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.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành gia công cơ khí tại Việt Nam phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là gia công cắt gọt trên máy tiện và phay CNC, yêu cầu về độ chính xác sản phẩm ngày càng cao với dung sai đạt đến cỡ micron (10⁻³ mm). Tuy nhiên, các khớp nối truyền thống trong máy gia công như khớp bản lề, khớp tịnh tiến thường tồn tại khe hở gây sai số truyền động khoảng 10⁻³ mm, đồng thời lực ma sát làm tăng khe hở theo thời gian, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm. Để khắc phục, giải pháp sử dụng bàn ăn dao phụ với cơ cấu chấp hành áp điện Piezo kết hợp cơ cấu đàn hồi/mềm được đề xuất nhằm tạo chuyển động siêu tinh với độ phân giải cỡ micron, thay thế cho nguyên công mài truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ điều khiển PID vòng kín tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền NSGA-II để điều khiển chính xác chuyển vị bàn dao phụ máy tiện CNC với sai số cỡ micron. Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2018-2021 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với mô hình thí nghiệm bàn dao phụ sử dụng cơ cấu chấp hành Piezo PSA015 của hãng THORLABS và bộ điều khiển STM32F407DISCOVERY. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác gia công cơ khí, giảm thiểu sai số truyền động và tăng hiệu quả sản xuất trong ngành cơ điện tử và tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng áp điện Piezo: Vật liệu áp điện Piezo có khả năng biến dạng khi có điện áp đặt vào và ngược lại, tạo ra chuyển vị nhỏ cỡ micron. Tuy nhiên, đặc tính trễ phi tuyến (hysteresis) gây khó khăn trong điều khiển chính xác.

• Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Bộ điều khiển phổ biến trong tự động hóa, kết hợp ba thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân để điều chỉnh sai số hệ thống. Tuy nhiên, phương pháp chỉnh tham số truyền thống như Ziegler-Nichols không đáp ứng được yêu cầu sai số cỡ micron trong điều khiển cơ cấu Piezo.

• Thuật toán di truyền NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II): Thuật toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên học thuyết tiến hóa, được sử dụng để tìm bộ tham số PID tối ưu (Kp, Ki, Kd) nhằm giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: hiện tượng trễ phi tuyến hysteresis, mô hình toán học hệ thống cơ cấu chấp hành Piezo kết hợp cơ cấu đàn hồi, bộ điều khiển PID số, và thuật toán tối ưu hóa NSGA-II.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ mô hình thí nghiệm bàn dao phụ máy tiện CNC với các thiết bị chính gồm cơ cấu chấp hành Piezo PSA015 (hành trình 100 µm, độ phân giải 0.1 µm), cảm biến chuyển vị GT2-H12K, bộ driver MDT694A và board điều khiển STM32F407DISCOVERY. Dữ liệu chuyển vị được thu thập qua ADC của board STM32F407 và truyền về máy tính để phân tích.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô hình hóa toán học hệ thống dựa trên đặc tính cơ cấu chấp hành Piezo và cơ cấu đàn hồi/mềm.

• Thiết kế bộ điều khiển PID số với tham số được tối ưu bằng thuật toán NSGA-II trên phần mềm MATLAB.

• Thực nghiệm khảo sát chuyển vị bàn dao trong trạng thái không tải để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển.

Quá trình nghiên cứu kéo dài từ 2018 đến 2021, bao gồm các bước: thu thập dữ liệu, mô hình hóa, thiết kế và tối ưu bộ điều khiển, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính chuyển vị của cơ cấu chấp hành Piezo và cơ cấu đàn hồi: Qua khảo sát thực nghiệm, chuyển vị ngõ ra của cơ cấu đàn hồi tuyến tính với chuyển vị ngõ vào với hệ số khuếch đại khoảng 2 lần. Độ phân giải chuyển vị đạt 0.1 µm, hành trình tối đa 100 µm, lực tối đa 5000 N.

2. Hiện tượng trễ phi tuyến (hysteresis): Đặc tính chuyển vị của cơ cấu Piezo thể hiện rõ hiện tượng hysteresis, gây sai số và mất ổn định khi điều khiển vòng hở. Sai số truyền động do hysteresis có thể lên đến vài micron, vượt quá yêu cầu kỹ thuật.

3. Hiệu quả bộ điều khiển PID tối ưu bằng NSGA-II: Bộ điều khiển PID với tham số được tối ưu bằng thuật toán NSGA-II trên MATLAB giúp giảm sai số chuyển vị xuống dưới 1 µm, cải thiện độ ổn định và đáp ứng nhanh hơn so với phương pháp Ziegler-Nichols truyền thống. So sánh cho thấy sai số giảm khoảng 30-40% và thời gian ổn định giảm 20%.

4. Thực nghiệm mô hình bàn dao phụ: Kết quả thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm cho thấy chuyển vị bàn dao đạt độ chính xác cỡ micron, phù hợp với yêu cầu gia công siêu tinh. Đồ thị đáp ứng chuyển vị thể hiện sự tương đồng cao giữa mô hình toán và thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sai số truyền động là hiện tượng trễ phi tuyến hysteresis trong cơ cấu chấp hành Piezo, gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác. Việc ứng dụng thuật toán NSGA-II giúp tìm ra bộ tham số PID tối ưu, cân bằng giữa các mục tiêu như giảm sai số, tăng độ ổn định và giảm thời gian đáp ứng.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp chỉnh PID truyền thống hoặc các thuật toán tối ưu khác như PSO, giải pháp NSGA-II cho kết quả vượt trội về độ chính xác và ổn định. Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về điều khiển cơ cấu Piezo trong lĩnh vực gia công chính xác và y học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng chuyển vị so sánh giữa bộ điều khiển PID truyền thống và PID tối ưu NSGA-II, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu chất lượng như sai số cực đại, thời gian ổn định và độ ổn định hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển PID tối ưu NSGA-II trong các máy tiện CNC: Áp dụng bộ điều khiển này để nâng cao độ chính xác gia công, giảm sai số chuyển vị xuống dưới 1 µm, thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các đơn vị sản xuất máy CNC và phòng thí nghiệm tự động hóa thực hiện.

2. Phát triển hệ thống điều khiển số tích hợp vi xử lý STM32F407 hoặc tương đương: Tăng cường khả năng thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực, đảm bảo độ ổn định và phản hồi nhanh, hoàn thành trong 1 năm, do các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần cứng đảm nhiệm.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng thuật toán NSGA-II cho các cơ cấu chấp hành khác: Áp dụng cho các hệ thống điều khiển vị trí siêu chính xác trong y học, lắp ráp vi mạch, nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển, thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về điều khiển PID và thuật toán tối ưu hóa, giúp vận hành hiệu quả hệ thống điều khiển mới, thời gian 3-6 tháng, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật và nhà sản xuất thiết bị phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ điện tử và tự động hóa: Nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển vị trí chính xác, ứng dụng thuật toán tối ưu hóa trong thiết kế bộ điều khiển.

2. Các doanh nghiệp sản xuất máy công cụ CNC: Áp dụng giải pháp điều khiển PID tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm sai số gia công, tăng năng suất và độ tin cậy máy móc.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử, tự động hóa: Tham khảo tài liệu nghiên cứu về điều khiển PID, thuật toán di truyền NSGA-II và ứng dụng trong điều khiển cơ cấu chấp hành Piezo.

4. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ cao: Phát triển các ứng dụng điều khiển siêu chính xác trong y học, vi mạch, lắp ráp chính xác dựa trên nền tảng công nghệ Piezo và thuật toán tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PID là gì và tại sao cần tối ưu hóa tham số?
   Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển kết hợp ba thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân để điều chỉnh sai số hệ thống. Tối ưu hóa tham số giúp cải thiện độ chính xác, ổn định và thời gian đáp ứng, đặc biệt quan trọng khi điều khiển các cơ cấu có đặc tính phi tuyến như Piezo.

2. Thuật toán NSGA-II có ưu điểm gì trong tối ưu hóa bộ PID?
   NSGA-II là thuật toán tối ưu đa mục tiêu, giúp cân bằng giữa nhiều tiêu chí như giảm sai số và tăng độ ổn định. Thuật toán này hiệu quả trong không gian tham số lớn và phức tạp, phù hợp với bài toán điều khiển PID cho cơ cấu chuyển động micron.

3. Hiện tượng trễ phi tuyến (hysteresis) ảnh hưởng thế nào đến điều khiển?
   Hysteresis làm cho chuyển vị không chỉ phụ thuộc vào điện áp hiện tại mà còn vào lịch sử chuyển vị trước đó, gây sai số và mất ổn định khi điều khiển vòng hở. Do đó, cần bộ điều khiển vòng kín và tối ưu để bù trừ hiệu ứng này.

4. Mô hình thí nghiệm bàn dao phụ có đặc điểm gì nổi bật?
   Mô hình sử dụng cơ cấu chấp hành Piezo PSA015 với hành trình 100 µm, độ phân giải 0.1 µm, kết hợp cơ cấu đàn hồi/mềm khuếch đại chuyển vị. Hệ thống được điều khiển bằng board STM32F407DISCOVERY, cho phép thu thập dữ liệu và điều khiển chính xác.

5. Kết quả thực nghiệm có thể áp dụng trong thực tế như thế nào?
   Bộ điều khiển PID tối ưu giúp đạt độ chính xác chuyển vị cỡ micron, phù hợp cho gia công siêu tinh trên máy tiện CNC, giảm sai số truyền động và tăng chất lượng sản phẩm, có thể triển khai trong các nhà máy sản xuất cơ khí chính xác.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thiết kế và thực nghiệm thành công bộ điều khiển PID vòng kín tối ưu bằng thuật toán NSGA-II cho cơ cấu chuyển động bàn dao phụ với độ phân giải cỡ micron.
• Thuật toán NSGA-II giúp tìm bộ tham số PID tối ưu, giảm sai số chuyển vị xuống dưới 1 µm, cải thiện độ ổn định và thời gian đáp ứng so với phương pháp truyền thống.
• Mô hình thí nghiệm sử dụng cơ cấu chấp hành Piezo PSA015 và cơ cấu đàn hồi/mềm cho kết quả thực nghiệm phù hợp với mô hình toán học, chứng minh tính khả thi của giải pháp.
• Giải pháp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong gia công cơ khí chính xác, tự động hóa và các lĩnh vực yêu cầu điều khiển vị trí siêu chính xác.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế trên máy CNC, mở rộng nghiên cứu ứng dụng thuật toán tối ưu cho các cơ cấu khác và đào tạo nhân lực vận hành hệ thống.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực cơ điện tử, tự động hóa tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.