Luận Văn Thạc Sĩ: Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Thích Nghi Nhờ Suy Luận Mờ Và Ứng Dụng Cho Hệ Truyền Động Có Khe Hở

• Tác giả: Nguyễn Thị Kiều Trang
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Thu Hà
• Trường học: Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi bằng suy luận mờ ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
• 1.1. Đặc điểm chung của hệ truyền động
• 1.2. Đặc điểm của hệ truyền động
• 1.3. Các yêu cầu nâng cao chất lượng của hệ truyền động
• 1.4. Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở
• 1.5. Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở như một khâu backlash
• 1.6. Bù khe hở bằng mô hình ngược
• 1.7. Tổng quan về các bộ điều khiển
• 1.7.1. Bộ điều khiển PID
• 1.7.2. Phương pháp Ziegler-Nichols
• 1.7.3. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
• 1.7.4. Phương pháp tổng T của Kuhn
• 1.7.5. Phương pháp tối ưu độ lớn
• 1.7.6. Phương pháp tối ưu đối xứng
• 1.7.7. Điều khiển mờ
• 1.7.7.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh
• 1.7.7.2. Bộ điều khiển mờ động
• 1.7.8. Điều khiển thích nghi
• 1.7.8.1. Hệ mờ lai và hệ mờ thích nghi
• 1.7.8.1.1. Hệ mờ lai
• 1.7.8.1.2. Bộ điều khiển mờ thích nghi
• 1.7.8.2. Chỉnh định thích nghi PID nhờ suy luận logic mờ
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG
• 2.1. Hệ truyền động qua bánh răng
• 2.2. Giới thiệu chung
• 2.3. Một số yêu cầu về cơ khí đối với hệ truyền động bánh răng
• 2.4. Biện pháp cơ học làm giảm sai số khi gia công bánh răng
• 2.5. Xây dựng mô hình toán tổng quát
• 2.6. Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng
• 2.7. Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi và moment ma sát
• 2.8. Mô hình toán ở chế độ khe hở (dead zone)
• 2.9. Mô hình tổng quát
• 2.10. Mô tả hệ ở chế độ xác lập
• 2.11. Mô hình toán ở chế độ xác lập
• 2.12. Mô phỏng trên MatLab
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ
• 3.1. Mô hình xấp xỉ tuyến tính không liên tục của hệ truyền động bánh răng
• 3.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID theo lý thuyết kinh điển
• 3.3. Xác định theo phương pháp Zigeler-Nichols
• 3.4. Phương pháp tổng T của Kuhn
• 3.5. Xác định tham số theo bộ điều khiển mờ lai
• 3.5.1. Theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka
• 3.5.2. Theo phương pháp Mallesham-Rajani
• 3.6. So sánh giữa các phương pháp điều khiển
• 3.7. Kết luận chung
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về bộ điều khiển PID và suy luận mờ

Bộ điều khiển PID là một công cụ phổ biến trong hệ thống điều khiển tự động, được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản và hiệu quả. Suy luận mờ là một phương pháp điều khiển dựa trên logic mờ, giúp xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn. Kết hợp PID thích nghi với suy luận mờ mang lại khả năng điều chỉnh thông số PID một cách linh hoạt, phù hợp với các hệ truyền động có khe hở. Phương pháp này giúp cải thiện chất lượng điều khiển, giảm sai số và tăng độ ổn định của hệ thống.

1.1. Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính: khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khâu P giúp giảm sai số hiện tại, khâu I loại bỏ sai số tích lũy, và khâu D dự đoán xu hướng sai số trong tương lai. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID truyền thống gặp khó khăn khi áp dụng cho các hệ thống phi tuyến như hệ truyền động có khe hở. Điều này dẫn đến nhu cầu phát triển PID thích nghi để tự động điều chỉnh thông số dựa trên tình trạng hệ thống.

1.2. Suy luận mờ

Suy luận mờ là một phương pháp điều khiển dựa trên logic mờ, mô phỏng cách con người ra quyết định trong các tình huống không chắc chắn. Nó sử dụng các tập mờ và quy tắc mờ để xử lý thông tin đầu vào và đưa ra quyết định điều khiển. Suy luận mờ đặc biệt hiệu quả trong việc điều khiển các hệ thống phi tuyến và phức tạp, như hệ truyền động có khe hở. Khi kết hợp với bộ điều khiển PID, suy luận mờ giúp tự động điều chỉnh các thông số PID để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

II. Hệ truyền động có khe hở và thách thức điều khiển

Hệ truyền động có khe hở là một hệ thống phức tạp với các đặc điểm phi tuyến và không chắc chắn. Khe hở trong hệ thống gây ra hiện tượng trễ và dao động, làm giảm độ chính xác và ổn định của hệ thống. Điều khiển hệ truyền động có khe hở đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến để bù đắp các ảnh hưởng của khe hở và đảm bảo chất lượng điều khiển.

2.1. Đặc điểm của hệ truyền động có khe hở

Hệ truyền động có khe hở thường bao gồm các cơ cấu cơ khí như bánh răng, đai truyền động, và các khớp nối. Khe hở xuất hiện do sự mài mòn, lắp ráp không chính xác hoặc biến dạng vật liệu. Khe hở gây ra hiện tượng trễ trong truyền động, làm giảm độ chính xác và gây ra dao động không mong muốn. Điều này đặt ra thách thức lớn cho việc thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

2.2. Thách thức trong điều khiển hệ truyền động có khe hở

Điều khiển hệ truyền động có khe hở đòi hỏi các phương pháp điều khiển phi tuyến để bù đắp ảnh hưởng của khe hở. Các phương pháp điều khiển truyền thống như bộ điều khiển PID thường không đủ hiệu quả do không thể xử lý được tính phi tuyến và không chắc chắn của hệ thống. Do đó, việc kết hợp PID thích nghi với suy luận mờ được xem là một giải pháp tiềm năng để cải thiện chất lượng điều khiển.

III. Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi bằng suy luận mờ

Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi bằng suy luận mờ là một phương pháp tiên tiến nhằm cải thiện hiệu suất của hệ truyền động có khe hở. Phương pháp này sử dụng suy luận mờ để tự động điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID dựa trên tình trạng hiện tại của hệ thống. Kết quả là hệ thống đạt được độ chính xác cao hơn, ổn định hơn và giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực của khe hở.

3.1. Mô hình hóa hệ thống

Để thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi, cần xây dựng mô hình toán học chính xác của hệ truyền động có khe hở. Mô hình này bao gồm các yếu tố như moment ma sát, độ đàn hồi của vật liệu, và đặc điểm của khe hở. Mô hình hóa giúp hiểu rõ hơn về động lực học của hệ thống và là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

3.2. Ứng dụng suy luận mờ trong điều khiển PID

Suy luận mờ được sử dụng để tự động điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID dựa trên tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống. Các quy tắc mờ được xây dựng dựa trên kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn, giúp bộ điều khiển thích nghi linh hoạt với các thay đổi của hệ thống. Kết quả là hệ thống đạt được chất lượng điều khiển cao hơn, đặc biệt trong các tình huống phức tạp và không chắc chắn.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi bằng suy luận mờ đã được áp dụng thành công trong việc điều khiển hệ truyền động có khe hở. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp này giúp giảm thiểu sai số, tăng độ ổn định và cải thiện chất lượng điều khiển. Phương pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất, chế tạo máy và tự động hóa.

4.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển PID thích nghi bằng suy luận mờ đạt được độ chính xác cao hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống. Hệ thống ổn định nhanh hơn, giảm thiểu dao động và sai số trong quá trình điều khiển. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến và phức tạp.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Phương pháp này đã được áp dụng trong các hệ thống truyền động công nghiệp, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Bộ điều khiển PID thích nghi bằng suy luận mờ có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điều khiển hiện có, mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật đáng kể.