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

Đặng Ngọc Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 175 - 180 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 175 ĐIỀU KHIỂN THÍCH THÍCH CÓ PHỐI HỢP LUẬT HIỆU CHỈNH BỔ SUNG NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG Đặng Ngọc Trung* Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Các đối tượng có tham số thay đổi trong quá trình làm việc như lò điện trở, lò hồ quang thường rất khó đạt được chất lượng mong muốn nếu chỉ sử dụng các bộ điều khiển kinh điển thông thường. Bài báo này trình bày một phương pháp sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo luật MIT có kết hợp khâu hiệu chỉnh bổ sung để điều khiển chúng. Từ khóa: Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song. ĐẶT VẤN ĐỀ Các dây truyền sản xuất hiện đại như công nghệ lò điện trở, lò hồ quang.... thì trong quá trình vận hành do điều kiện môi trường thay đổi liên tục nên ít nhiều các tham số vận hành của đối tượng cũng thay đổi theo và không theo quy luật nhất định nào. Chính vì vậy các bộ điều khiển kinh điển không còn phù hợp để có thể chỉnh định một cách linh hoạt tìm ra bộ tham số điều khiển tối ưu nữa. Trong trường hợp đó các bộ điều khiển kinh điển thông thường không thể thỏa mãn yêu cầu chất lượng đề ra vì thế chúng ta cần nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển chúng. Một trong các phương pháp đó mà bài báo này đề xuất đến đó là ứng dụng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu song song để điều khiển đối tượng. Tuy đã đáp ứng được khả năng linh hoạt về sự cập nhất thông tin để tìm ra bộ thông số điều khiển tối ưu cho hệ thống, nhưng điều đó là chưa đủ vì dải làm việc của bộ điều khiển thích nghi còn hạn chế trong một số trường hợp. Chính vì thế bài báo còn đưa ra thêm khâu hiệu chỉnh bổ sung cho các trường hợp không mong muốn. XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU SONG SONG Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống với bộ điều khiển thích nghi Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển thích nghi được mô tả như hình 1. Trong đó các thông số của bộ điều chỉnh được hiệu chỉnh nhờ mạch vòng ngoài. Mô hình mẫu Bộ điều khiển Đối tượng Cơ cấu thích nghi (- ) (+) Ra của mô hình ym Tín hiệu ra Mạch vòng trong Mạch vòng ngoài Sai số Tín hiệu chủ đạo Đặng Ngọc Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 175 - 180 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 176 Hình 1. Điều khiển theo mô hình mẫu* Đặt bài toán. Giới thiệu hệ thống điều khiển trên phòng thí nghiệm Hình 2. Cấu trúc mô hình mẫu song song * Mô hình mẫu Bộ điều chỉnh Đối tượng Cơ cấu thích nghi U y y  (+) (- ) Đặng Ngọc Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 175 - 180 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 177 Trong đó: 1. Máy bơm li tâm. 2. Van điều chỉnh lưu lượng 3. Van từ tự động để lấy tín hiệu nhiễu. 4. Van điều chỉnh lưu lượng nhiễu. 5. Van điều khiển 7. Đồng hồ đo lưu lượng 8. Khối điều khiển 9. Máy tính 10. Điện trở nhiệt. 11. Bình đựng nước chứa 2sensor nhiêt. 12. Van tháo nước X: Tín hiệu chấp hành Y: Tín hiệu điều khiển n: Tín hiệu nhiễu Tmax: Tín hiệu điều khiển an toàn. *) Khối điều khiển 8 gồm: Bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều 1 pha, nhằm cung cấp điện áp cho điện trở nhiệt, việc điều chỉnh góc mở của các Thyristor được thực hiện nhờ IC thuật toán TCA780 và bộ điều khiển, ngoài ra còn có các khâu đo lường, khuếch đại tín hiệu. * Đối tượng điều khiển: Theo sơ đồ cấu tạo của hệ thống ta thấy nước chứa trong bình (12) được gia nhiệt bởi một điện trở nhiệt. Nguồn cung cấp cho nó được lấy từ lưới điện xoay chiều một pha và được chỉnh lưu qua bộ biến đổi xoay chiều – 1 chiều. Vấn đề ở trong bài báo này là với các thông số của hệ thống đã có sẵn trong phòng thí nghiệm ta dùng bộ điều khiển thích nghi để thay thế cho bộ điều khiển kinh điển đã có để điều khiển và mô phỏng nhằm cải tạo và nâng cao chất lượng hệ thống. Nhận dạng đối tượng điều khiển nhiệt điện trở có hàm truyền: 220 12 b G(s)= s s Trong đó: - b là tham số thay đổi theo thời gian trong quá trình làm việc. - Y(s) đầu ra của đối tượng - U(s) đầu vào của đối tượng Nội dung bài toán Bài toán đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển thích nghi sao cho hàm truyền đạt của đáp ứng vòng kín của hệ thống thể hiện theo hàm truyền đạt mong muốn: 2 1 3 4 5 6 7 8 9 X T x n Y 1 0 1 1 1 2 3 Hình 3. Hệ thống điều khiển trên phòng thí nghiệm Đặng Ngọc Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 175 - 180 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 178 Hình 4. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống với bộ điều khiển thích nghi Với các bộ điều khiển kinh điển trước đây thì việc cập nhật hệ số khuếch đại k của bộ điều khiển mỗi khi tham số b của đối tượng thay đổi trong quá trình làm việc là không thể. Do đó với cấu trúc điều khiển thích nghi như trên có thể đáp ứng được nhiệm vụ đảm nhiệm hệ thống ổn định trong một dải thay đổi rộng của b. GIẢI THUẬT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN Hàm truyền đạt vòng hở của quá trình: Trong đó p là toán tử vi phân d/dt Bộ điều khiển với luật điều khiển: Với uc là tín hiệu kích thích đầu vào dạng xung vuông lưỡng cực có biên độ thay đổi được và tần số 0.01Hz. Thay (2) vào (1) ta được: Sai số của hệ thống vòng kín: Từ phương trình số (3) suy ra độ nhạy của sai số theo hệ số k: Theo luật MIT, luật cập nhật hệ số k như sau: Trong biểu thức (6) do hệ số b thay đổi trong quá trình điều khiển nên ta chưa thể xác định ngay được hệ số khuếch đại k được. Do đó phải sử dụng phép xấp xỉ để loại bỏ đi hệ số chưa biết này. Xuất phát từ hàm truyền mong muốn của hệ kín: Khi hàm truyền đạt của hệ thống đạt tới hàm truyền đạt mong muốn thì khi đó từ (3) và (7) ta có: tương đương với phương trình: Điều đó ta hiểu rằng bk = 1, thay vào (6) ta có: 2 ( ) 1 ( ) ( ) 20 12 1     m m c Y s G s U s s s 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 20 12 (20 12 ) ( ) ( ) (20 12 ) (1)          Y s b G s U s s s s s Y s bU s p p y bu ( ) (2) cu k u y 2 2 (20 12 1) ( ) (3) (20 12 )          c c p p y bk u y bk y u p p bk (4)   my y 2 2 2 2 2 2 2 (20 12 ) (20 12 1 ) (20 12 ) (5) (20 12 )                   c c b p p bk b k u k p p bk b p p u k p p bk ' 2 ' 2 2 (20 12 ) ( ) (6) (20 12 )                    m c dk dt k b p p y y u p p bk     2 2 2 ( ) 1 ( ) ( ) 20 12 1 20 12 1 ( ) ( ) 20 12 1 (7)             m m c m c m c Y s G s U s s s s s Y s U s p p y u  220 12 1  m cp p y u  220 12  m cp p bk y bku Cơ cấu hiệu chỉnh u=k(uc - y) G(s) = b/(20s 2+12s) u c u k Bộ điều khiển Đối tượng y Quá trình mong muốn Gm(s)=1/(20s 2+12s+1) Đặng Ngọc Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 175 - 180 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 179 Với  = ’b đặc trưng cho độ hội tụ của y về ym. Tuy nhiên qua giải thuật này ta đã 2 lần áp dụng phép xấp xỉ chính vì vậy sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, do vậy việc lựa chọn  = ’b sẽ rất quan trọng và trong trường hợp này bộ điều khiển chỉ cho phép hệ thống làm việc ổn định khi nằm trong một giới hạn nào đó. Mặt khác từ (8) ta còn thấy độ hội tụ của k tỉ lệ với bình phương của biên độ tín hiệu đầu vào uc , đây là hiệu ứng không mong muốn sẽ gây ra sự mất ổn định khi đầu vào thay đổi. Do đó ta sẽ sử dụng luật hiệu chỉnh bổ sung: Trong đó:  là mộ số tùy ý nhỏ không đáng kể đưa vào mẫu của (9) tránh làm cho mẫu số bằng 0 và: SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB-SIMULINK VÀ KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO LUẬT MIT Sơ đồ mô phỏng trên matlab-simulink Hình 5. Mô phỏng điều khiển thích nghi hệ thống trên matlab-simulink Kết quả mô phỏng hệ thống khi chưa có khâu hiệu chỉnh bổ sung + Khi cho giá trị của b thay đổi Kết luận: Nhận thấy bô điều khiển thích nghi thực sự đã đáp ứng được khi giá trị b thay đổi, tuy nhiên đến một giá trị nào đó thì độ ổn định của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng. + Khi thay đổi giá trị của tín hiệu đầu vào Uc: TH1: Khi Uc =  0.1V 2 ' 2 2 2 2 2 (20 12 ) ( ) ( 5 1) (20 12 ) ( ) (8) (20 12 1)                        m c m c dk b p p y y u dt p p dk p p y y u dt p p 2 (9)               dk k dt k 2 2 2 2 4 3 2 (20 12 ) (20 12 1) (20 12 ) (400 480 184 24 1)             c c p p u k p p p p u p p p p 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Thoi gian mo phong (s) Ket qua mo phong ung voi b = 0.1 Da p un g da u ra Y (t) Dieu khien thich nghi theo luat MIT Y(t) Ym 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Dieu khien thich nghi theo luat MIT Thoi gian mo phong (s) Ket qua mo phong ung voi b =200 D a p u n g d a u r a Y (t ) Y(t) Ym 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Dieu khien thich nghi theo luat MIT Thoi gian mo phong (s) Ket qua mo phong ung voi b = 10 D ap u ng d au ra Y (t) Y(t) Ym 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 Thoi gian mo phong (s) D a p u n g d a u r a Y (t ) Dieu khien thich nghi theo luat MIT Y(t) Ym Đặng Ngọc Trung Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 88(12): 175 - 180 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 180 TH2: Khi Uc =  3V TH3: Khi Uc =  15V Kết luận: Nhận thấy khi giá trị của Uc thay đổi đến giá trị nhất định thì hệ thống cũng mất ổn định, đó chính là nhứng hạn chế của bộ điều khiển này. Chính vì vậy cần phải có sự hiệu chỉnh cho bộ điều khiển Kết quả mô phỏng hệ thống khi có khâu hiệu chỉnh bổ sung. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên simulink Hình 6. Mô phỏng điều khiển thích nghi hệ thống khi có thêm khâu hiệu chỉnh trên matlab-simulink Kết quả mô phỏng + Khi thay đổi tín hiệu đầu vào Uc: TH: Khi Uc = 0.1V hoặc Uc = 100V KẾT LUẬN Qua các kết quả mô phỏng trên ta nhận thấy bộ điều khiển thích nghi phần nào đã điều khiển hệ thống theo đúng đáp ứng đầu ra mong muốn, đem lại sự ổn định cho hệ thống khi tham số của đối tượng thay đổi trong quá trình hoạt động, đặ biệt khi có thêm khâu hiệu chỉnh bổ sung thì chất lượng của hệ thống ổn định với bất kỳ giá trị nào của tín hiệu đầu vào Uc mở ra khả năng điều khiển đối tượng trong dải rộng của tín hiệu đầu vào và sự thay đổi lớn tham số của đối tượng. Kết quả trên cho phép ta ứng dụng điều khiển cho nhiều đối tượng thực mà tham số của đối tượng thay đổi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thương Ngô (1999), Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [2]. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (1999), Lý thuyết điều khiển mờ; Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [3]. [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 Thoi gian mo phong (s) D a p u n g d a u r a Y (t ) Dieu khien thich nghi theo luat MIT Y(t) Ym 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Thoi gian mo phong (s) D a p u n g d a u r a Y (t ) Dieu khien thich nghi theo luat MIT Y(t) Ym 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Dieu khien thich nghi theo luat MIT Thoi gian mo phong (s) D ap u ng d au r a Y (t ) Y(t) Ym Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 181 SUMMARY ADAPTIVE CONTROL LAW ON COOPERATION WITH CORRECT ADD TO IMPROVE THE QUALITY SYSTEM Dang Ngoc Trung * College of Technology The object parameter changes in work processes such as resistance furnaces, arc furnace ... that is often difficult to achieve the desired quality using only the classic controller normally. This paper presents a method using the adaptive control law combining MIT edit additional stage to control them. Keywords: Adaptive control by parallel models. *