Đặt vấn đề Hệ thống quạt gió cánh phẳng (QGCP) là một hệ thống khí động học, hệ có tính phi tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu, vì vậy hệ quạt gió cánh phẳng là đối tượng rất tốt để nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp. Mô tả hệ thống Mục tiêu điều khiển của hệ thống QGCP là ổn định góc đặt của cánh phẳng bằng luồng không khí thổi từ quạt gió. Cấu trúc của hệ thống khí động học quạt gió cánh phẳng bao gồm: - Quạt gió. - Mạch điều khiển.
- Thiết bị được giao tiếp,điều khiển và giám sát bằng máy tính thông qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab. - Bộ nguồn một chiều Hình 1.1:Hệ thống quạt gió cánh phẳng tại phòng thí nghiệm bộ môn Đo lƣờng Điều khiển – Khoa Điện tử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Quạt gió - Được điều khiển bằng động cơ một chiều, điện áp 0-24VDC, dòng điện 0.2: Động cơ quạt gió cánh phẳng b. Cánh phẳng Hình 1.3: Cánh phẳng - Tấm nhôm hình chữ nhật có bản lề với 2 trụ kim loại thẳng đứng, góc cánh phẳng từ :00 – 200.
Sensor đo góc - Là 1 biến trở 5V,có chức năng đo góc của cánh phẳng, trong đó 10 tương ứng 0.4: Sensor đo góc 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Mạch công suất và giao tiếp máy tính 8 1 2 1 5 1 3 3 3 7 2 1 1 3 3 3 3 4 6 2 1 1 3 Hình 1.5: Mạch điều 3 khiển Bao gồm: 1. Điện áp vào lấy từ bộ nguồn có điện áp ± 15V 2. PIC16F877A là vi mạch có hai chức năng : Nhận tín hiệu điện áp từ sensor đo góc để đọc ADC và điều khiển tốc độ động cơ quạt gió bằng phương pháp PWM.
Max232 đây là vi mạch chuyển đổi 2 chiều giữa tín hiệu RS232 (của cổng COM) mức điện áp 10V và tín hiệu TTL (của PIC) mức điện áp 0-5V. IC ổn áp LA 7805 5. IC ổn áp LA7812 6. Chân cắm nối với sensor đo góc của lá nhôm 7.
Chân cắm giao tiếp với cổng COM của máy tính 8. Chân cắm điều khiển quạt gió Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Bộ nguồn một chiều 1 2 Hình 1.6: Bộ nguồn một chiều 1. Điện áp xoay chiều đầu vào 220V- 50Hz 2.
Điện một chiều đầu ra ± 15V f. Cáp kết nối với cổng COM máy tính Hình 1.7: Cáp kết nối máy tính g. Sơ đồ điều khiển Máy tính Đối tƣợng Góc đặt BĐK QGCP ( ) Hình 1.8: Sơ đồ điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Nguyên lý hoạt động Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống QGCP Đối tượng quạt gió cánh phẳng được giao tiếp, điều khiển và giám sát bằng máy tính thông qua cổng COM, sử dụng phần mềm Matlab.
Khi ta đặt giá trị góc đặt trên máy tính, từ bộ điều khiển tín hiệu điều khiển sẽ được đưa tới đối tượng QGCP : mạch điều khiển điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ quạt gió (điều chỉnh tốc độ quạt) làm cánh phẳng đạt góc đặt cho trước. Đáp ứng đầu ra là góc cánh phẳng được đo bởi Sensor đo góc, giá trị góc này lại được đưa trở lại mạch điều khiển và phản hồi về chương trình điều khiển trên máy tính, tại đây sai lệch giữa giá trị góc đặt và góc phản hồi được đưa tới bộ điều khiển,hệ thống sẽ điều chỉnh cho sai lệnh này về 0 bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt gió để đảm bảo góc cánh phẳng luôn đạt giá trị đặt. Quá trình trên được lặp đi lặp lại liên tục để điều khiển ổn định góc cánh phẳng theo giá trị đặt trước. Cơ sở xây dựng và nhận dạng mô hình động lực học QGCP [8] Ta có mô hình động lực học QGCP và sơ đồ khối của mô hình như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.10: Biểu diễn quá trình động lực học của QGCP Trong đó: Góc : góc giữa cánh phẳng và trục thẳng đứng Mg : trọng lượng của cánh phẳng (kể cả đối trọng) C : trọng tâm của hệ.
P: Áp suất tác động lên cánh phẳng Các khoảng cách IM, IP,L1,L2 xác định như hình vẽ .11: Sơ đồ khối của mô hình Mô hình được chia làm ba phần: Khối quạt gió biểu diễn dưới dạng: d (t ) T1 (t ) K1V (t ) C1 dt (1.1) T1: Hằng số thời gian K1: Hệ số khuyếch đại ở trạng thái xác lập. C1: Hằng số điều kiện đầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 10 Khối động học dòng khí: Diễn tả quan hệ giữa vận tốc dòng khí Ω và áp suất khí đập lên cánh phẳng. Khi Ω thay đổi, có hai yếu tố cần tính đến : Sự trễ chuyển động của cánh phẳng, dòng khí chuyển động xoáy bên dưới và xung quanh cánh phẳng. Ta coi khâu này gồm trế dịch chuyển, một dạng phi tuyến căn bậc hai và động lực học phụ thuộc hướng.
Khối biểu thị quan hệ giữa Ψ và P. Xem cánh phẳng là con lắc vật lý. Mô hình động lực học cánh phẳng : d2 d J MglM sin b PAl p cos (1.2) dt 2 dt Từ phân tích cấu trúc vật lý, theo tài liệu [8] ta có hàm truyền của đối tượng QGCP là: ( s) K1 e 2 s .3) V ( s) 1 T1s Js 2 bs ( M g lM cos ss Pss Al p sin ss ) Đây là mô hình tuyến tính hóa, trong đó bỏ qua sự xoáy của dòng khí gây ra dao động của cánh (thành phần động học không thể mô hình được) nên có sự sai lệch giữa mô hình (1.3) và mô hình thật, các tham số mô hình thay đổi theo chế độ làm việc và luôn chịu tác động của nhiễu. Ngoài ra, mô hình (1.3) có cấu trúc phức tạp có các tham số khó đo đạc, không thích hợp cho việc tổng hợp và điều khiển bằng máy tính.
Do vậy để có thể tổng hợp và điều khiển hệ thống QGCP trên máy tính ta cần thực hiện nhận dạng hệ thống điều khiển, từ đó xây dựng mô hình toán học của hệ thống QGCP trên cơ sở số liệu vào/ra thực nghiệm. Kết luận chƣơng 1 Chương này luận văn trình bày về cấu trúc của hệ thống khí động học QGCP. Mô tả các thiết bị, nguyên lý làm việc của hệ thống. Đây là hệ có tính phi tuyến mạnh và rất nhạy đối với tác động của nhiễu ,do vậy bài toán đặt ra ở đây là phải xây dựng bộ điều khiển thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng; thỏa mãn tính thích nghi khi tham số thay đổi và bền vững với nhiễu.
Với mục tiêu trên cần tìm được thuật toán, thiết kế và cài đặt chương trình điều khiển (dùng máy tính là chức năng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 11 của bộ điều khiển và quan sát thông qua cáp kết nối với cổng COM) để tạo ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở đo vị trí góc quay cánh phẳng qua sensor đo góc.3) là mô hình tuyến tính hóa, trong đó bỏ qua sự xoáy của dòng khí gây ra dao động của cánh (thành phần động học không thể mô hình được) nên có sự sai lệch giữa mô hình (1.3) với mô hình thật. Ngoài ra, các tham số mô hình thay đổi theo chế độ làm việc và luôn chịu tác động của nhiễu. Để thiết kế và cài đặt hệ điều khiển thích nghi ta cần xác định các tham số của mô hình bằng phương pháp nhận dạng, sau đó sẽ thực hiện bài toán thiết kế bộ điều khiển. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 12 Chƣơng 2 NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.
Cơ sở lý thuyết về nhận dạng hệ thống điều khiển 2. Định nghĩa nhận dạng Nhận dạng là phương pháp thực nghiệm nhằm xác định một mô hình cụ thể trong các lớp mô hình thích hợp đã cho trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào/ra. Yêu cầu với mô hình tìm được là phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất. Phân loại phương pháp nhận dạng [2] a.
Nhận dạng theo dạng mô hình sử dụng Chúng ta phân ra các phương pháp như nhận dạng hệ phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, trên miền thời gian/tần số, nhận dạng mô hình không tham số/có tham số, nhận dạng mô hình rõ/mờ. Trong đó, hai loại mô hình được ứng dụng phổ biến nhất đó là mô hình tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc không có trễ, có hoặc không có dao động, có hoặc không có thành phần tích phân) là những dạng thực dụng nhất. Theo dạng tín hiệu thực nghiệm Chúng ta có nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động. Nhận dạng được gọi là chủ động nếu tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích.
Đây là phương pháp tốt nhất nếu thực tế cho phép. Nếu hệ thống đang vận hành ổn định, không cho phép có sự can thiệp nào gây ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, ta sử dụng các số liệu vào ra trong quá trình vận hành. Đó là phương pháp nhận dạng bị động. Số liệu thu được phản ánh hệ thống ở chế độ xác lập, mang ít thông tin cần thiết cho việc điều khiển.
Nhận dạng theo cấu trúc Theo cấu trúc ta có nhận dạng vòng kín và nhận dạng vòng hở. Nhận dạng vòng hở là phương pháp trong đó mô hình của đối tượng có thể nhận được trực tiếp trên cơ sở tiến hành thực nghiệm và tính toán với các tín hiệu vào ra của nó. Phương pháp này có nhược điểm là có khả năng đưa hệ thống đến trạng thái mất ôn định. Giải pháp thay thế đó chính là nhận dạng vòng kín.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 13 Nhận dạng vòng kín có được bằng cách đưa vào một vòng phản hồi đơn giản, giúp duy trì sự ổn định của hệ thống 2. Các phương pháp nhận dạng [2] Nhận dạng mô hình không tham số: Phân tích đáp ứng quá độ và phân tích tương quan. Phân tích đáp ứng tần số. Phân tích Fourier.
Phân tích phổ. Nhận dạng mô hình có tham số: Phương pháp bình phương tối thiểu: - Mô hình AR - Mô hình ARX - Mô hình ARMAX Phương pháp sai số dự báo. Phương pháp biến phụ. Phương pháp không gian con.
Nhận dạng mô hình có tham số - Phương pháp bình phương tối thiểu - Mô hình ARX [2] Cho hệ thống có tín hiệu vào là u(t), tín hiệu ra là y(t).
