21

1.3.7 Phương pháp điều khiển mờ .22

1.3.7.1 Lý thuyết điều khiển mờ . 22
1.3.7.2 Định nghĩa tập mờ 22
1.3.7.3 Các phép toán trên tập mờ 23
1.3.7.4 Các luật mờ 24

1.3.7.5 Bộ điều khiển mờ 24
1.3.8 Điều khiển mờ trượt . 26
1.4 Kết luận và lựa chọn phương pháp điều khiển 26

1.5 Nguyên lý điều khiển trượt 27
1.6 Kết luận chương 1 34
1.6.1 Cơ sở lựa chọn và mục tiêu của đề tài 34
1.6.2 Phương pháp nghiên cứu . 34

1.6.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . 34

Chương hai : Phương pháp cải tiến chất lượng điều khiển trượt hệ điều khiển
chuyển động 36

2.1 Đặt vấn đề . 36
2.2 Phương pháp cải tiến chất lượng nâng cao độ chính xác hệ điều

khiển trượt . 36
2.2.1 Các giả thiết của hệ phi tuyến 37
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt 38

2.2.3 Các phương pháp thông thường để giảm chattering 42
2.2.3.1 Phương pháp lớp biên (Bounding layer method) 42

2.2.3.2 Phương pháp điều chỉnh độ rộng lớp biên 43
2.2.3.3 Phương pháp đề nghị của luận văn . 44

2.2.4 Tổng hợp bộ điều khiển trượt - mờ 46

2.2.4.1 Đặt vấn đề . 46
2.2.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển trượt mờ 46

2.3 Kết luận chương hai . 47

Chương 3 : Ứng dụng điều khiển trượt - mờ để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một chiều 48

3.1 Đặt vấn đề . 48
3.2 Cấu trúc hệ truyền động động cơ điện một chiều 48

3.2.1 Tiêu chuẩn môdul tối ưu 49
3.2.1 Tiêu chuẩn môdul đối xứng 50

3.3 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 50
3.3.1 Hàm truyền động cơ điện 50

3.3.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 56
3.3.3 Hàm truyền của máy phát tốc . 58

3.3.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 58

3.3.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, Rϕ . 58
3.3.5.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 59
3.3.5.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Rϕ 61
3.3.5.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí 63
3.4 Mô phỏng hệ thống truyền động với các bộ điều khiển trượt và điều khiển
trượt mờ 68
3.4.1 Các thông số động cơ điện một chiều kích từ độc lập . 68
3.4.2 Xây dựng bộ điều khiển trượt cho mạch vòng vị trí . . 69

3.4.3 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển 70
3.4.4 Xây dựng bộ điều khiển - mờ cho mạch vòng vị trí . 73

3.4.5 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển trượt mờ . 76
3.5 Nhận xét và kết luận chương ba . 79

Kết luận 80
Tài liệu trích dẫn và tham khảo 81