Chương 1: Tổng quan các phương pháp thiết kế hệ thống tự động Chương 2: Lý thuyết Đại số gia tử và phương pháp thiết kế bộ điều khiển Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho hệ thống truyền động bám chính xác Trên cơ sở các kết quả đạt đƣợc trong chƣơng 2 và 3, luận án xây dựng mô hình thí nghiệm kiểm chứng các kết quả lý thuyết đã đạt đƣợc. Kết quả thể hiện bằng lập trình mô phỏng trên MATLAB và kiểm chứng bằng thí nghiệm trên mô hình hệ truyền động chính xác tại phòng thí nghiệm Điện - Điện tử - Trƣờng ĐHKT Công nghiệp. kết luận và kiến nghị Kết luận: Luận văn đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và đánh giá theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng sai lệch. Phƣơng pháp thiết kế đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và thí nghiệm cụ thể.
Điều này càng chứng tỏ khả năng ứng dụng của bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp. Nghiên cứu thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử trên các đối tƣợng vật lý cụ thể khác đặc biệt là các hệ thống có độ tuyến tính cao. Nghiên cứu chế tạo và tích hợp bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trên các chip VI sử lý và đƣa vào sử dụng trong thực tế. Xây dụng bộ công cụ để bổ xung vào Toolbook của Matlap về đại số gia tử để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống.
4 CHƢƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG Ngày nay, các hệ thống tự động có mặt rất nhiều trong đời sống và trong sản xuất hàng hóa. Sự phát triển hệ thống tự động trên thế giới đã đạt đƣợc nhiều thành quả và đã có nhiều tiến bộ. Điều khiển tự động đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau, đƣợc nhiều ngƣời đóng góp sức lực giải quyết nhiều bài toán từ thực hành đến lý thuyết, phát minh và chế tạo ra nhiều hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp. Chỉ riêng điều khiển các hệ tuyến tính đã chiếm khoảng 20 năm cho các nhà nghiên cứu điều khiển để đƣa ra phƣơng pháp thiết kế điều khiển nhƣ hiện nay.
Muốn tổng hợp một hệ thống điều chỉnh tự động ta phải nghiên cứu đặc tính của đối tƣợng điều chỉnh và nguyên lý tác động của máy điều chỉnh. Các đặc tính của đối tƣợng điều chỉnh xem nhƣ tồn tại khách quan không phụ thuộc vào ý muốn của con ngƣời. Việc nghiên cứu các đặc tính của đối tƣợng điều chỉnh đã đƣợc học trong giáo trình nhận dạng. Nhiệm vụ của máy điều chỉnh(Bộ điều khiển) là phải tạo ra đƣợc tín hiệu điều chỉnh u theo một quy luật nào đó và đƣợc gọi là quy luật điều chỉnh nhằm đảm bảo chất lƣợng của quá trình điều chỉnh.
Quy luật điều chỉnh là sự mô tả có tính toán học mối liên hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào cuả máy ĐC viết dƣới dạng u=f(e). Các quy luật điều chỉnh đƣợc chia làm 3 loại chính là: +Quy luật điều chỉnh vị trí +Quy luật điều chỉnh liên tục +Quy luật điều chỉnh xung số Ngoài ra còn có các luật điều chỉnh theo logic mờ, mạng nơron , trí tuệ nhân tạo. … Quy luật điều chỉnh vị trí bao gồm điều chỉnh 2 vị trí, điều chỉnh 3 vị trí và 5 điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi. Điều chỉnh liên tục bao gồm: qui luật tích phân (I), tỷ lệ(P), quy luật tỷ lệ vi phân (PD); tỷ lệ tích phân (PI); tỷ lệ vi tích phân (PID).
Điều chỉnh xung số cũng có các quy luật nhƣ điều chỉnh liên tục nhƣng tín hiệu không đƣợc truyền đi liên tục. Trong thiết bị điều chỉnh xung còn có phần tử điều chế xung mà tham số của nó là chu kỳ xung T và hệ số điền đầy xung (, với thiết bị điều chỉnh số có thêm 1 tham số quan trọng nữa là chu kỳ lấy mẫu và quy luật của nó đƣợc mô tả bằng phƣơng trình sai phân (đã đƣợc nghiên cứu ở môn điều khiển số). Các luật điều chỉnh dựa theo logic mờ, mạng nơron , trí tuệ nhân tạo, đại số gia tử hiện nay đã và đang đƣợc tiến hành nghiên cứu; tuy nhiên việc thiết kế các hệ thống này phải dựa vào những hiểu biết căn bản của các quy luật điều chỉnh tuyến tính. Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp 1.
Điều khiển ổn định Nguyên tắc này giữ tín hiệu ra bằng một hằng số trong quá trình điều khiển a.Phương pháp điều khiển theo sai lệch Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣợc thành lập dựa trên sự sai lệch của lƣợng ra so với lƣợng vào: x(t) = f [ y(t) - u(t) ] Sơ đồ cấu trúc nhƣ sau: f(t) u(t) e(t) x(t) y(t) TBĐK ĐTĐK (-) TB đo lƣờng và chuyển đổi tín hiệu H1. Sơ đồ cấu trúc 6 Trong đó: TBĐK : Thiết bị điều khiển, có nhiệm vụ tác động lên đối tƣợng điều khiển theo một qui luật đặt sẵn trong thiết bị. ĐTĐK : Đối tƣợng cần điều khiển ( Cơ cấu chấp hành ), là tập hợp những phƣơng tiện kỹ thuật nhƣ máy móc, thiết bị, khí cụ.cần chịu những tác động nào đó để đạt đƣợc mục đích điều khiển đề ra. x(t) : Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng.
e(t) : sai lệch điều khiển f(t) : tín hiệu tác động từ bên ngoài b.Phương pháp điều khiển theo nhiễu loạn (bù nhiễu) Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣợc thành lập dựa trên tin tức về nhiễu loạn. Những hệ thống đƣợc xây dựng theo nguyên tắc này là những hệ thống hở (Không có liên hệ ngƣợc). Sơ đồ cấu trúc nhƣ sau: TBĐK TB 1 f(t) TB 2 x(t) y(t) ĐTĐK H1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hở Trong đó : TB 1 là thiết bị để đo nhiễu.
TB 2 là thiết bị để tạo ra tín hiệu điều khiển x(t).Phương pháp điều khiển thích nghi Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣợc thành lập dựa vào tất cả các yếu tố ảnh hƣởng đến đại lƣợng cần điều khiển. Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi : 7 Thiết bị phụ chính TT TPT TC TPĐ u(t) v(t) f(t) x(t) y(t) TBĐK ĐTĐK Hệ thống chính H1.3 Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi Trong đó: TPT : Thiết bị phân tích tín hiệu vào ( Xác định tính chất của tín hiệu vào VD tốc độ, gia tốc của tín hiệu vào. TPĐ : Thiết bị phân tích đối tƣợng ( Xác định đặc tính động học của đối tƣợng cấn điều khiển ). TT : Thiết bị tính toán ( Xác định phƣơng pháp biến đổi đặc tính của thiết bị điều khiển chính ).
TC : Thiết bị chấp hành (có nhiệm vụ chỉnh định thiết bị điều khiển theo các tín hiệu nhận đƣợc từ thiết bị tính toán ). v(t) : Là hàm tự chỉnh, nó là hàm đa tham số. Điều khiển theo chƣơng trình là hệ thống có lƣợng ra biến đổi theo một chƣơng trình định sẵn. Quy luật này đƣợc gọi là chƣơng trình điều khiển, nó có thể là quy luật biến đổi theo thời gian một cách liên tục hoặc rời rạc; hoặc là quy luật biến đổi theo không gian.
Các quy luật điều khiển đƣợc tạo nên do phần mềm điều khiển. Điều khiển tuỳ động Là hệ có lƣợng ra biến đổi theo đúng quy luật của lƣợng vào và lƣợng vào là hàm bất kỳ của không gian và thời gian hoàn toàn không biết trƣớc, để tạo ra hệ này phải gồm hai phần: - Hệ điều khiển theo chƣơng trình. - Thiết bị đo các đại lƣợng vật lý thực tế và gia công tạo chƣơng trình điều khiển đầu vào. Hệ thống tùy động thực chất là hệ thống ĐCTĐTĐĐ thực hiện điều khiển vị trí với lƣợng đặt trƣớc biến thiên tùy ý.
Hệ thống tùy động đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong thực tiễn. Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều khiển cơ cấu chấp hành bám sát chính xác đối với lƣợng đặt vị trí, đại lƣợng điều khiển (lƣợng đầu ra) thƣờng là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, khi lƣợng đặt thay đổi trong quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho đại lƣợng điều khiển bám sát và duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ cấu sản xuất theo yêu cầu. Lƣợng đặt trong hệ thống tùy động cũng nhƣ đại lƣợng điều khiển là vị trí (hay đại lƣợng điện đại diện cho vị trí), đƣơng nhiên có thể là chuyển vị góc, chuyển vị dài, vì thế hệ thống tùy động này gọi là hệ thống tùy động vị trí và buộc phải có phản hồi vị trí. Hệ thống tùy động vị trí là một hệ thống tùy động nghĩa hẹp, về nghĩa rộng mà nói, lƣợng đầu ra của hệ thống tùy động không nhất thiết phải là vị trí, mà có thể là các đại lƣợng khác, chẳng hạn nhƣ máy làm giấy, máy dệt nhiều trục sử dụng nhiều động cơ có thể coi là hệ thống tùy động đồng tốc, v.
Hệ thống tùy động nói chung cũng còn gọi là hệ thống bám. Các phƣơng pháp điều khiển 1. Điều khiển kinh điển Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là hàm truyền. Đặc điểm của phƣơng pháp này rất đơn giản và áp dụng thuận lợi cho hệ thống tuyến tính bất biến một ngõ vào, một ngõ ra, kỹ thuật thiết kế trong miền tần số.
Các phƣơng pháp phân tích và thiết kế hệ thống dựa trên đặc tính tần số: 9 biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode, bộ điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative). Điều khiển hiện đại Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phƣơng trình trạng thái. Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến, biến đổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra với kỹ thuật thiết kế trong miền thời gian, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái. - Điều khiển tối ƣu - Điều khiển bền vững - Điều khiển thích nghi - Điều khiển thích nghi bền vững 1.
Điều khiển thông minh Về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống. Đặc điểm của phƣơng pháp là việc mô phỏng, bắt chƣớc các hệ thống thông minh sinh học. Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin không chắc chắn, có khả năng học, có khả năng xử lý lƣợng lớn thông tin. Các phƣơng pháp thiết kế hệ thống: + Hệ mờ và logic mờ đã đƣợc sử dụng là một cách tiếp cận khá hiệu quả cho nhận dạng và điều khiển các hệ thống phi tuyến nhờ khả năng xấp xỉ của nó.
