Nghiên cứu bộ điều khiển PID kết hợp thuật toán NSGA-II cho cơ cấu chuyển động thẳng với độ chính xác micron

• 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
• 2.10. 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
• 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
• 5.3. Khảo sát chuyển vị của bàn dao
• 5.4. Điều khiển mô hình bàn dao bằng thuật toán PID
• 5.5. Mô hình điều khiển và thu tập dữ liệu
• 5.6. 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 về Nghiên cứu bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA II

Nghiên cứu bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA-II cho cơ cấu chuyển động micron là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điều khiển hiện đại. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao như gia công cơ khí. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa bộ điều khiển này để đạt được độ chính xác ở mức micron là một thách thức lớn. Thuật toán NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) đã được áp dụng để tìm ra các thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển và giảm thiểu sai số trong quá trình hoạt động.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu bộ điều khiển PID

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, yêu cầu về độ chính xác trong gia công cơ khí ngày càng cao. Các sản phẩm cần đạt được dung sai rất nhỏ, thường là ở mức micron. Bộ điều khiển PID truyền thống không đủ khả năng đáp ứng yêu cầu này, do đó, việc nghiên cứu và tối ưu hóa bộ điều khiển PID là cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.2. Tổng quan về thuật toán NSGA II trong tối ưu hóa

NSGA-II là một thuật toán di truyền mạnh mẽ, được sử dụng để giải quyết các bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Thuật toán này giúp tìm ra các giải pháp tối ưu mà không chỉ tập trung vào một mục tiêu duy nhất, mà còn cân nhắc đến nhiều yếu tố khác nhau. Việc áp dụng NSGA-II trong tối ưu hóa bộ điều khiển PID cho phép tìm ra các thông số Kp, Ki và Kd một cách hiệu quả.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển cơ cấu chuyển động micron

Điều khiển cơ cấu chuyển động micron gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc đạt được độ chính xác cao. Các yếu tố như hiện tượng trễ phi tuyến (hysteresis) của cơ cấu chấp hành áp điện Piezo và các sai số trong quá trình điều khiển đều ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc điều khiển chính xác vị trí của cơ cấu chuyển động là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm trong gia công cơ khí.

2.1. Hiện tượng trễ phi tuyến trong cơ cấu chấp hành

Hiện tượng trễ phi tuyến (hysteresis) là một trong những vấn đề lớn trong điều khiển cơ cấu chấp hành áp điện. Hiện tượng này làm cho chuyển vị không chỉ phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà còn phụ thuộc vào chuyển vị trước đó, gây ra sai số trong quá trình điều khiển.

2.2. Sai số trong quá trình điều khiển và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Sai số trong quá trình điều khiển có thể dẫn đến việc sản phẩm không đạt yêu cầu về độ chính xác. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn làm tăng chi phí sản xuất do phải thực hiện lại các công đoạn gia công.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA II

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA-II bao gồm các bước như xác định mô hình hệ thống, thiết lập các tiêu chí tối ưu hóa và áp dụng thuật toán NSGA-II để tìm ra các thông số tối ưu cho bộ điều khiển. Việc sử dụng phần mềm MATLAB hỗ trợ cho quá trình mô phỏng và kiểm chứng kết quả.

3.1. Xác định mô hình hệ thống và tiêu chí tối ưu hóa

Mô hình hệ thống cần được xác định rõ ràng để có thể áp dụng thuật toán tối ưu hóa. Các tiêu chí tối ưu hóa bao gồm độ chính xác, thời gian đáp ứng và độ ổn định của hệ thống.

3.2. Ứng dụng thuật toán NSGA II trong tối ưu hóa bộ điều khiển

Thuật toán NSGA-II được áp dụng để tìm ra các thông số Kp, Ki và Kd của bộ điều khiển PID. Quá trình này bao gồm việc tạo ra quần thể các giải pháp, đánh giá và chọn lọc các giải pháp tốt nhất để tiến hành lai ghép và đột biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA-II đã đạt được độ chính xác cao trong việc điều khiển cơ cấu chuyển động micron. Các thí nghiệm thực tế đã chứng minh rằng bộ điều khiển này có thể giảm thiểu sai số và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Việc áp dụng bộ điều khiển này trong gia công cơ khí đã mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Kết quả thực nghiệm và so sánh với các phương pháp khác

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA-II có hiệu suất vượt trội so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm được cải thiện rõ rệt.

4.2. Ứng dụng trong gia công cơ khí và lợi ích đạt được

Việc áp dụng bộ điều khiển PID tối ưu hóa trong gia công cơ khí đã giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu thời gian gia công. Điều này không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tăng cường khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu bộ điều khiển PID

Nghiên cứu bộ điều khiển PID tối ưu hóa bằng NSGA-II đã mở ra hướng đi mới cho việc điều khiển các cơ cấu chuyển động micron. Kết quả đạt được cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong các ứng dụng công nghiệp. Tương lai của nghiên cứu có thể hướng đến việc phát triển các thuật toán tối ưu hóa mới và cải tiến hơn nữa hiệu suất của bộ điều khiển.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và ý nghĩa

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng việc tối ưu hóa bộ điều khiển PID bằng NSGA-II có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong điều khiển cơ cấu chuyển động micron. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành gia công cơ khí.

5.2. Hướng nghiên cứu tương lai và phát triển công nghệ

Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán tối ưu hóa mới, cũng như ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp hơn. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo.