Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron cho hệ truyền động băng vật liệu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron cho hệ truyền động băng vật liệu trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt đầu cuối nhanh thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron cho hệ truyền động quấn băng vật liệu đàn hồi. Các kết quả được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho thấy bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng ngay cả khi hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên đầu vào và thông số mô hình biến đổi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron cho hệ truyền động băng vật liệu

P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI DÙNG MẠNG NƠ RON CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG BĂNG VẬT LIỆU DESIGN ADAPTIVE NEURAL NETWORK FAST TERMINAL SLIDING MODE CONTROLLER OF WINDING SYSTEMS FOR ELASTIC WEBS Trần Xuân Tình1,*, Phạm Tuấn Thành2, Nguyễn Tuấn Hoàn3, Trần Văn Tuyên2 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.004 suất, cải thiện về chất lượng sản phẩm vẫn cần có bộ điều TÓM TẮT khiển bền vững với nhiễu, thích nghi với tham số bất định Bài báo trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt đầu cuối nhanh thích trong mô hình. BĐK điều khiển trượt đầu cuối thích nghi sử nghi trên cơ sở mạng nơ ron cho hệ truyền động quấn băng vật liệu đàn hồi. Các kết dụng mạng nơ ron nhân tạo đã nâng cao được chất lượng quả được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho của hệ, hạn chế được các tác động của nhiễu và sự biến đổi thấy bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng ngay cả khi hệ thống của tham số mô hình. chịu ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên đầu vào và thông số mô hình biến đổi. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỆ Từ khóa: Hệ truyền động băng vật liệu, điều khiển trượt đầu cuối nhanh, mạng nơ ron. Xét một mô hình hệ truyền động băng vật liệu đàn hồi gồm N động cơ dẫn động, vừa bám theo tốc độ dài của ABSTRACT động cơ chính vừa đảm bảo lực căng trên dải băng theo This paper presents the results of synthesizing the adaptive fast terminal yêu cầu công nghệ như hình 1. Trong mô hình, động cơ 1 sliding controller based on the neural network for the transmission system thực hiện tháo quấn, động cơ 2 điều khiển tốc độ dài băng wrapped in elastic material. The survey and evaluation results by simulation on vật liệu, động cơ N dùng để cuốn lại, từ động cơ số 3 đến Matlab-Simulink software show that this controller ensures the quality động cơ N-1 truyền động băng vật liệu. Mục tiêu của hệ requirements even when the system is affected by random input noise and thống là duy trì tốc độ dài của băng không đổi và kiểm soát model parameters. change. lực căng trên băng. Keywords: Winding system, fast terminal sliding controller, neural network. 1 Học viện Phòng không - Không quân 2 Học viện Kỹ thuật Quân sự 3 Trường Đại học Điện lực * Email: tinhpk79@gmail.com Ngày nhận bài: 01/11/2022 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 10/01/2023 Ngày chấp nhận đăng: 24/02/2023 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hình 1. Mô hình truyền động băng vật liệu đàn hồi N động cơ Hệ truyền động (HTĐ) quấn băng vật liệu nhiều động cơ là hệ động lực học phi tuyến, chứa các liên hệ chéo; các mối liên hệ này làm cho mô hình của đối tượng điều khiển trở nên phi tuyến. Trong điều khiển HTĐ này việc kiểm soát lực căng trên băng vật liệu là một vấn đề khó. Đặc biệt với hệ truyền động của lô quấn và lô tháo quấn, có sự thay đổi về tham số mô hình như: Mômen quán tính, bán kính lô quấn. Các bộ điều khiển (BĐK) HTĐ này liên tục được nghiên cứu phát triển như: BĐK mờ [1, 2]; điều khiển bền vững [3]; điều khiển thích nghi [4]; điều khiển trượt [5]; và điều khiển bù thích nghi dùng mạng nơ ron [6]. Tuy nhiên để tăng năng Hình 2. Mô hình lô quấn lại Website: https://jst-haui.vn Vol. 59 - No. 1 (Feb 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Xét mô hình hệ quấn lại có: MN là mômen động cơ; ωN là  tốc độ trục truyền động; FN là lực căng của dải vật liệu; υN  a a  θ  η α  τdiag e τ1 ψ (x) s a   làtốc độ dài của dải vật liệu chạy qua. Chỉ số N tương ứng  (6)  của trục truyền động thứ N trong hệ. Xét dải băng vật liệu  θb  ηb α  τdiag e  τ 1   ψb (x) sueq có độ rộng W và bề dày h. Với ηa; ηb > 0. Theo [4, 6] có hệ phương trình trạng thái của động cơ thứ N trên hệ truyền động băng vật liệu: ˆ ˆ Với điều kiện xi    R ta có A  x,t  ;B  x,t  là các ma  ES ES trận được xác định như sau: FN  L vN  L vN1 pa  N1 N1  (1) A  x , t   A  x , θa   θaψa (x)   θaiψai (x) ˆ (7) Rr2 2  v   F  .v  hvN  1  2ρWπRr  Rr .u BN 2 i 1 N N N   N  JN JN 2πRr  Rr JN  JN pb  ˆ B  x,t   B  x,θb   θbψb (x)   θbiψbi (x) (8) Trong đó: Rr là bán kính trục roller, LN-1 là khoảng cách i1 giữa hai trục thứ N và N-1; JN là mômen quán tính; BN là hệ Ở đây, θai; θbi là các tham số vectơ có thể thay đổi được số ma sát trượt; E là hằng số đàn hồi của vật liệu; S là tiết ψai (x),ψbi (x) là các thành phần được chọn dựa trên trên các diện ngang của băng vật liệu. hàm cơ sở và pa, pb là số nút tương ứng. Trong đó giá trị lớn Đặt x   x1 x1   FN vN  nhất của θa; θb được xác định như sau: Viết lại phương trình trạng thái của hệ:   ES ES a θai x ˆ θ *  argmin sup A  x, t   d  x,t   A  x,θ ai   (9) x1  L x2  L vN1  θ  argminsup B  x,t   B  x,θ   N1 N1  (2) * ˆ (10) Rr2 2 x   x  x  h  1  2ρWπRr  x2  Rr u BN b bi 2 1 2   2 N θbi x  JN JN 2πRr  Rr JN  JN  Ta có sai số ước lượng nhỏ nhất xác định như sau: Đưa hệ về dạng: εa  x , t   A  x , t   d  x , t   A*  x , θ*  a  x  A(x,t)  B(x, t)u  d(x,t) (3) (11) εb  x , t   B  x , t   B*  x , θb  * Trong đó: A(x, t),B(x,t) , d  x , t  là các hàm bất định bị Giả thuyết rằng các sai số ước lượng bị chặn dưới với chặn. x   : 3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI εa  x , t   εa ; Mục tiêu ở đây là với tín hiệu điều khiển đầu vào, phải (12) điều chỉnh được các biến trạng thái, trong điều kiện có εb  x , t   εb . nhiễu bất định và tham số mô hình biến đổi. Với εa , εb là các hằng số xác định. Giả thiết 1: x T  FN vN  có thể đo được Bên cạnh đó, một bộ điều khiển chính xác được xác Giả thiết 2: Tồn tại các giá trị thực dương υNmax, FNmax, định để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng JNmax, RNmax sao cho υN2, FN, JN, Rr được giới hạn bởi các giá trị kín và bù đắp các lỗi xấp xỉ. Một đầu vào điều khiển được này. chọn là: Ta định nghĩa sai số quỹ đạo e  x  xref , chọn mặt trượt u  t   ueq  t   uc  t  (13) của bộ điều khiển FTSM dạng: τ Với ueq(t) được chọn như (5) và uc(t) được định nghĩa s  αe  sig  e  (4) như sau: Trong đó: α > 0 là accs hàng số thiết kế; s   s1 s2  ; T  uc  t   B1  x, t  s b ueq  a  (14)   diag  λ1 , λ 2  ; λ1, λ2 là các hằng số dương; 1 < τ < 2; Định lý 1: Cho hệ thống MIMO với A(x, t),B(x,t), d(x, t) là T    sig  e    e1 sign(e1 ), e2 sign(e2 )  các hàm phi tuyến, nếu các giả thuyết tồn tại, luật thích   nghi là đúng, ta có: Luật điều khiển được xác định như sau: 1. Tất cả tín hiệu của hệ kín đều bị chặn và θa; θb tiến ˆ  ˆ  u (t)  B1(x,t) A(x,t)  x   sgn(s) eq d  (5) đến giá trị tối ưu khi t →∞. ˆ 2. Nếu A*  x , θ*   A  x , θ  ; B*  x , θ*   B  x , θ  thì sai ˆ Với A(x, t),B(x,t) là các hàm phi tuyến chưa xác định rõ, a a b b có thể xấp xỉ bằng mạng noron. sai số của nó tiến về 0 trong thời gian hữu hạn. ˆ ˆ Để xấp xỉ A  x,t  ;B  x,t  online, luật thích nghi cập nhật ˆ 3. Nếu A*  x , θ*   A  x , θ  ; B*  x , θ*   B  x , θ ˆ  thì mặt a a b b được xác định như sau: trượt sẽ nằm lân cận điểm s = 0 trong thời gian hữu hạn. 22 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 1 (02/2023) Website: https://jst-haui.vn
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY Hàm Lyapunov được chọn như sau: 1 1 1 2 1 1 2   s    diag e 1   V  s2  θa  θb (15) 2 2 ηa 2 ηb  a  x,t    a  a  b  x, t   b b ueq  t         (25)     Với θ a  θa  θ*a ; θb  θb  θ*b là sai lệch giữa của luật  B  x, t  uc  t    sgn(s)    thích nghi. Ta có: Kết hợp (6), (16) và (25) ta có: 1   1    V  ss  θa θa  θb θb ηa ηb (16)   V  s α  τdiag e τ 1          εa  x,t   ψa θa  εb  x,t   ψb θb ueq  t   Đạo hàm hai vế (4) có:    B  x, t  uc  t   βsgn(s)    s  αe  τdiag e τ 1  e   (17)   (26)     Thay e  x  xref vào (17) có:  +θ α  τdiag e a   τ 1 ψ (x) s a   θ  α  τdiag e   ψ (x) su τ 1    s  α  x  xref   τdiag e τ 1    x  xref   (18) b b eq Từ (5) có: Qua biến đổi có:  ˆ ˆ τ1  εa  x,t   εb  x,t  ueq  t   x d  ueq (t)B(x,t)  A(x, t)  βsgn(s) (19)   V  s α  τdiag e     B  x,t  u  t   βsgn(s)   Thay (3) và (19) vào (18) có:  c  ˆ  εa  x,t   εb  x,t  ueq  t   (27)   A(x,t)  B(x,t)u  d(x,t)  ueq (t)B(x,t)  s  α  A(x,t)  βsgn(s)     s α  τdiag e  τ1    εa  εb ueq  βsgn(s)    ˆ       α  τdiag e   sβsgn(s) τ1  A(x,t)  B(x,t)u  d(x,t)   τdiag e τ 1     u (t)B(x,t)  A(x,t)  βsgn(s)   eq ˆ ˆ   (20) Lại có    diag e    0;s.sgn(s)  0 suy ra V  0  1 ˆ  A(x,t)  d(x,t)  A(x,t)    α  τdiag e τ1   ˆ   B(x,t)u  u (t)B(x,t)  βsgn( s)  với x   . Vì vậy mọi tín hiệu của hệ kín đều bị chặn và  eq  θa; θb tiến tới θ* , θ* khi t →∞. a b Thay (13) vào (20) có: Kết luận: Điều này khẳng định tính đúng đắn của bộ   s  α  τdiag e  τ 1  điều khiển, đảm bảo ổn định hệ thống trong thời gian hữu hạn khi có bất kì sự thay đổi nào của mô hình và tín hiệu  ˆ  A(x,t)  d(x, t)  A(x, t)   (21) đầu vào.   4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ   B(x, t)  B(x, t) u (t)  B(x, t)u (t)  βsgn(s)    ˆ eq  c  4.1. Tham số mô phỏng Biến đổi công thức (11) thu được: εa  x, t   A*  x, θ*   A  x, θa   A  x, t   d x, t   A  x, θa  a ˆ ˆ (22) εb  x, t   B*  x, θ*   B  x, θb   B  x, t   B  x, θb  b ˆ ˆ Thay (22) vào (21) ta có:   s  α  τdiag e  τ 1    a ˆ  εa  x , t   A*  x ,θ*   A  x ,θ a      (23)   εb  x , t   B *  x ,θb   B  x ,θb  ueq  t    * ˆ      B  x , t  u  t   βsgn(s)  c     Lại có: Hình 3. Mô hình mô phỏng hệ truyền động lô quấn lại  A*  x , θ*   A  x , θ a   ψa  θ*  θ a   ψa θ a ˆ a a (24) Mômen quán tính ban đầu của lô J0N = 2kgm2; mô men * ˆ *  B  x , θ   B  x , θb   ψb  θ*  θb   ψb θb quán tính khi quấn tối đa JN = 100Kgm2; bán kính rulo ban b b đầu R0r = 0,5m; bán kính rulo khi quấn xong Rr = 0,6m; Thay (24) vào (23) ta có: khoảng cách giữa hai trục LN = 1m; diện tích ngang của Website: https://jst-haui.vn Vol. 59 - No. 1 (Feb 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 23
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 băng vật liệu S = 2.10-5m2; hằng số đàn hồi của băng vật Đặt tốc độ dài của băng vật liệu là 5m/s; lực căng đặt liệu E = 1,6.105N/m2; hệ số ma sát trượt B = 0,412Nm.s trên băng là hàm Ramp giới hạn ở 30N. Tốc độ thay đổi của Dựa trên thông số thực tế của HTĐ băng vật liệu tiến hàm Ramp là 10 N/s nên cần 3 giây để đạt 30N. Kết quả mô hành chọn: α = 2; λ1 = 0,5; λ2 = 1; τ = 0,8. Qua đó xác định phỏng cho hệ quấn lại thể hiện trên hình 4 - 7. được luật điều khiển uđk. Nhận xét: 4.2. Kết quả mô phỏng - Tốc độ dài và lực căng của băng vật liệu đạt giá trị đặt sau thời gian ngắn, với sai số rất nhỏ, đảm bảo được ổn định, giúp nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống. - Khi có nhiễu ngẫu nhiên, đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng nơ ron cho kết quả tốt hơn hẳn. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển NNFTSM cho hệ cơ điện chuyền động băng vật liệu đàn hồi nhiều động cơ. Phần trình bày được bắt đầu từ việc xây dựng mô hình cơ hệ, xác định luật cập nhật thích nghi Hình 4. Đáp ứng lực căng trên băng vật liệu của mạng nơ ron, luật điều khiển, chứng minh tính ổn định của hệ, xây dựng mô hình mô phỏng, kiểm nghiệm bằng phần mềm Matlab-Simulink. Qua kiểm tra cho thấy BĐK đã nâng cao được chất lượng của hệ thống thông qua các tiêu chí đánh giá, đó là: tính bền vững với nhiễu, thích nghi với tham số mô hình, đảm bảo chính xác tốc độ dài, lực căng của băng vật liệu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chen Chong, Liu Xingqiao, 2010. Application of Fuzzy Control in Multi- motor Tension Control System. International Conference on Intelligent System Hình 5. Đáp ứng tốc dài Design and Engineering Application. [2]. Fawzan Salem, E.H.E. Bayoumi, 2011. Robust fuzzy-PID control of three- motor drive system using simulated annealing optimization. Journal of Electrical Engineering. [3]. H. Koc, D. Knittel, M. D. Mathelin, 2000. Robust gain-scheduled control of winding systems. IEEE Conf. Decision and Control, Sidney, Australia. [4]. Zhiqiang Wang, Haibao Nan, Tingna Shi, 2018. No-Tension Sensor Closed- Loop Control Method with Adaptive PI Parameters for Two-Motor Winding System, Mathematical Problems in Engineering. [5]. N.R. Abjadi, J. Soltani, 2009. Nonlinear sliding-mode control of a multi-motor web-winding system without tension sensor. IET Control Theory Appl, Vol. 3, Iss. 4, pp. 419– 427. Hình 6. Đáp ứng lực căng khi có nhiễu ngẫu nhiên [6]. Tong Thi Ly, Nguyen Thanh Tung, 2021. Tension control for multi-span web transport systems with roll inertia compensation using RBF neural network. Measurement, Control and Automation, Vol 2. AUTHORS INFORMATION Tran Xuan Tinh1, Pham Tuan Thanh2, Nguyen Tuan Hoan3, Tran Van Tuyen2 1 Air Defence - Air Force Academy, Viet Nam 2 Military Technology Academy 3 Electric Power University Hình 7. Đáp ứng mô men động cơ 24 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 1 (02/2023) Website: https://jst-haui.vn