Luận văn thạc sĩ về bộ điều khiển PID và thuật toán NSGA II trong điều khiển cơ cấu chuyển động

• Tác giả: Hồ Minh Chính
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Huy Tuân
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Bộ Điều Khiển PID Kết Hợp NSGA II Cho Cơ Cấu Chuyển Động Chính Xác
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan
• 1.3. Các kết quả nghiên cứu nước ngoài
• 1.4. Các kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.6. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
• 1.6.1. Nhiệm vụ đề tài
• 1.6.2. Giới hạn đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo
• 2.2. Lịch sử ra đời của vật liệu áp điện Piezo
• 2.3. Ứng dụng vật liệu áp điện Piezo
• 2.4. Nguyên lý hoạt động vật liệu áp điện Piezo
• 2.5. Hiện tượng trễ phi tuyến (Hysteresis)
• 2.6. Bộ điều khiển PID liên tục
• 2.7. Bộ điều khiển PID số
• 2.8. Hệ thống điều khiển rời rạc. Bộ điều khiển PID số
• 2.9. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID theo Ziegler Nichol 2
• 2.10. Thuật toán Di truyền Genetic Algorithm
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan mô hình
• 3.2. Cấu tạo mô hình thí nghiệm bàn dao
• 3.3. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu ăn dao
• 3.4. Các thành phần thiết bị trong mô hình thực nghiệm
• 3.5. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo
• 3.6. Cơ cấu đàn hồi/mềm
• 3.7. Driver điều khiển cơ cấu chấp hành Piezo. Cảm biến vị trí bàn dao
• 3.8. Bộ chuyển đổi cảm biến vị trí
• 3.9. Mạch thu thập dữ liệu và điều khiển STM32F407Discovery
• 3.10. Mạch khuếch đại điện áp
• 3.11. Mạch chuyển đổi tín hiệu dòng áp
• 3.12. Mạch chuyển UART sang USB
• 3.13. Mô hình toán hệ thống
• 3.14. Khối khuếch đại
• 3.15. Khối cơ cấu chấp hành áp điện PZT
• 3.16. Khối cơ cấu mềm
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 4.1. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler Nichol 2
• 4.2. Thiết kế bộ điều khiển PID bằng thuật toán tối ưu hóa GA
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM
• 5.1. Khảo sát chuyển vị của Piezo khi không tải
• 5.2. Khảo sát chuyển vị piezo khi kết nối cơ cấu mềm. Khảo sát chuyển vị của bàn dao
• 5.3. Điều khiển mô hình bàn dao bằng thuật toán PID
• 5.4. Mô hình điều khiển và thu tập dữ liệu
• 5.5. Thực nghiệm bộ điều khiển PID từ thuật toán GA
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Nghiên cứu bộ điều khiển PID kết hợp với NSGA II nhằm điều khiển cơ cấu chuyển động chính xác là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điều khiển tự động. Đặc biệt, trong bối cảnh gia công cơ khí hiện đại, yêu cầu về độ chính xác ngày càng cao, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như bộ điều khiển PID và thuật toán NSGA II trở nên cần thiết. Bộ điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển tự động, giúp duy trì độ chính xác trong quá trình hoạt động của các hệ thống cơ khí. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID để đạt được hiệu suất tối ưu vẫn là một thách thức lớn. NSGA II là một thuật toán di truyền mạnh mẽ, có khả năng tối ưu hóa đa mục tiêu, giúp cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển PID trong các ứng dụng thực tế.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong ngành gia công cơ khí, việc đạt được độ chính xác cao trong các sản phẩm là một yêu cầu thiết yếu. Các phương pháp gia công truyền thống thường gặp khó khăn trong việc duy trì độ chính xác ở mức micron. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển mới, như việc kết hợp bộ điều khiển PID với NSGA II, là rất cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của các cơ cấu chuyển động mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ điều khiển.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo là một trong những công nghệ tiên tiến được sử dụng trong các hệ thống điều khiển hiện đại. Hiệu ứng áp điện cho phép các vật liệu này chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học với độ chính xác cao. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn trong việc sử dụng cơ cấu chấp hành áp điện là hiện tượng trễ phi tuyến (hysteresis), có thể gây ra sai số trong quá trình điều khiển. Để khắc phục vấn đề này, việc áp dụng bộ điều khiển PID được tối ưu hóa bằng thuật toán NSGA II là một giải pháp khả thi. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số Kp, Ki và Kd của bộ điều khiển PID có thể giúp giảm thiểu sai số và cải thiện hiệu suất của hệ thống.

2.1. Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong các hệ thống tự động. Nó hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỷ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D). Mỗi thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh phản hồi của hệ thống. Tuy nhiên, việc thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển PID để đạt được hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng cụ thể là một thách thức lớn. Nghiên cứu này sẽ áp dụng thuật toán NSGA II để tìm ra các thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống điều khiển.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong đề tài này bao gồm việc thu thập và phân tích tài liệu liên quan đến bộ điều khiển PID và thuật toán NSGA II. Các thí nghiệm thực nghiệm sẽ được thực hiện để khảo sát đặc tính chuyển vị của cơ cấu chấp hành áp điện. Đồng thời, mô hình hóa hệ thống sẽ được thực hiện bằng phần mềm MATLAB để kiểm chứng các kết quả thu được. Việc áp dụng thuật toán NSGA II trong tối ưu hóa bộ điều khiển PID sẽ được thực hiện thông qua các bước cụ thể, từ việc xác định các thông số đầu vào cho đến việc đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển sau khi tối ưu hóa.

3.1. Mô hình hóa hệ thống

Mô hình hóa hệ thống là một bước quan trọng trong nghiên cứu này. Việc xây dựng mô hình chính xác cho cơ cấu chuyển động và bộ điều khiển PID sẽ giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Sử dụng phần mềm MATLAB, các mô hình sẽ được thiết lập để mô phỏng hành vi của hệ thống trong thực tế. Kết quả từ mô hình sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để xác định độ chính xác và hiệu suất của bộ điều khiển PID được tối ưu hóa bằng NSGA II.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng thuật toán NSGA II trong tối ưu hóa bộ điều khiển PID đã mang lại những cải thiện đáng kể về độ chính xác và hiệu suất của cơ cấu chuyển động. Các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển PID tối ưu hóa có khả năng duy trì độ chính xác ở mức micron, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng trong gia công cơ khí. Những kết quả này không chỉ khẳng định tính khả thi của phương pháp nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ điều khiển trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Đánh giá hiệu suất

Đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển PID tối ưu hóa là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các chỉ tiêu như độ chính xác, thời gian phản hồi và khả năng ổn định của hệ thống sẽ được phân tích kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy rằng bộ điều khiển PID tối ưu hóa không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian phản hồi, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống điều khiển.