Điều khiển thích thích có phối hợp luật hiệu chỉnh bổ sung nhằm nâng cao chất lượng hệ thống

Đặng Ngọc Trung<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 88(12): 175 - 180<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN THÍCH THÍCH CÓ PHỐI HỢP LUẬT HIỆU CHỈNH BỔ SUNG<br /> NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG<br /> Đặng Ngọc Trung*<br /> Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Các đối tượng có tham số thay đổi trong quá trình làm việc như lò điện trở, lò hồ quang… thường<br /> rất khó đạt được chất lượng mong muốn nếu chỉ sử dụng các bộ điều khiển kinh điển thông<br /> thường. Bài báo này trình bày một phương pháp sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo luật MIT có<br /> kết hợp khâu hiệu chỉnh bổ sung để điều khiển chúng.<br /> Từ khóa: Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song.<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Các dây truyền sản xuất hiện đại như công<br /> nghệ lò điện trở, lò hồ quang.... thì trong quá<br /> trình vận hành do điều kiện môi trường thay<br /> đổi liên tục nên ít nhiều các tham số vận hành<br /> của đối tượng cũng thay đổi theo và không<br /> theo quy luật nhất định nào. Chính vì vậy các<br /> bộ điều khiển kinh điển không còn phù hợp<br /> để có thể chỉnh định một cách linh hoạt tìm ra<br /> bộ tham số điều khiển tối ưu nữa.<br /> Trong trường hợp đó các bộ điều khiển kinh<br /> điển thông thường không thể thỏa mãn yêu<br /> cầu chất lượng đề ra vì thế chúng ta cần<br /> nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện<br /> đại để điều khiển chúng. Một trong các<br /> phương pháp đó mà bài báo này đề xuất đến<br /> đó là ứng dụng bộ điều khiển thích nghi theo<br /> mô hình mẫu song song để điều khiển đối<br /> <br /> tượng. Tuy đã đáp ứng được khả năng linh<br /> hoạt về sự cập nhất thông tin để tìm ra bộ<br /> thông số điều khiển tối ưu cho hệ thống,<br /> nhưng điều đó là chưa đủ vì dải làm việc của<br /> bộ điều khiển thích nghi còn hạn chế trong<br /> một số trường hợp. Chính vì thế bài báo còn<br /> đưa ra thêm khâu hiệu chỉnh bổ sung cho các<br /> trường hợp không mong muốn.<br /> XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN<br /> THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU<br /> SONG SONG<br /> Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống với bộ<br /> điều khiển thích nghi<br /> Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển thích<br /> nghi được mô tả như hình 1. Trong đó các<br /> thông số của bộ điều chỉnh được hiệu chỉnh<br /> nhờ mạch vòng ngoài.<br /> Ra của mô hình ym<br /> <br /> Mô hình mẫu<br /> <br /> Sai số<br /> <br /> Mạch vòng ngoài<br /> Cơ cấu<br /> thích nghi<br /> <br /> Tín hiệu<br /> chủ đạo<br /> <br /> Đối tượng<br /> <br /> Bộ điều khiển<br /> Mạch vòng trong<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 175<br /> <br /> (+)<br /> <br /> ()<br /> <br /> Tín hiệu<br /> ra<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Đặng Ngọc Trung<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> Hình 1. Điều khiển theo mô hình mẫu<br /> <br /> 88(12): 175 - 180<br /> <br /> *<br /> <br /> Đặt bài toán.<br /> Giới thiệu hệ thống điều khiển trên phòng thí nghiệm<br /> <br /> Mô hình mẫu<br /> <br /> y<br /> <br /> U<br /> <br /> y<br /> Bộ điều chỉnh<br /> <br /> Đối tượng<br /> <br /> (+)<br /> <br /> <br /> <br /> ()<br /> <br /> Cơ cấu<br /> thích nghi<br /> <br /> Hình 2. Cấu trúc mô hình mẫu song song<br /> <br /> *<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 176<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Đặng Ngọc Trung<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 8<br /> <br /> T<br /> <br /> x<br /> <br /> 9<br /> n<br /> <br /> 7<br /> <br /> X<br /> <br /> 6<br /> <br /> Y<br /> <br /> 5<br /> 1<br /> 0<br /> 1<br /> 1<br /> <br /> 4<br /> 3<br /> <br /> 3<br /> <br /> 2<br /> 1<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> Hình 3. Hệ thống điều khiển trên phòng<br /> thí nghiệm<br /> <br /> 88(12): 175 - 180<br /> <br /> Trong đó:<br /> 1. Máy bơm li tâm.<br /> 2. Van điều chỉnh lưu lượng<br /> 3. Van từ tự động để lấy tín hiệu<br /> nhiễu.<br /> 4. Van điều chỉnh lưu lượng nhiễu.<br /> 5. Van điều khiển<br /> 7. Đồng hồ đo lưu lượng<br /> 8. Khối điều khiển<br /> 9. Máy tính<br /> 10. Điện trở nhiệt.<br /> 11. Bình đựng nước chứa 2sensor nhiêt.<br /> 12. Van tháo nước<br /> X: Tín hiệu chấp hành<br /> Y: Tín hiệu điều khiển<br /> n: Tín hiệu nhiễu<br /> Tmax: Tín hiệu điều khiển an toàn.<br /> *) Khối điều khiển 8 gồm: Bộ biến đổi<br /> xoay chiều xoay chiều 1 pha, nhằm cung<br /> cấp điện áp cho điện trở nhiệt, việc điều<br /> chỉnh góc mở của các Thyristor được thực<br /> hiện nhờ IC thuật toán TCA780 và bộ điều<br /> khiển, ngoài ra còn có các khâu đo lường,<br /> khuếch đại tín hiệu.<br /> <br /> * Đối tượng điều khiển:<br /> Theo sơ đồ cấu tạo của hệ thống ta thấy nước<br /> chứa trong bình (12) được gia nhiệt bởi một<br /> điện trở nhiệt. Nguồn cung cấp cho nó được lấy<br /> từ lưới điện xoay chiều một pha và được chỉnh<br /> lưu qua bộ biến đổi xoay chiều – 1 chiều.<br /> Vấn đề ở trong bài báo này là với các thông<br /> số của hệ thống đã có sẵn trong phòng thí<br /> nghiệm ta dùng bộ điều khiển thích nghi để<br /> thay thế cho bộ điều khiển kinh điển đã có để<br /> điều khiển và mô phỏng nhằm cải tạo và nâng<br /> cao chất lượng hệ thống.<br /> Nhận dạng đối tượng điều khiển nhiệt điện trở<br /> có hàm truyền:<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> G(s)=<br /> <br /> b<br /> 20s  12s<br /> 2<br /> <br /> Trong đó: - b là tham số thay đổi theo thời<br /> gian trong quá trình làm việc.<br /> -<br /> <br /> Y(s) đầu ra của đối tượng<br /> <br /> -<br /> <br /> U(s) đầu vào của đối tượng<br /> <br /> Nội dung bài toán<br /> Bài toán đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển<br /> thích nghi sao cho hàm truyền đạt của đáp<br /> ứng vòng kín của hệ thống thể hiện theo hàm<br /> truyền đạt mong muốn:<br /> <br /> 177<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Đặng Ngọc Trung<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Sai số của hệ thống vòng kín:<br /> y  ymcủa(4)<br /> Từ phương trình số (3) suy ra độnhạy<br /> sai<br /> số theo hệ số k:<br /> <br /> Y (s)<br /> 1<br /> Gm ( s )  m<br /> <br /> U c ( s) 20s 2  12s  1<br /> <br /> k<br /> <br /> Cơ cấu<br /> hiệu chỉnh<br /> <br /> u<br /> c<br /> <br /> u=k(uc - y)<br /> <br /> y<br /> <br /> u<br /> <br /> Quá trình mong muốn<br /> <br /> G(s) = b/(20s +12s)<br /> <br /> Đối tượng<br /> <br /> Với các bộ điều khiển kinh điển trước đây thì<br /> việc cập nhật hệ số khuếch đại k của bộ điều<br /> khiển mỗi khi tham số b của đối tượng thay đổi<br /> trong quá trình làm việc là không thể. Do đó với<br /> cấu trúc điều khiển thích nghi như trên có thể<br /> đáp ứng được nhiệm vụ đảm nhiệm hệ thống ổn<br /> định trong một dải thay đổi rộng của b.<br /> GIẢI THUẬT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN<br /> Hàm truyền đạt vòng hở của quá trình:<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Trong đó p là toán tử vi phân d/dt<br /> Bộ điều khiển với luật điều khiển:<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Với uc là tín hiệu kích thích đầu vào dạng<br /> xung vuông lưỡng cực có biên độ thay đổi<br /> được và tần số 0.01Hz.<br /> <br />  (20 p  12 p  1) y  bk (uc  y )<br /> 2<br /> <br /> bk<br /> uc<br /> (20 p  12 p  bk )<br /> 2<br /> <br />  b(20 p 2  12 p)<br /> <br />   ' ( y  ym ) <br /> u (6)<br /> 2<br /> 2 c<br />  (20 p  12 p  bk ) <br /> Trong biểu thức (6) do hệ số b thay đổi trong<br /> quá trình điều khiển nên ta chưa thể xác định<br /> ngay được hệ số khuếch đại k được. Do đó<br /> phải sử dụng phép xấp xỉ để loại bỏ đi hệ số<br /> chưa biết này.<br /> <br /> Ym ( s )<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> U c ( s ) 20s  12s  1<br /> <br />   20s 2  12s  1 Ym ( s )  U c ( s )<br />   20 p 2  12 p  1 ym  uc<br /> <br /> (7)<br /> <br /> Khi hàm truyền đạt của hệ thống đạt tới hàm<br /> truyền đạt mong muốn thì khi đó từ (3) và<br /> (7) ta có:<br /> <br />  20 p<br /> <br /> 2<br /> <br />  12 p  1 ym  uc<br /> <br /> tương đương với phương trình:<br /> <br />  20 p<br /> <br /> Thay (2) vào (1) ta được:<br /> <br /> y<br /> <br /> dk<br /> <br />   ' <br /> dt<br /> k<br /> <br /> Gm ( s ) <br /> <br />  (20s 2  12s)Y ( s)  bU ( s)<br /> <br /> u  k (uc  y)<br /> <br /> (5)<br /> <br /> Xuất phát từ hàm truyền mong muốn của<br /> hệ kín:<br /> <br /> Y (s)<br /> b<br /> <br /> 2<br /> U ( s) 20s  12s<br /> <br />  (20 p 2  12 p) y  bu<br /> <br /> <br /> b(20 p 2  12 p)<br /> <br /> uc<br /> k (20 p 2  12 p  bk ) 2<br /> <br /> Theo luật MIT, luật cập nhật hệ số k như sau:<br /> <br /> Gm(s)=1/(20s2+12s+1)<br /> <br /> Hình 4. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống với bộ<br /> điều khiển thích nghi<br /> <br /> G( s) <br /> <br />  b(20 p 2  12 p  bk )  b 2k<br /> <br /> uc<br /> k<br /> (20 p 2  12 p  1  bk ) 2<br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> Bộ điều khiển<br /> <br /> 88(12): 175 - 180<br /> <br /> 2<br /> <br />  12 p  bk  ym  bkuc<br /> <br /> Điều đó ta hiểu rằng bk = 1, thay vào (6) ta<br /> có:<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 178<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Với  = ’b đặc trưng cho độ hội tụ của y về ym.<br /> Tuy nhiên qua giải thuật này ta đã 2 lần áp<br /> dụng phép xấp xỉ chính vì vậy sẽ ảnh hưởng<br /> đến chất lượng hệ thống, do vậy việc lựa chọn<br />  = ’b sẽ rất quan trọng và trong trường hợp<br /> này bộ điều khiển chỉ cho phép hệ thống làm<br /> việc ổn định khi nằm trong một giới hạn nào<br /> đó. Mặt khác từ (8) ta còn thấy độ hội tụ của<br /> k tỉ lệ với bình phương của biên độ tín hiệu<br /> đầu vào uc , đây là hiệu ứng không mong<br /> muốn sẽ gây ra sự mất ổn định khi đầu vào<br /> thay đổi. Do đó ta sẽ sử dụng luật hiệu chỉnh<br /> bổ sung:<br /> <br /> dk<br /> k<br />  <br /> (9)<br /> 2<br /> dt<br />   <br />  tùy<br /> Trong đó:  là mộ số<br />  ý nhỏ không đáng<br />  k <br /> kể đưa vào mẫu của (9) tránh làm cho mẫu số<br /> bằng 0 và:<br /> <br /> 88(12): 175 - 180<br /> <br /> Hình 5. Mô phỏng điều khiển thích nghi hệ thống<br /> trên matlab-simulink<br /> <br /> Kết quả mô phỏng hệ thống khi chưa có<br /> khâu hiệu chỉnh bổ sung<br /> + Khi cho giá trị của b thay đổi<br /> Dieu khien thich nghi theo luat MIT<br /> 1.5<br /> Y(t)<br /> Ym<br /> 1<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> Dap ung dau ra Y(t)<br /> <br />  (20 p 2  12 p)<br /> <br /> dk<br />    ( y  ym ) <br /> u (8)<br /> 2<br /> 2 c<br /> dt<br />  (20 p  12 p  1) <br /> <br /> 0<br /> <br /> -0.5<br /> <br /> Dieu khien thich nghi theo luat MIT<br /> 1.5<br /> Y(t)<br /> Ym<br /> <br /> -1<br /> <br /> 1<br /> -1.5<br /> <br /> Dap ung dau ra Y(t)<br /> <br />  b(20 p 2  12 p) <br /> dk<br />   ' ( y  ym )  2<br /> u<br /> 2 c<br /> dt<br />  ( p  5 p  1) <br /> <br /> 0<br /> <br /> 100<br /> <br /> 200<br /> <br /> 300<br /> 400<br /> 500<br /> 600<br /> 700<br /> Thoi gian mo phong (s)<br /> Ket qua mo phong ung voi b = 0.1<br /> <br /> 100<br /> <br /> 200<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> 800<br /> <br /> 900<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 0<br /> <br /> -0.5<br /> <br /> -1<br /> <br /> -1.5<br /> <br /> 0<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> Dieu khien<br /> theo luat<br /> 300<br /> 400 thich<br /> 500 nghi600<br /> 700MIT800<br /> Thoi gian mo phong (s)<br /> Ket qua mo phong ung voi b = 10<br /> <br /> 900<br /> <br /> 1000<br /> <br /> Y(t)<br /> Ym<br /> <br /> 1<br /> <br /> Dap ung dau ra Y(t)<br /> <br /> Đặng Ngọc Trung<br /> <br /> <br /> (20 p  12 p)<br /> <br /> uc<br /> k (20 p 2  12 p  1) 2<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> 0<br /> <br /> -0.5<br /> <br /> 2<br /> <br /> -1<br /> <br /> -1.5<br /> <br /> (20 p  12 p)<br /> <br /> uc<br /> (400 p 4  480 p 3  184 p 2  24 p  1)<br /> <br /> 0<br /> <br /> 100<br /> <br /> 200<br /> <br /> 2<br /> <br /> SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ<br /> THỐNG TRÊN MATLAB-SIMULINK VÀ<br /> KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH<br /> NGHI THEO LUẬT MIT<br /> Sơ đồ mô phỏng trên matlab-simulink<br /> <br /> 300<br /> 400<br /> 500<br /> 600<br /> 700<br /> Thoi gian mo phong (s)<br /> Ket qua mo phong ung voi b =200<br /> <br /> 800<br /> <br /> 900<br /> <br /> 1000<br /> <br /> Kết luận: Nhận thấy bô điều khiển thích nghi<br /> thực sự đã đáp ứng được khi giá trị b thay đổi,<br /> tuy nhiên đến một giá trị nào đó thì độ ổn<br /> định của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng.<br /> + Khi thay đổi giá trị của tín hiệu đầu vào Uc:<br /> TH1: Khi Uc =  0.1V<br /> Dieu khien thich nghi theo luat MIT<br /> 0.15<br /> <br /> Y(t)<br /> Ym<br /> <br /> Dap ung dau ra Y(t)<br /> <br /> 0.1<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> 0.05<br /> <br /> 0<br /> <br /> -0.05<br /> <br /> -0.1<br /> <br /> 179<br /> 0<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> 100<br /> <br /> 200<br /> <br /> 300<br /> <br /> 400<br /> 500<br /> 600<br /> Thoi gian mo phong (s)<br /> <br /> 700<br /> <br /> 800<br /> <br /> 900<br /> <br /> 1000<br /> <br />