- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. - Bùi Trung Thành Hà Nội – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận án “Mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano” là công trình nghiên cứu của riêng tôi đƣợc hoàn thành dƣới sự chỉ bảo tận tình của hai thầy giáo hƣớng dẫn. - Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, anh chị, bạn bè và đồng nghiệp Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện - Điện tử, Phòng đào tạo, các đơn vị chức năng - Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng yên đã chia sẻ, đóng góp ý kiến, giúp đỡ, động viên tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình. - Bài toán hệ thống phân phối vật liệu nano. - Tổng quan phần cứng hệ thống phân phối vật liệu. - Khái niệm về hệ thống phân phối vật liệu. - Tổng quan các nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano. - Tổng quan các nghiên cứu điều khiển vị trí. - Nhóm phƣơng pháp điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực. - Nhóm phƣơng pháp điều khiển trƣợt. - Nhóm phƣơng pháp điều khiển tầng PID. - Nhóm phƣơng pháp điều khiển kết hợp giữa PID – Mờ nơ ron. - Nhóm phƣơng pháp điều khiển tối ƣu bền vững thích nghi. - Nhóm phƣơng pháp điều khiển dự báo. - Xây dựng cấu trúc điển hình hệ thống phân phối vật liệu nano. - Xây dựng mô hình toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano. - Phƣơng trình toán học mô tả hệ thống phân phối vật liệu nano. - Xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển. - Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống phân phối vật liệu nano. - Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano. - Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano. - Cơ sở lý thuyết điều khiển dự báo. - Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo trong không gian trạng thái. - Xây dựng bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để xử lý nhiễu. - Xây dựng sơ đồ khối hệ thống theo phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân. - Kết quả mô phỏng trên Matlab bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân. - )Tnx x x Véc tơ của các phần tử x1, i=1,2,...n, trong đó chỉ số T là ký hiệu phép tính chuyển vị x (k), xk , {xk } Giá trị và dãy các giá trị trích mẫu của hàm thời gian x(t) tại thời điểm t = kTa với Ta là chu kỳ trích mẫu ˆy Tín hiệu ra mở rộng ˆx Véc tơ trạng thái quan sát đƣợc uk Tín hiệu điều khiển dự báo vii Chữ viết tắt: Backlash Hiệu ứng khe hở CARE Control Algebraic Riccati Equation - Phƣơng trình Riccati điều khiển CNC Computer Numerical Control - Điều khiển bằng máy tính Dead Zone Mode Góc chết của hệ DMC Dynamic Matrix Control - Ma trận động học điều khiển GA Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền GPC Generalized Predictive Control - Điều khiển dự báo tổng quát IFT Iterative feedback Tuning – Điều chỉnh phản hồi lặp LQR Linear Quadratic Regulator – Bộ điều chỉnh toàn phƣơng MEMS Micro-electromechical system - Công nghệ vi cơ điện tử MPC Model Predictive Control - Điều khiển dự báo MAC Model Algorithmic Control - Thuật toán điều khiển theo mô hình PID Proportional Integral Derivative - Khâu tỷ lệ - tích phân – vi phân PSO Particle Swarm Optimization – Thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn RAM Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc, không thể ghi – xóa SISO Single Input Single Output - Một vào một ra USB Universal Serial Bus - Chuẩn truyền dữ liệu cho BUS (Thiết bị) ngoại vi) FPGA Field-programmable gate array - Mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu trúc mảng phần tử logic có thể lập trình đƣợc. - 56 Bảng 3.2.Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano. - Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển MPC thích nghi có thành phần tích phân. - 11 Hình 1.3 Hệ của larson [23. - 11 Hình 1.6 Khoảng cách phân phối [23. - 13 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ DC dùng bộ đánh giá vi phân [59. - 15 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID dựa trên lập trình trực tuyến [68. - 16 Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát [68. - 17 Hình 1.12 Cấu trúc mạng nơ ron của hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46] 17 Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46. - 18 Hình 1.14 Sơ đồ hệ điều khiển dùng khâu ƣớc lƣợng ma sát và điều khiển trƣợt [37. - 18 Hình 1.15 Bộ điều khiển mạng mờ kiểu TSK thích nghi tự tổ chức [26. - 19 Hình 1.16 Sơ đồ hệ điều khiển servo một trục một vòng phản hồi tốc độ [79. - 19 Hình 1.17 Sơ đồ bộ điều khiển servo hai vòng phản hồi tốc độ - vị trí [79. - 20 Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển servo ghép tầng PID [80. - 20 Hình 1.19 Sơ đồ cấu trúc phần cứng hệ điều khiển servo điển hình [80. - 20 Hình 1.20 Sơ đồ khối bộ điều khiển đáp ứng nhanh hệ Servo tuyến tính cho hai trục [78]21 Hình 1.21 Sơ đồ khối bộ điều khiển dùng phƣơng pháp tìm thông số PID -IFT Systematic block diagram [41. - 21 Hình 1.22 Sơ đồ khối bộ điều khiển APID cho động cơ DC [27. - 22 Hình 1.23 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tầng vị trí [50. - 22 Hình 1.24 Sơ đồ khối bộ điều khiển tối ƣu hóa GA PID Offline [55. - 23 Hình 1.25 Sơ đồ khối hệ điều khiển giám sát mờ [55. - 23 Hình 1.26 Sơ đồ mô phỏng của hệ EMA-AFC [55. - 23 Hình 1.27 Sơ đồ khối điều khiển mờ trƣợt cho hệ phi tuyến [61. - 24 Hình 1.28 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song [44. - 24 Hình 1.29 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song cho động cơ DC [44. - 24 Hình 1.30 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nơ ron [45. - 25 Hình 1.31 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ [81. - 26 Hình 1.32 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID mờ [81. - 26 Hình 1.33 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tối ƣu thích nghi [28. - 26 Hình 1.35 Sơ đồ điều khiển H∞ trong trƣờng hợp phản hồi trạng thái [35. - 28 Hình 1.36 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi trạng thái đầu ra [56. - 28 Hình 1.37 Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng [5. - 30 x Hình 2.1 Sơ đồ khối chung mô hình của hệ phân phối vật liệu. - 35 Hình 2.2 Mô hình chuyển động của hệ thống theo ba chiều x, y, z. - 35 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ phân phối vật liệu nằm ngang một trục điển hình. - 36 Hình 2.4 Sơ đồ mô tả các thông số động cơ DC. - 39 Hình 2.6 Đồ thị mô tả hàm phi tuyến trên trục động cơ. - 40 Hình 2.8 Sơ đồ khối mô tả mô hình đối tƣợng hệ thống. - 42 Hình 2.9 Sơ đồ khối mô tả mô hình động cơ với tải. - 43 Hình 2.10 Sơ đồ khối mô tả mô hình động cơ. - 44 Hình 2.11 Sơ đồ khối mô tả mô hình tải. - 44 Hình 2.12 Sơ đồ khối mô tả mô hình hệ Backlash. - 45 Hình 2.16 Dòng điện phần ứng động cơ thay đổi. - 46 Hình 2.17 Điện áp phần ứng cấp cho động cơ trong trƣờng hợp 2. - 47 Hình 2.20 Điện áp phần ứng của động cơ thay đổi. - 48 Hình 2.21 Dòng điện phần ứng của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng. - 49 Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình đối tƣợng biểu diễn trên matlab. - 57 Hình 3.4 Biểu đồ thị điểm cực. - 59 Hình 3.5 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1. - 60 Hình 3.7 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2. - 60 Hình 3.9 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3. - 62 Hình 3.12 Sơ đồ khối mô tả mô hình đối tƣợng dạng tổng quát trên Simulink. - 63 Hình 3.14 Mô hình khối điều khiển dự báo. - 67 Hình 3.17 Sơ đồ khối điêu khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano. - 74 Hình 3.22 Khi tải thay đổi với phƣơng pháp MPC. - 75 Hình 3.23 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi. - 80 Hình 4.1 Mô hình thực tế khi lắp ráp, kết nối hệ thống phân phối vật liệu nano. - 84 Hình 4.2 Kết nối mô hình thực nghiệm. - 86 Hình 4.5 Vị trí đầu ra khi tín hiệu điều khiển nhỏ cho hệ chuyển động qua 2 điểm. - 91 Hình 4.13 Dạng xung điều khiển trên Osilloscoper. - 92 Hình 4.14 Dạng xung điện áp phần ứng của động cơ trên Osilloscoper. - 92 Hình 4.15 Điện áp phần ứng của động cơ thực nghiệm. - 92 Hình 4.16 Dòng điện phần ứng của động cơ thực nghiệm. - 93 Hình 4.17 Vị trí đầu ra thực nghiệm. - Giới thiệu Năm 1959, Giáo sƣ Richard Feynman đã có bài phát biểu nổi tiếng về thao tác và điều khiển ở kích thƣớc vi mô. - Ngành vi cơ khí và điều khiển tự động đã góp phần rất lớn vào việc tăng tốc các ứng dụng của vật liệu micro nano vào cuộc sống. - Nghiên cứu, phát triển các robot điều khiển tự động, robot đáp ứng các nhu cầu thực tế đa ngành nói trên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì và cải thiện tốc độ phát triển của các chuyên ngành có liên quan. - Bên cạnh đó đề tài cũng là cơ hội để phát triển nguồn nhân lực trình độ cao của các ngành có liên quan nhƣ khoa học vật liệu, điều khiển tự động, cơ khí chính xác. - Nhƣ sai số trong việc chế tạo cơ khí, sai số do ma sát, sai số do tín hiệu đo, các tác nhân do môi trƣờng...Bên cạnh đó việc áp dụng và đề xuất một thuật toán tiên tiến phù hợp cho việc điều khiển hệ thống là hết sức cần thiết. - Thành công của đề tài sẽ mở ra một hƣớng nghiên cứu mới nhằm tạo ra một thiết bị phân phân phối vật liệu có độ chính xác cao, kích thƣớc nhỏ gọn, tiện dụng, có khả năng cho phép phủ lên trên một bề mặt với địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lƣợng vật chất (chất lỏng) rất nhỏ và có thể điều khiển đƣợc . - Đây là bài toán chƣa đƣợc xét đến trong các phƣơng pháp điều khiển trƣớc đây [3]. - Phân tích các thuật toán điều khiển đã có, dựa trên đặc tính của đối tƣợng xây dựng phƣơng pháp điều khiển thích hợp, trên nguyên tắc kết hợp các phƣơng pháp điều khiển đã có: Điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực, điều khiển trƣợt, điều khiển mờ - nơ ron, bền vững, thích nghi. - Để giải bài toán điều khiển chính xác vị trí cho hệ thống phân phối vật liệu nano. - là một hệ phi tuyến, mang nhiều yếu tố bất định, trong khi một số phƣơng pháp điều khiển hiện có lại thích hợp với từng đối tƣợng có đặc thù riêng, nên luận án đặt ra là chỉ tập trung vào xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển, có hệ chuyển động xuất phát từ động cơ DC truyền động qua hộp số giảm tốc (bánh răng), gắn với trục truyền động vít me bi thông qua khớp nối mềm, trục chuyển động thẳng qua đai ốc bi, tín hiệu phản hồi trực tiếp tại đầu ra. - Do hệ truyền chuyển động là một hệ cơ khí nên mô hình trạng thái phi tuyến mang nhiều yếu tố bất định, bởi vậy khi xây dựng phƣơng pháp điều khiển dựa trên cơ sở các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc thừa nhận trong công nghiệp
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt