Luận Văn Thạc Sĩ Về Tự Động Hóa Điều Chỉnh Thông Số Bộ Điều Khiển Trượt

Luận văn thạc sĩ tự động hóa tập trung vào phương pháp tự động điều chỉnh thông số bộ điều khiển trượt, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp.

• Tác giả: Hứa Minh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Hùng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Tự động hóa điều chỉnh thông số bộ điều khiển trượt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ với chủ đề Tự động hóa điều chỉnh thông số bộ điều khiển trượt được thực hiện bởi Hứa Minh Tú tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP.HCM. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế giải thuật tự động điều chỉnh thông số lamda trong bộ điều khiển trượt (SMC), một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động. Mục tiêu chính là tối ưu hóa đáp ứng của hệ thống thông qua việc điều chỉnh tự động thông số lamda, thay vì phương pháp thủ công truyền thống.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn thạc sĩ là thiết kế một giải thuật tự động điều chỉnh thông số lamda trong bộ điều khiển trượt. Thông số lamda ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đáp ứng của hệ thống. Giải thuật được phát triển thông qua phần mềm MATLAB và kiểm chứng độ chính xác bằng mô phỏng trên các đối tượng điều khiển khác nhau. Nghiên cứu này hướng đến việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển, giảm thiểu thời gian và công sức trong quá trình điều chỉnh thủ công.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu dựa trên việc phân tích ảnh hưởng của thông số lamda đến đáp ứng hệ thống. Giải thuật được xây dựng dựa trên sai số xác lập trước và sau của hệ thống, cùng với độ dốc đặt trước. Qua đó, thông số lamda được điều chỉnh tự động để đạt được đáp ứng tối ưu. Phương pháp này giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào thực nghiệm thủ công, mang lại hiệu quả cao trong công nghệ tự động hóa.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển trượt (SMC) và ảnh hưởng của thông số lamda đến hệ thống. Bộ điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, sử dụng mô hình động lực học của đối tượng điều khiển. Thông số lamda là một hằng số trong công thức SMC, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đáp ứng của hệ thống. Nghiên cứu chỉ ra rằng, giá trị lamda càng nhỏ, đáp ứng hệ thống càng nhanh, nhưng nếu quá nhỏ sẽ dẫn đến đáp ứng chậm lại.

2.1. Giới thiệu bộ điều khiển trượt

Bộ điều khiển trượt (SMC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến, sử dụng mô hình động lực học của đối tượng điều khiển. Phương pháp này có ưu điểm là phù hợp với các mô hình phi tuyến cao, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm như hiện tượng chattering và yêu cầu phải biết trước đối tượng điều khiển. Luận văn thạc sĩ tập trung vào việc tối ưu hóa SMC thông qua điều chỉnh tự động thông số lamda.

2.2. Ảnh hưởng của thông số lamda

Thông số lamda trong bộ điều khiển trượt ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đáp ứng của hệ thống. Nghiên cứu chỉ ra rằng, giá trị lamda càng nhỏ, đáp ứng hệ thống càng nhanh, nhưng nếu quá nhỏ sẽ dẫn đến đáp ứng chậm lại. Luận văn thạc sĩ đề xuất giải thuật tự động điều chỉnh lamda để đạt được đáp ứng tối ưu, thay vì phương pháp thủ công truyền thống.

III. Thiết kế và mô phỏng

Chương này trình bày quá trình thiết kế, xây dựng giải thuật, mô phỏng và hiệu chỉnh bộ điều khiển. Giải thuật tự động điều chỉnh thông số lamda được phát triển dựa trên sai số xác lập trước và sau của hệ thống, cùng với độ dốc đặt trước. Giải thuật được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên các đối tượng điều khiển khác nhau, sử dụng phần mềm MATLAB. Kết quả mô phỏng cho thấy, giải thuật tự động điều chỉnh lamda mang lại đáp ứng tối ưu cho hệ thống.

3.1. Xây dựng giải thuật

Giải thuật tự động điều chỉnh thông số lamda được xây dựng dựa trên sai số xác lập trước và sau của hệ thống, cùng với độ dốc đặt trước. Giải thuật này giúp xác định giá trị lamda phù hợp để đạt được đáp ứng tối ưu. Luận văn thạc sĩ sử dụng phần mềm MATLAB để lập trình và kiểm chứng giải thuật, mang lại hiệu quả cao trong kỹ thuật điều khiển.

3.2. Mô phỏng và hiệu chỉnh

Giải thuật tự động điều chỉnh lamda được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên các đối tượng điều khiển khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy, giải thuật mang lại đáp ứng tối ưu cho hệ thống, giảm thiểu thời gian và công sức trong quá trình điều chỉnh thủ công. Luận văn thạc sĩ đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong ứng dụng tự động hóa.

IV. Kết quả và hướng phát triển

Chương này tổng hợp kết quả đạt được, những hạn chế và hướng phát triển của luận văn thạc sĩ. Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế giải thuật tự động điều chỉnh thông số lamda, mang lại đáp ứng tối ưu cho hệ thống. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế như độ phức tạp của giải thuật và yêu cầu phần cứng cao. Hướng phát triển trong tương lai là tối ưu hóa giải thuật và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.

4.1. Kết quả đạt được

Luận văn thạc sĩ đã thành công trong việc thiết kế giải thuật tự động điều chỉnh thông số lamda, mang lại đáp ứng tối ưu cho hệ thống. Giải thuật được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên các đối tượng điều khiển khác nhau, chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong kỹ thuật tự động hóa.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai là tối ưu hóa giải thuật và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Nghiên cứu cũng hướng đến việc giảm thiểu độ phức tạp của giải thuật và yêu cầu phần cứng, nhằm nâng cao tính ứng dụng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TONG QUAN 1. Dat van dé Điều khiển trượt được nghiên cứu đâu tiên bởi Emelyanov et al (1970) va sau đó được Itkis (1976) và Utkin (1977) phát triển lên. Phương pháp điều khiến trượt dùng trực tiếp mô hình động lực học phi tuyến cao của đối tượng điều khiển. Điều khiển trượt có nhiều ưu điểm như phù hop với các mô hình phi tuyến cao [4].

Tuy nhiên, điều khiến trượt van con những khuyết điểm như là phải biết trước được đối tượng, hiện tượng dao động quanh mặt trượt ( hiện tượng chattering )|4], còn nhiều hệ số cần phải thực nghiệm nhiều lần để tìm được gia tri mong muốn. Tuy nhiên hiện nay việc tối ưu bộ điều khiến trượt đã được sử dụng bằng nhiều cách, như điều chỉnh bằng thuật toán Gen, điều chỉnh bằng bộ điều khiển mờ [1], cũng có thé kết hợp với các bộ điều khác giúp loại bỏ các khuyết điểm của bộ điều khiến trượt như là kết hop mạng hopfile [3]. Nhưng việc điều chỉnh tự động thông số lamda của bộ điều khiến trượt vẫn còn là một đề tài mới chưa được thực hiện trước đây. Thông số lamda trong là một trong những thông số quan trọng của bộ điều khiển trượt nó ảnh hưởng lớn đối với đáp ứng của hệ thống.

Hiện nay thông số lamda của bộ điều khiển trượt điều chỉnh một cách rất thủ công do phải thực nghiệm nhiều lần qua mô phỏng hay thực tế mới tìm được thông số lamda thích hợp cho bộ điều khiển trượt. Chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài này dé tìm được thông số lamda một cách tự động và nhanh chóng. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Thanh Hùng Trang 4 2.

Tông quan về các nghiên cứu Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về về sự kết hợp điều khiển trượt với các phương pháp điều khiến khác dé tận dụng những ưu điểm của bộ điều khiến trượt và khắc phục những khuyết điểm của bộ điều khiến trượt dé có thé giải quyết những van dé đặt ra một cách tối ưu hơn. Tuy nhiên có rất ít nghiên cứu về việc điều chỉnh tự động thông số của bộ điều khiển trượt. - Trong bài báo [1], dựa trên SMC, bộ điều khiển mờ được tong hop boi tap luật điều khiển mờ. Mục tiêu điều khiển của bộ điều khiển được đưa ra đặc trưng hóa bởi luật ngôn ngữ trong luật điều khiển mờ.

Hàm thành viên trong luật điều khiển mờ được điều chỉnh theo một vài luật thích nghĩ cho mục tiêu bám theo của nhiệm vụ điều khiến. Hàm thành viên của phan trước thi được định nghĩa dé đảm bảo yêu cầu ồn định của hệ thống điều khiển. Trong bai báo nay, đáp ứng của SMC được dựa trên hệ thống điều khiển mờ thì được tổng hợp qua những giai đoạn sau: dau tiên, phát triển một luật thích nghi dé xấp xỉ hóa điều khiển tương đương của SMC; thứ hai, thêm vào giới hạn điều khiển dé đạt một hệ thống ổn định va dich trạng thái tự do hướng vào mặt trượt mong muốn; thứ ba, dựa tren nguyên lý của SMC, luật điều khiển mờ được mô phỏng: cuối cùng, áp dụng thuật toán gen học những hàm thành viên dé đạt được điều khiển mờ tối ưu. - Trong bài bao [2], kỹ thuật thích nghĩ mờ được đề cập trong bộ điều khiển trượt và được phát triển để đạt được độ bám theo bền vững của hệ thống phi tuyến, bộ điều khiến trượt chịu nhiều van dé như chattering và khuếch đại điều khiến cao.

Vì vậy, thích nghi mờ cho một bộ điều khiến trượt ( SMC ) thì được đưa ra dé giải quyết van dé. Có hai bộ ước lượng mờ được sử dụng, cách thứ nhất là độ đốc của bề mặt tuyến tính thì được cập nhật bởi bộ ước lượng mờ đầu tiên. Trong khi đó bộ ước lượng mờ thứ 2 điều chỉnh đáp ứng trạng thái của pha đến. Vì thế, bộ điều khiến trượt thích nghi mờ được đề cập trong bài báo này đưa hệ thống trạng thái để đạt được độ bền vững cao nhất.

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Thanh Hùng Trang 5 - Trong bao báo [3], tac gia giới thiệu một chế độ trượt được dựa trên điều khiến tuyến tính ngõ vào — ra thích nghi cho động cơ điện cảm ứng mà trong trường hop này nhiều van dé chưa biết như là moment tải, điện trở rotor. Một sự phối hợp đồng nhất như hệ thống phi tuyến được dựa trên mang Hopfield thi được đưa ra để giải quyết van dé, mà nó sẻ mô hình hóa những sai lệch thông số chưa biết giữa moment tải và điện trở rotor và những giá trị khác. Một trong những thông số đó thì được xác định, biên độ dòng điện và tốc độ motor thì được thì được điều khiển riêng biệt bởi SMC với bộ khuếch đại chuyển mạch biến đồi.

- Vọt lỗ là vân đề nghiêm trọng trong điều khiến quá trình công nghiệp. Bài báo này [7] giới thiệu một phương pháp mới cho việc loại bỏ độ vọt lỗ của của đáp ứng nat trong một hệ thống điều khiển PID thông thường bang việc nối tiếp bộ điều khiển trượt ở bên ngoài vòng lập.Ý tưởng chung là sử dụng nguyên tắc điều khiến nối tiếp dé mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID với hệ thống bậc 2 và kế đó sử dụng đặc tính của bộ điều khiến trượt dé đạt được độ bền vững, đáp ứng bậc cao được giảm xuống, và vì thé hạn chế độ vọt 16 của điều khién.Can cứ vững chắc của phương pháp trên thì được kiểm chứng qua mô phỏng một hệ thống phanh xe chịu sự bat 6n định phi tuyến cao. Từ những nghiên cứu trên cho thây rằng việc tối ưu bộ điều khiển trượt được thực hiện bằng nhiều cách, như kết hop với logic mờ để loại bỏ hiện tượng chattering của bộ điều khiến trượt, hay kết hợp với mạng hopfile để giải quyết khuyết điểm của bộ điều khiển trượt là phải biết trước đối tượng. Nhưng chưa có dé tài nào đưa ra phương pháp để điều chỉnh tự động thông số lamda của bộ điều khiển trượt.

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Thanh Hùng Trang 6 3. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu: Từ tổng quan dé tài nghiên cứu cho ta thấy có nhiều phương pháp dé tối ưu bộ điều khiển trượt. Đối với dé tai này, trước tiên ta phải tìm hiểu: - Tìm hiểu bộ điều khiển trượt.

- Tim các thông số liên quan của bộ điều khiến trượt ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ thống. - Tìm hiểu chỉ tiết ảnh hưởng của thông số lamda đối với đáp ứng của hệ thống. Từ đó, sử dụng các giải thuật kết hợp với phần mềm matlab để lập trình tạo ra một bộ điều khiển có thé tự động điều chỉnh thông số lamda của bộ điều khiến trượt một cách chính xác và nhanh chóng thay vì phải điều chỉnh băng tay nhiều lần. Cau trúc của luận van Chương trình bảy tổng quan Chương 2 trình bay cơ sở lý thuyết Chương 3 thiết kế, xây dựng giải thuật, mô phỏng và hiệu chỉnh bộ điều khiển Chương 4 kiểm tra lại bộ tự điều chỉnh thông số lamda qua các ví dụ Chương 5 kết quả đạt được, những hạn chế và hướng phát triển Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.

Trần Thanh Hùng Trang 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYET 1. Giới thiệu bộ điều kiến trượt ( SMC ): Ta xem xét hệ thống biểu diễn đưới dạng phương trình sau: x” = f(x) + b(x)u (2.1) Trong đó đại lượng vô hướng x là tin hiệu cần diéu khiển (vị trí, góc quay.), đại lượng vô hướng u là tín hiệu điều khiến đầu vào (điện áp, moment quay, lực tác dụng.x'””]Í là vecto trạng thái. Trong phương trình (2.1), ham ffx) (thông thường làphi tuyến) không biết chính xác, nhưng phạm vi sai lệch cua f(x) xác định dựa vào x. Tương tự,độ lợi điều khiến b(x) cũng không được biết chính xác, nhưng biết dấu và biết giới hạn suy từ x.

Bài toán đặt ra là điều khiến trạng thái của x bám theo biến đặt trước .x/ Yh Việc bám theo có thể thực hiện bang cách điều khiến tin hiệu 2, trạng thái ban dau *„(Ô) phải là: x4(0) = x(0) c2 2.2 Với x(0) là trang thái bắt dau của thiết bị. Cho X=x-x, là sai lệch chuyển động của biến x và gọi ¥ = (Xx. ]1a vector sai lệch chuyển động. Ngoài ra, ta định nghĩa bề mặt biến thiên theo thời gian s(ƒ) trong không gian trạng thái R” băng phương trình vô hướng s(#;/) = 0 trong đó: š š (2.3) d st) =(— s(x;f) CG +A) yx¥ Với A là một hang số dương, ví dụ nếu n= 2thì s=xX+AX, s là mức độ ảnh hưởng của sai lệch vị trí và sai lệch vận tốc.

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Trần Thanh Hùng Trang 8 Với điều kiện ban đầu (2.2) * =X, tương đương với trang thái giữ nguyên trên S(t) với mọi t > 0. Thật vậy, s = 0 mô tả một phương trình vi phân tuyến tính với nghiệm duy nhất là x = 0. Như vậy, bai toán chuyển về vector n chiều, *„thành bài toán giữ lượng vô hướng s bằng 0.

Bài toán chuyển động vector n chiều trên X, (tức bài toán chuyển động n bậc đối với x) có thé thay thé bởi bài toán 6n định bậc 1 đối với s.3) ta thay biểu thức của s chứa # nên chỉ cần lây vi phân của s một khi đầu vao u xuất hiện. Ngoài ra, giới hạn trên s có thé chuyển trực tiếp sang giới hạn trên vecto sai lệch chuyển động x và do đó dai lượng vô hướng s mô tả một sự đo lường tính năng chuyển động của hệ điều khiển. Cụ thé, giả sử răng X(0) = Ú (ảnh hưởng của điều kiện đầu khác 0 có thé được thêm vào X một cách tách biệt), chúng ta có: V/>0, s|<® > Vt> 0, xí (0) < (2A) ¢ (2.n-1 œ , Với & = am Thật vay, theo(2.3), sai lệch chuyên động zđạt được từ s thông qua d một dãy các bộ lọc bang thông thap bậc một, trong đó P = at la toan tu Laplace. prs pra pr+A ` n-l khối Hình 2.1 Tính giới hạn trên t ` tin His 3° ĐA > nhẤ s ¥(t)= le OS(T)aT ty Gọi y, là tín hiệu ra của bộ lọc thứ nhat, ta có: Jì W Từ 0 l|< ®, tao: (Os fe “a T = —U- ® e*) <— ® Luan van thac si GVHD: TS.

Tran Thanh Hung Trang 9 Chúng ta có thể lý luận tương tự như vậy cho bộ lọc thứ hai và cho đến đầu ra thứ œ n-l là Y„¡ = X. Ta được: | = 2m1 =€ ¬ a œ Tương tu, x la kết qua của day các khôi. Vừ kêt qua trước, z,| < qt trong do Z, là tín hiệu ra của bộ lọc thứ (n-i-1).