Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho một số đối tượng công nghiệp

Đại số gia tử được đề xuất và phát triển từ những năm 1990, tuy nhiên các ứng dụng của nó chủ yếu trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Việc ứng dụng đại số gia tử trong lĩnh vực điều khiển đã đạt được một số thành công và hiệu quả khi áp dụng vào một số mô hình đơn giản. Với hy vọng rằng, đại số gia tử sẽ là một lý thuyết mới để thiết kế bộ điều khiển trong các hệ thống tự động nói chung.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho một số đối tượng công nghiệp Nguyễn Hữu Công và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 123 - 128 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO MỘT SỐ ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP Nguyễn Hữu Công1*, Ngô Kiên Trung2, Nguyễn Tiến Duy , Nguyễn Phƣơng Huy2, Nguyễn Hồng Quang3 2 1 Đại Học Thái Nguyên, 2Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, 3 Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên TÓM TẮT Đại số gia tử đƣợc đề xuất và phát triển từ những năm 1990, tuy nhiên các ứng dụng của nó chủ yếu trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Việc ứng dụng đại số gia tử trong lĩnh vực điều khiển đã đạt đƣợc một số thành công và hiệu quả khi áp dụng vào một số mô hình đơn giản. Với hy vọng rằng, đại số gia tử sẽ là một lý thuyết mới để thiết kế bộ điều khiển trong các hệ thống tự động nói chung. Với ý tƣởng đó, bài báo giới thiệu và đƣa ra phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho một số đối tƣợng khó điều khiển trong công nghiệp. Việc đánh giá chất lƣợng của hệ thống tự động có sử dụng đại số gia tử đã đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và mở ra khả năng ứng dụng trong thực tế. Từ khóa: Đại số gia tử, điều khiển sử dụng đại số gia tử, hệ thống tự động, đối tượng có tham số biến đổi, đối tượng có hệ số trễ lớn. ĐẶT VẤN ĐỀ* Logic mờ tỏ ra khá ƣu điểm trong lĩnh vực điều khiển các đối tƣợng có thông tin không rõ ràng, không đầy đủ. Đại số gia tử - Hedge Algebra (HA) là công cụ tính toán mềm - một cách tiếp cận mới trong tính toán cho bộ điều khiển mờ nên các nhà nghiên cứu có hƣớng tới việc ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. HA đã đƣợc nghiên cứu trong một số bài toán nhận dạng, chẩn đoán [2] … và đã có những thành công đáng kể trong lĩnh vực điều khiển áp dụng cho một số bài toán xấp xỉ và điều khiển mô hình đơn giản [4], [5]. sánh, cần thử nghiệm trên một số lớp đối tƣợng khó điều khiển: đối tƣợng tuyến tính có tham số thay đổi; đối tƣợng có trễ mà hằng số trễ lớn tới 40% so với hằng số thời gian; đối tƣợng phi tuyến đƣợc tuyến tính hóa. PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ HA là sự phát triển dựa trên tƣ duy logic về ngôn ngữ [4], [5]. Bộ điều khiển sử dụng HA ứng dụng vào các hệ thống trong công nghiệp - Hedge Algebra based Controller (HAC) gồm 3 khối nhƣ Hình 1. Quantified us Normalizatio xs Denormalizatio Rule Base & n n HA-IRMd & SQMs (I) (III) (II) HA Controller u Để có thể khẳng định rõ hơn vai trò của HA trong việc thiết kế bộ điều khiển, vấn đề đặt ra cần nghiên cứu, trải nghiệm việc ứng dụng HA để điều khiển cho một số lớp đối tƣợng rộng hơn và khó điều khiển hơn trong công nghiệp. x Xuất phát từ mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế, mô phỏng và so sánh chất lƣợng hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển bằng HA so với bộ điều khiển sử dụng locgic mờ. Để thấy rõ khả năng sử dụng HA trong điều khiển, khi tiến hành thiết kế và so Trong đó: x giá trị đặt đầu vào; xs giá trị ngữ nghĩa đầu vào; u giá trị điều khiển và us giá trị ngữ nghĩa điều khiển. Bộ HAC gồm các khối sau: - Khối I - Normalization & SQMs (Ngữ nghĩa hoá): biến đổi tuyến tính x sang xs. * - Khối II - Quantified Rule Base & HA-IRMd (Suy luận ngữ nghĩa và hệ luật ngữ nghĩa): Tel: 0913 589758, Email: conghn@tnu.edu.vn Hình 1. Sơ đồ khối bộ điều khiển HAC 123 Nguyễn Hữu Công và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ thực hiện phép nội suy ngữ nghĩa từ xs sang us trên cơ sở ánh xạ ngữ nghĩa định lƣợng và điều kiện hệ luật. - Khối III – Denormalization (Chuẩn hoá đầu ra): biến đổi tuyến tính us sang u. ÁP DỤNG HAC CHO MỘT SỐ ĐỐI TƢỢNG TRONG CÔNG NGHIỆP Điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác - hệ thống phi tuyến đã đƣợc tuyến tính hóa. Mô hình hệ thống Hình 2. MEDE 5 Hình 2 là mô hình tên là MeDe5 (Mechatronic Demonstrate Setup-2005) do nhóm kĩ thuật điều khiển thuộc Trƣờng Đại học Twente thiết kế [3]. Kết cấu cơ khí đƣợc thiết kế dựa trên nguyên lý của công nghệ in, con trƣợt có thể chuyển động tiến và lùi một cách linh hoạt nhờ sự dẫn động của động cơ điện một chiều thông qua dây curoa. Trong mô hình ngƣời thiết kế đã bố trí toàn bộ động cơ điện, thanh trƣợt, con trƣợt, dây curoa, … trên một cái khung dẻo với mục đích để tạo ra sự rung lắc khi con trƣợt di chuyển. Phát triển mô hình có thể ứng dụng trong thực tiễn nhƣ máy vẽ 2 chiều, 3 chiều, máy CNC hay các hệ thống điều vị trí khiển chính xác khác. Nếu thiết kế đƣợc những thuật toán điều khiển tốt sẽ giúp cho quá trình gia tốc, giảm tốc của con trƣợt êm hơn, điều này dẫn đến mức độ rung lắc của khung đƣợc giảm. Hệ thống trên đã đƣợc kiểm chứng bằng một số phƣơng pháp điều khiển kết hợp MRAS trong [3] với mục tiêu điều khiển chuyển động đến một vị trí chính xác theo giá trị đặt hoặc chuyển động theo một quỹ đạo mẫu cho trƣớc. Trong tính toán, khi bỏ qua những thành phần phi tuyến của lực ma sát, ta nhận đƣợc mô 124 116 (02): 123 - 128 hình toán của đối tƣợng là khâu bậc 6 tuyến tính. Nếu coi dây curoa nối giữa động cơ và con trƣợt là cứng và bỏ qua khối lƣợng rôto của động cơ thì đối tƣợng sẽ có dạng một khâu bậc 4 tuyến tính. Nếu ta coi khung là vững chắc thì đối tƣợng sẽ có dạng một khâu bậc 2 đƣợc biểu diễn bằng hệ phƣơng trình trạng thái có dạng (2): dv d km .V c signV u m m m  V  X  V  X (1) V dv m 1 0 0 V X dc m signV 0 km m u 0 (2) Trong đó V, X: vận tốc và vị trí của con trƣợt so với hệ toạ độ gốc. Thiết kế bộ điều khiển Bộ điều khiển gồm có hai đầu vào và một đầu ra. Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều khiển ký hiệu là E, đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất ký hiệu là IE. Đầu ra của bộ điều khiển là giá trị điện áp một chiều ký hiệu là U. - Thiết kế bộ điều khiển mờ - FLC: Sử dụng Matlab - Simulink thiết kế bộ FLC với bảng luật điều khiển trong mô hình mờ nhƣ trong Bảng 1. Bảng 1. Luật điều khiển - Thiết kế bộ điều khiển HAC: Chọn bộ tham số tính toán: G = {Negative (N), Positive (P}; H– = { Little (L)}; H+ ={Very (V)}; Tính toán các giá trị định lƣợng ngữ ...