Điều khiển hệ thống có trễ áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề

Hệ thống có trễ thường xuất hiện trong các lĩnh vực kỹ thuật như mạng truyền thông, quy trình trao đổi chất và hệ thống điều khiển từ xa Tính trễ là thuộc tính của các hệ thống vật lý, thể hiện qua việc đáp ứng chậm hơn so với tác động Các dạng trễ có thể bao gồm trễ ở ngõ vào, ngõ ra và các biến trạng thái Tính trễ ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống; thời gian trễ càng lớn, tác động của nó lên hệ thống càng mạnh.

Việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống có trễ phức tạp hơn so với các hệ thống không có tính trễ Gần đây, hệ thống có trễ đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ các nhà nghiên cứu, dẫn đến nhiều công trình nghiên cứu nhằm phát triển các bộ điều khiển hiệu quả cho loại hệ thống này.

Hệ quạt gió tấm phẳng thường gặp hiện tượng trễ, với thời gian trễ chính là khoảng thời gian mà luồng gió di chuyển từ quạt đến tấm phẳng Thời gian trễ sẽ tăng lên khi khoảng cách giữa quạt gió và tấm phẳng lớn hơn.

Học viên đã chọn hệ thống có trễ làm đối tượng nghiên cứu, cụ thể là hệ quạt gió tấm phẳng, do tính trễ cao ở ngõ vào và thời gian trễ lớn Mục tiêu của nghiên cứu là điều khiển ổn định góc nghiêng của tấm phẳng và theo dõi tín hiệu đặt mong muốn.

Các công trình nghiên cứu liên quan

Hệ thống có trễ là một vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quốc tế quan tâm, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều bài báo khoa học về chủ đề này Các tác giả đã áp dụng nhiều phương pháp và thuật toán điều khiển khác nhau vào các hệ thống có trễ Nội dung chính của các bài viết xoay quanh việc phân tích và cải thiện hiệu suất của các hệ thống này.

 Điều khiển bền vững hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ Các tài liệu tham khảo số [13], [14], [15]

Nghiên cứu này tập trung vào các hệ thống phi tuyến có độ trễ, áp dụng nhiều phương pháp điều khiển bền vững như điều khiển trượt và hệ mờ để cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Các bài báo hiện tại chỉ tập trung vào việc duy trì các trạng thái ổn định bền vững mà không phát triển thuật toán điều khiển để đáp ứng yêu cầu của đối tượng theo tín hiệu đặt ra.

Hình 1.2: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển bền vững

 Điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ Các tài liệu tham khảo số [9], [10], [11], [12]

Các nghiên cứu về đối tượng phi tuyến không ổn định có độ trễ cho thấy rằng, khi áp dụng phương trình trạng thái tổng quát, các biến trạng thái sẽ giảm dần về không sau một khoảng thời gian ngắn, đặc biệt khi điều kiện ban đầu không bằng không.

Các tài liệu về điều khiển bền vững đã chỉ ra rằng nhiều bài báo chỉ tập trung vào việc ổn định hóa các biến trạng thái tại điểm không, mà chưa xây dựng bộ điều khiển để đảm bảo hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn.

Hình 1.3: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển thích nghi

 Sử dụng phương pháp Smith Predictor điều khiển hệ thống tuyến tính có trễ Các tài liệu tham khảo số [16], [17], [18]

Bộ điều khiển Smith Predictor được thiết kế đặc biệt cho các hệ thống có độ trễ, với cấu trúc đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao Đối với các hệ thống tuyến tính có trễ, Smith Predictor giúp điều khiển ngõ ra của đối tượng theo tín hiệu đặt mong muốn, đồng thời khử nhiễu hiệu quả.

Hình 1.4: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển Smith Predictor

 Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính không ổn định có trễ Các tài liệu tham khảo số [7], [8]

Bài báo này giới thiệu thiết kế mô hình điều khiển cho hệ thống tuyến tính không ổn định có trễ, sử dụng phương pháp điều khiển hai bậc tự do (Two-degree-of-freedom control) phát triển từ phương pháp Smith Predictor, cùng với phương pháp điều khiển mô hình nội Các phương pháp này cho phép hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn và có khả năng chống nhiễu cao, nâng cao hiệu suất điều khiển.

Phạm vi nghiên cứu

Hệ thống có trễ là một lĩnh vực nghiên cứu mới, và việc thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống này phức tạp hơn so với những hệ không có trễ Sau thời gian nghiên cứu, học viên đã chọn bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control làm đối tượng nghiên cứu Dựa trên lý thuyết của bộ điều khiển này, học viên sẽ áp dụng vào việc điều khiển hệ quạt gió tấm phẳng, nhằm chứng minh rằng hệ thống với bộ điều khiển sẽ duy trì tính ổn định.

Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm:

- Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống có trễ, tập trung vào phương pháp Two-degree-of-freedom-control

- Kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển Tự chỉnh định STR

- Áp dụng phương pháp trên để thiết kế bộ điều khiển cho hệ quạt gió tấm phẳng, xây dựng mô hình Simulink để kiểm chứng kết quả đạt được

- Sử dụng vi điều khiển DSP28335 để nhúng các giải thuật điều khiển hệ quạt gió tấm phẳng vào mô hình thật

- Tổng kết, báo cáo và so sánh các kết quả đạt được

Dựa trên kết quả từ mô phỏng và điều khiển thực nghiệm mô hình quạt gió tấm phẳng, học viên sẽ phân tích các ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển hiện tại Mục tiêu là đề xuất phương pháp cải tiến nhằm phát triển bộ điều khiển hiệu quả hơn.

Tóm lược nội dung luận văn

Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống có trễ và các công trình nghiên cứu liên quan, phân tích các ưu khuyết điểm của các giải thuật điều khiển cho hệ thống có trễ Từ đó chọn ra bộ điều khiển được cho là tốt nhất đó là Two-degree-of-freedom-control để tiến hành nghiên cứu và phát triển, sau đó sẽ áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng để kiểm chứng

Chương 2: Trình bày chi tiết lý thuyết của bộ điều khiển Two-degree-of-freedom- control Từ đó nhận ra được khuyết điểm của bộ điều khiển, đó là bộ điều khiển Two- degree-of-freedom-control được xây dựng dựa trên hàm truyền của đối tượng Nhưng thực tế ta không thể xác định được chính xác hàm truyền của hệ thống, cụ thể là mô hình quạt gió tấm phẳng, nên cũng không thể áp dụng bộ điều khiển vào đối tượng thật Để khắc phục khuyết điểm này, một giải pháp được đưa ra là chúng ta sẽ kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển tự chỉnh định STR Bộ điều khiển STR có nhiệm vụ cập nhật các thông số của mô hình toán của đối tượng, sau đó đưa các thông số này vào bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác cho đối tượng hoạt động đúng yêu cầu đặt ra

Chương 3: Tiến hành kết hợp 2 bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control và STR lại với nhau Tuy nhiên, do bộ điều khiển STR được xây dựng ở miền rời rạc z trong khi bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control lại được xây dựng ở miền liên tục s Vì vậy, trước tiên ta sẽ xây dựng lại bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control ở miền z, sau đó sẽ tiến hành xây dựng bộ điều khiển kết hợp và áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng Nội dung tiếp theo sẽ trình bày sơ đồ mô phỏng Matlab/Simulink đã xây dựng cho hệ thống

Chương 4: Sau khi đã có sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh, ta sẽ tiến hành thi công mô hình quạt gió tấm phẳng và áp dụng bộ điều khiển ở Chương 3 vào mô hình thật Cấu trúc mô hình quạt gió cánh phẳng và bộ điều khiển sẽ được trình bày trong chương này

Chương 5: Nội dung Chương 5 trình bày chi tiết các kết quả đạt được từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm Từ đó sẽ có được những đánh giá chính xác về độ tin cậy cũng như chất lượng của bộ điều khiển, và đưa ra hướng phát triển để hoàn thiện hơn nữa bộ điều khiển.

LÝ THUYẾT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÓ TRỄ

Giới thiệu

Sau quá trình nghiên cứu về các bộ điều khiển cho hệ thống có độ trễ, bộ điều khiển hai bậc tự do đã được lựa chọn để phân tích Bộ điều khiển này phù hợp cho các hệ thống không ổn định và có độ trễ, giúp điều khiển hệ thống theo tín hiệu mong muốn và có khả năng loại bỏ nhiễu hiệu quả.

Sau khi nghiên cứu lý thuyết về bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, chúng tôi tiến hành áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng Tuy nhiên, một khuyết điểm lớn của thuật toán này là nó phụ thuộc vào hàm truyền của đối tượng Thực tế, việc xác định chính xác hàm truyền của hệ thống, đặc biệt là mô hình quạt gió tấm phẳng, là rất khó khăn, dẫn đến việc không thể xây dựng bộ điều khiển một cách chính xác.

Chúng ta sẽ kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển tự chỉnh định STR để khắc phục khuyết điểm Bộ điều khiển STR có nhiệm vụ tự xác định mô hình toán của đối tượng và cập nhật các thông số của mô hình vào bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác, giúp đối tượng hoạt động đúng theo yêu cầu.

Chương này sẽ giới thiệu lý thuyết về hai loại bộ điều khiển: bộ điều khiển tự chỉnh định STR và bộ điều khiển cho hệ thống có trễ theo mô hình hai bậc tự do.

Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR

Để thiết kế bộ điều khiển cho một đối tượng cụ thể, cần xây dựng mô hình toán học mô tả đối tượng đó Đối với hệ thống có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra, hàm truyền là mô hình toán học phổ biến nhất.

Chất lượng điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình toán học mô tả đối tượng Để hệ thống duy trì chất lượng theo chỉ tiêu thiết kế, cần giả định rằng đối tượng không thay đổi, tức là độ chính xác của mô hình được giữ nguyên Tuy nhiên, trong thực tế, các mô hình toán học luôn có sai lệch so với đối tượng thật, và trong quá trình làm việc, đối tượng cũng có sự thay đổi Điều này dẫn đến sai lệch giữa mô hình và đối tượng ngày càng lớn, ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng so với chỉ tiêu thiết kế.

Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định (STR) có khả năng tự xác định lại mô hình toán học của đối tượng và tự điều chỉnh để phù hợp với sự thay đổi của đối tượng trong quá trình làm việc.

Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định đơn giản nhất là bộ thích nghi tự chỉnh tham số, chỉ điều chỉnh các tham số ai và b j của mô hình đối tượng mà không thay đổi cấu trúc bộ điều khiển Nguyên tắc điều khiển STR thuộc nhóm điều khiển thích nghi gián tiếp, vì các tham số của bộ điều khiển được hiệu chỉnh thông qua kết quả từ cơ cấu nhận dạng.

Hình 2.1: Cấu trúc chung của bộ điều khiển STR

Sau đây ta sẽ xây dựng các công thức ước lượng trực tuyến thông số hàm truyền rời rạc của đối tượng

+ e w Bộ điều khiển Đối tượng

Tham số ai, bj của G(z)

Xác định tham số bộ điều khiển

Thuật toán ước lượng bình phương tối thiểu đệ quy: ˆ( ) ˆ( 1) ( ) ( )

Bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control

Bộ điều khiển này phù hợp cho các hệ thống có độ trễ và không ổn định, với khả năng điều khiển theo tín hiệu mong muốn và khử nhiễu hiệu quả Nguyên lý hoạt động bắt đầu bằng việc sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ hoặc bộ điều khiển vi phân-tỉ lệ để ổn định hệ thống, tiếp theo là việc xây dựng bộ điều khiển bám dựa trên tiêu chuẩn ISE (Integral-Squared-Error) nhằm đạt được giá trị đặt mong muốn.

Cấu trúc của bộ điều khiển như sau:

Hình 2.2: Bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control

- G mo : thành phần không phụ thuộc tính trễ của mô hình Gp m s

- GC: bộ điều khiển ổn định

- C: bộ điều khiển bám theo tín hiệu đặt

2.3.1 Bộ điều khiển ổn định G C

Hàm truyền hệ kín của bộ điều khiển:

Nếu Gmo là mô hình toán chính xác của thành phần không phụ thuộc tính trễ của GP, hàm truyền hệ kín được đơn giản thành:

Trong phương trình đặc trưng, không còn yếu tố thời gian trễ, cho thấy vai trò ổn định hóa của bộ điều khiển GC Do đó, chúng ta có thể thiết kế bộ điều khiển này bằng cách áp dụng tiêu chuẩn Routh-Hurwitz để đánh giá tính ổn định của hệ thống.

Không làm mất đi tính tổng quát của bộ điều khiển, ta khảo sát đối tượng có hàm truyền cụ thể như sau:

Phương trình đặc trưng τs – 1 + k.GC = 0 (2.10) Áp dụng tiêu chuẩn Routh-Hurwitz, để hệ thống ổn định thì k.G C – 1 > 0

Từ đó ta chọn GC sao cho: G C > 1/k

2.3.2 Bộ điều khiển bám theo tín hiệu đặt C

Chuẩn ISE - min‖ ‖ được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển C, nghĩa là phải đạt được

Với W(s) có thể được chọn là 1/s khi ngõ vào là hàm step

Ta khảo sát đối tượng có hàm truyền:

Thực hiện phương pháp xấp xỉ v/v order all-pass Páde cho thời gian trễ e -θs

Bộ điều khiển C được xác định bằng phương pháp giải tích, ta có:

Theo tính trực giao của chuẩn H2:

W s H s cực tiểu khi số hạng thứ 2 của vế phải bằng 0

Hàm bù nhạy khử nhiễu cho hệ kín:

Bộ ước lượng nhiễu F giúp nhận diện sai số tại ngõ ra của hệ thống và tạo ra tín hiệu nghịch đảo tương ứng để khử nhiễu Để thực hiện quá trình khử nhiễu hiệu quả, cần đảm bảo điều kiện lim ( ) 0 i s p H do s.

Với pi là cực của hệ thống và m là số lượng cực

Dựa vào tiêu chuẩn tối ưu H2 của lý thuyết mô hình nội, hàm bù nhạy có dạng như sau:

(2.20) Với: λf: thông số điều chỉnh được l: bậc tương đối của hệ thống m: số cực của hệ thống ai được xác định từ phương trình (2.18) và (2.19)

Từ đó ta có bộ ước lượng nhiễu:

Xét hệ thống có hàm truyền:

Hệ có l = 1 và m = 1 Hàm bù nhạy như sau:

Với a1 được xác định như sau:

Sự tồn tại của zero s = 1/τ gây ra sự không ổn định cho bộ ước lượng nhiễu Vì vậy, phương pháp khai triển Maclaurin được áp dụng cho bộ ước lượng nhiễu F Cực s = 0 có thuộc tính tích phân, giúp loại bỏ sai lệch đầu ra so với tín hiệu đặt.

Do đó F sẽ có dạng F(s) = M(s)/s, tiến hành khai triển Maclaurin

Ta thấy 3 thông số đầu tiên của biểu thức khai triển Maclaurin ở trên chính là dạng toán học của bộ điều khiển PID thông thường

Từ đó ta chọn bộ ước lượng nhiễu F có dạng như sau:

Kết luận

Dựa trên các lý thuyết đã nêu, chúng tôi sẽ kết hợp bộ điều khiển hai bậc tự do và bộ điều khiển tự chỉnh định STR để tạo ra bộ điều khiển tối ưu Sau đó, bộ điều khiển này sẽ được áp dụng vào mô hình quạt gió cánh phẳng, với chi tiết cụ thể sẽ được trình bày trong Chương 3.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG QUẠT GIÓ TẤM PHẲNG

Mô hình hóa hệ thống quạt gió tấm phẳng

3.1.1 Mô tả cấu tạo phần cứng

Hình 3.1: Mô hình hệ quạt gió tấm phẳng

Hệ thống bao gồm một quạt DC 24V và một tấm phẳng nhẹ, có khả năng xoay quanh trục cố định Quạt được điều khiển thông qua mạch cầu H, cho phép điều chỉnh hiệu quả hoạt động của hệ thống.

PWM Tín hiệu hồi tiếp về là góc quay tấm phẳng, góc quay được xác định bằng encoder, trục encoder trùng với trục quay của tấm phẳng

Sau khi nghiên cứu lý thuyết về các bộ điều khiển cho hệ thống có độ trễ, chúng tôi tiến hành mô hình hóa quạt gió tấm phẳng Mục tiêu là xây dựng sơ đồ trong Matlab/Simulink và kiểm tra hiệu quả của các bộ điều khiển thông qua phương pháp mô phỏng.

Hình 3.2: Các thông số vật lý của hệ thống

Xét hệ thống quạt gió tấm phẳng với các thông số vật lý như sau:

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa vật lý

M kg Khối lượng tấm phẳng l m Chiều dài tấm phẳng θ rad Góc nghiêng của tấm phẳng so với phương thẳng đứng g m/s Gia tốc trọng trường

J kg m Momen quán tính của tấm phẳng b Hệ số ma sát ở trục quay τ s Thời gian trễ

Xét phương trình Euler – Lagrange có dạng như sau: d L L P dt q q q Q

P : năng lượng tiêu hao q : tọa độ theo từng biến Với hệ thống quạt gió tấm phẳng thì q chính là góc nghiêng θ

Xét các thành phần sau :

- Động năng của tấm phẳng :

- Thế năng của tấm phẳng :

Tính các đạo hàm riêng :

Ngoại lực tác dụng lên tấm phẳng chính là lực gió F do cánh quạt gây ra, gọi u là tín hiệu ngõ vào của quạt gió, ta có:

Q = F = f(u(t - τ)) (3.11) f : hàm phi tuyến tượng trưng cho cánh quạt

Ta thu được phương trình vi phân đặc trưng cho hệ thống quạt gió tấm phẳng như sau :

Thiết kế bộ điều khiển ứng dụng trong mô hình quạt gió tấm phẳng

Lý thuyết về bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control chỉ áp dụng cho hệ thống có hàm truyền cố định, nhưng trong thực tế, hàm truyền và các thông số của hệ thống thường thay đổi Để khắc phục vấn đề này, chúng ta kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR Bộ điều khiển STR sẽ liên tục cập nhật các thông số của hệ thống, từ đó cung cấp tín hiệu điều khiển chính xác cho bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control.

Bộ điều khiển STR được phát triển trong miền rời rạc z, trong khi bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control cũng được xây dựng lại trong miền này Sau đó, hai bộ điều khiển sẽ được kết hợp với nhau để tối ưu hóa hiệu suất.

3.2.1 Hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng ở miền z Để xây dựng được bộ điều khiển cho hệ thống quạt gió tấm phẳng ở miền rời rạc z, trước tiên ta phải có hàm truyền của hệ ở miền z

Phương trình toán hệ quạt gió tấm phẳng:

Gần đúng quan hệ giữa lực gió F và điện áp vào u của quạt bằng một hàm tuyến tính : f(u(t – τ)) = K.u(t – τ) (3.13)

Phương trình vi phân trở thành :

Rời rạc hóa phương trình vi phân:

Xấp xỉ sinθ(k) = θ(k), phương trình trở thành:

Ta thấy hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng ở miền z có dạng:

Chuẩn hóa hàm truyền, ta được:

3.2.2 Xây dựng bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control ở miền z

Cấu trúc của bộ điều khiển như sau:

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển ở miền z

- G P : mô hình của đối tượng

- Gmo: thành phần không phụ thuộc tính trễ của mô hình Gp

- GC: bộ điều khiển ổn định

- C: bộ điều khiển bám theo tín hiệu đặt

- F: bộ ước lượng nhiễu a Bộ điều khiển ổn định G C

Nếu Gmo là mô hình toán chính xác của thành phần không phụ thuộc tính trễ của GP, hàm truyền hệ kín được đơn giản thành:

Quy đồng mẫu, ta được

Xét chuẩn Routh-Hurwith mở rộng, thay 1

(3.23) Để hệ thống ổn định:

Xét riêng hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng:

Chuẩn Routh-Hurwith mở rộng:

Vì quạt gió tấm phẳng là hệ ổn định nên ta có:

Từ hệ phương trình (3.24) và (3.27), để hệ kín ổn định thì:

=> chọn G c (z) = K (3.28) b Bộ điều khiển bám C(z)

Chuẩn ISE - min‖ ‖ được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển C

Nghĩa là phải đạt được ‖ ( )(1− ( ))‖

Với W(z) có thể được chọn là 1

 khi ngõ vào là hàm step

Ta đã có hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng:

Thực hiện xấp xỉ v/v order all-pass Páde cho thời gian trễ :

Bộ điều khiển C được xác định bằng phương pháp giải tích, ta có:

Theo tính trực giao của chuẩn H2:

W z H z cực tiểu khi số hạng thứ 2 của vế phải bằng 0 Từ đó ta chọn:

Theo lý thuyết về bộ điều khiển hai bậc tự do cho hệ liên tục đã được giới thiệu trong Chương 2, chúng ta lựa chọn bộ ước lượng nhiễu F có cấu trúc tương tự như bộ điều khiển PID.

3.2.3 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR cho hệ quạt gió tấm phẳng

Hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng:

Bộ điều khiển STR sẽ cập nhật các thông số của đối tượng là [a1 , a 2 , K] và cung cấp cho bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control

Từ hàm truyền của hệ ta suy ra:

Thuật toán ước lượng bình phương tối thiểu đệ quy: ˆ( ) ˆ( 1) ( ) ( )

Mô phỏng Matlab – Simulink

Dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày, chúng ta có thể xây dựng một bộ điều khiển hoàn chỉnh cho hệ thống quạt gió tấm phẳng với sơ đồ thiết kế cụ thể.

Hình 3.4: Chương trình mô phỏng hệ quạt gió tấm phẳng Ý nghĩa của các khối trong chương trình mô phỏng:

- Khối Fan and Plate: chứa mô hình toán của hệ quạt gió tấm phẳng

Hình 3.5: Mô hình toán hệ quạt gió tấm phẳng

Các thông số vật lý của hệ thống trong sơ đồ Simulink được chọn tương đương với mô hình thật:

- Khối lượng tấm phẳng: M = 0,1 kg

- Hệ số ma sát ở trục quay: b = 0,01

- Hệ số tỉ lệ giữa lực gió và điện áp cấp vào motor: k = 0,0025

- Thời gian lấy mẫu: Ts = 10 ms

- Thời gian trễ: 10 chu kỳ

- Khối STR estimation: chính là bộ ước lượng trực tuyến các thông số của hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng

Hình 3.6: Bộ ước lượng STR

- Khối Gc: Bộ điều khiển ổn định của Two-degree-of-freedom-control, với GC = K

- Khối C: bộ điều khiển bám với

Hình 3.8: Bộ điều khiển bám C

- Khối F_PID: bộ ước lượng nhiễu F có dạng tương tự như bộ điều khiển PID

Hình 3.9: Bộ ước lượng nhiễu F

- Khối G_mo: mô hình toán không phụ thuộc tính trễ, 2 1

Hình 3.10: Thành phần không phụ thuộc tính trễ G mo

Sau khi hoàn thiện sơ đồ Matlab-Simulink, chúng ta sẽ tiến hành thí nghiệm mô phỏng để đánh giá chất lượng đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển đã thiết lập Kết quả mô phỏng sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 5, kèm theo các kết quả thực nghiệm, giúp độc giả so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm một cách rõ ràng.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Mô hình cơ khí

Đây là mô hình hệ quạt gió tấm phẳng được sử dụng trong luận văn:

Hình 4.1: Mô hình quạt gió tấm phẳng

Mô hình hệ quạt gió tấm phẳng bao gồm các thành phần chính, trong đó quạt là động cơ DC 24V được điều khiển qua mạch cầu H bằng phương pháp điều rộng xung PWM, có chức năng tạo ra lực gió tác động lên tấm phẳng.

Encoder tấm phẳng được làm từ mica, nhẹ và có khả năng xoay quanh trục cố định nhờ hai bạc đạn Encoder có nhiệm vụ truyền tín hiệu đo góc nghiêng của tấm phẳng về mạch điều khiển, với trục của encoder trùng với trục quay của tấm phẳng Mô hình sử dụng encoder E6B2-CWZ6C của OMRON, có độ phân giải 360 xung/vòng trên hai kênh tín hiệu A và B lệch nhau 90 độ Bằng cách sử dụng chức năng Quadrature-count của khối đọc encoder eQEP trong DSP, độ phân giải được nhân lên 4 lần, đạt 1440 xung/vòng Khối kẹp được gắn trực tiếp vào trục quay của tấm phẳng, cho phép điều chỉnh ma sát ở trục quay bằng cách siết chặt hoặc thả lỏng, từ đó kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển cho mô hình quạt gió tấm phẳng khi thông số vật lý thay đổi.

Các mạch điện tử

a Vi điều khiển: Sử dụng board DSP 320F28335 dùng jtag 110USB của hãng Texas

Bộ điều khiển DSP nhận tín hiệu từ encoder để xác định góc nghiêng của tấm phẳng Dựa trên thông tin này, bộ điều khiển tính toán điện áp cung cấp cho quạt gió và xuất xung PWM để điều khiển motor.

Mạch điều khiển của DSP 320F28335 có vai trò quan trọng trong việc cấp nguồn 5V cho DSP hoạt động, đồng thời truyền tín hiệu từ encoder về DSP và phát xung PWM từ DSP ra mạch công suất Đặc biệt, mạch này sử dụng IC chuyển mức 5V – 3V3 74LVC1T45 để hạ tín hiệu từ encoder xuống mức 3V3 trước khi đưa vào DSP.

Mạch công suất sử dụng mạch cầu H để điều khiển tốc độ động cơ DC, từ đó điều chỉnh góc nghiêng của tấm phẳng.

Phần mềm – Lưu đồ giải thuật

Chương trình điều khiển trong luận văn được phát triển thông qua thư viện Target for TI C2000, tích hợp trong Simulink của Matlab, kết nối với Code Composer Studio của TI Phương pháp này cho phép người dùng chuyển đổi chương trình Simulink sang ngôn ngữ C và sau đó biên dịch thành mã máy cho vi điều khiển.

Mô hình thực của hệ quạt gió tấm phẳng bao gồm tấm phẳng quay tự do quanh một trục cố định, kết hợp với motor gắn cánh quạt tạo ra lực gió tác động lên tấm phẳng Góc nghiêng của tấm phẳng được phản hồi qua chuỗi xung encoder, giúp người dùng dễ dàng hình dung tổng quát về hệ thống.

Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động của mô hình

MCU: mạch điều khiển dùng DSP TMS320F28335, mạch điều khiển nhận tín hiệu từ encoder, điều khiển điện áp của động cơ quạt gió theo phương thức PWM

Máy tính: giao tiếp với MCU thông qua chuẩn RS232, hiển thị tín hiệu đặt và đáp ứng bằng giao diện VB

Bộ điều khiển hoạt động với thời gian lấy mẫu là 10ms, các khối trong bộ điều khiển có cấu tạo và ý nghĩa như sau:

Khối Fan và Plate nhận tín hiệu từ encoder để tính toán góc nghiêng của tấm phẳng thông qua khối eQEP Sau đó, nó xuất xung PWM để điều khiển motor thông qua khối ePWM.

Hình 4.7: Khối Fan and Plate

Khối STR có nhiệm vụ ước lượng trực tuyến các thông số của hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng Sau khi xác định, các thông số này sẽ được đưa vào các khối Gc, Gmo và C của bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, từ đó tính toán điện áp cung cấp cho motor.

- Khối Gc: đóng vai trò ổn định hệ thống, như đã trình bày ở Chương 3, ta chọn Gc = K với K = theta(3)

- Khối C: giúp đáp ứng của hệ thống bám theo tín hiệu đặt, C được chọn như sau:

Với bộ 3 thông số [a1,a2,K] = [theta(1),theta(2),theta(3)]

Khối F có chức năng quan trọng trong việc khử nhiễu, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả ngay cả trong những điều kiện bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường bên ngoài, chẳng hạn như gió.

Với các hệ số kp, TI và TD được xác định bằng phương pháp thử sai

- Khối G_mo: hàm truyền không xét đến yếu tố trễ của hệ quạt gió tấm phẳng

Với bộ 3 thông số [a1,a 2 ,K] = [theta(1),theta(2),theta(3)]

Khối DoubletoInt8 chuyển đổi kiểu dữ liệu của góc đặt và góc nghiêng đo được của tấm phẳng từ kiểu Double sang kiểu Int8, sau đó truyền dữ liệu này đến khối SCI.

- Khối SCI Transmit: giữ vai trò truyền thông nối tiếp chuẩn RS232 với máy tính điều khiển

Tôi đã hoàn thiện bộ điều khiển cho hệ quạt gió tấm phẳng Kết quả sẽ được trình bày trong Chương 5, bao gồm cả kết quả mô phỏng Simulink để so sánh giữa mô phỏng và thực tế.

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Các thông số vật lý của hệ quạt gió tấm phẳng được chọn tương đương với thông số của mô hình thật:

- Khối lượng tấm phẳng: M = 0,1 kg

- Hệ số ma sát ở trục quay: b = 0,01

- Hệ số tỉ lệ giữa lực gió và điện áp cấp vào motor: k = 0,0025

- Thời gian lấy mẫu: Ts = 10 ms

- Thời gian trễ: 10 chu kỳ

Bộ điều khiển tự chỉnh định STR có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống bằng cách xác định chính xác các thông số mô hình Vai trò của nó là cung cấp dữ liệu cho bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, trong đó hệ số học lamda là thông số quan trọng, quyết định trọng số của dữ liệu theo thời gian.

Các mô phỏng sẽ được thực hiện với các hệ số lamda khác nhau, và các kết quả thu được sẽ được so sánh để xác định hệ số lamda tối ưu cho hệ thống Điều này sẽ tạo nền tảng cho việc áp dụng bộ điều khiển vào mô hình thực tế.

Hình 5.1: Đáp ứng với hệ số học lamda = 0.95

Tin hieu dat Dap ung

Tin hieu datDap ung

- Hệ thống đáp ứng với chất lượng tốt với sai số xác lập exl = 0 và thời gian xác lập ngắn txl = 2 s

- Khi tăng lamda: đáp ứng trong quá trình quá độ sẽ ít dao động và giảm vọt lố Tiếp tục tăng hệ số lamda, ta được:

Tin hieu datDap ung

- Từ những kết quả mô phỏng đã tiến hành, ta thấy hệ thống hoạt động tốt với lamda = 0.95 ÷ 0.999

Hệ thống đã đạt được chất lượng điều khiển tốt sau một chu kỳ, với không có dao động trong quá trình quá độ và độ vọt lố rất thấp.

5.1.2 Ảnh hưởng bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control đến chất lượng hệ thống

Chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng để kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển hai bậc tự do, nhằm xác định các thông số tối ưu cho hệ thống điều khiển.

Bộ điều khiển Two-degree-of-freedom bao gồm ba khối chính: khối ổn định Gc, khối điều khiển bám C và khối ước lượng nhiễu F Trong đó, khối ổn định Gc đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống, trong khi khối điều khiển bám C giúp hệ thống theo dõi và điều chỉnh theo các tín hiệu đầu vào.

Bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control được thiết kế để ổn định hệ không ổn định, với bộ điều khiển Gc giữ vai trò quan trọng trong việc ổn định hệ thống Đối với quạt gió tấm phẳng, một hệ thống ổn định, điều kiện xác định Gc trở nên tương đối đơn giản: GC(z).K > 0.

Bộ điều khiển C có dạng:

Trong mô hình toán hệ thống, ba thông số a1, a2 và K đóng vai trò quan trọng Đặc biệt, trong bộ điều khiển bám C(z), sự xuất hiện của GC(z) là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả Do đó, việc thay đổi các thông số này cần được thực hiện cẩn thận để duy trì hiệu suất của hệ thống.

G C (z), ta phải tính toán lại C(z) cho phù hợp

Với điều kiện GC(z).K > 0, ta có nhiều cách chọn GC(z) khác nhau, sau đây là các kết quả nhận được với các cách chọn GC(z) khác nhau

Hình 5.6: Đáp ứng với G C (z) = K và ( ) =

Hình 5.7: Đáp ứng với G (z) = 100K và ( ) =

Tin hieu datDap ung

Hình 5.8: Đáp ứng với G C (z) = 1/K và ( ) =

Kết quả thu được cho thấy đáp ứng của hệ thống duy trì chất lượng tốt và ổn định Điều này chứng minh rằng chỉ cần lựa chọn GC(z) thỏa mãn điều kiện GC(z).K > 0 và tính toán lại C(z) tương ứng, ta sẽ có được bộ điều khiển đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

Tin hieu datDap ung b Khối ước lượng nhiễu F

Khối F có phương trình toán:

Khối F đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán điện áp điều khiển u cấp cho motor, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ thống Do đó, chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng với các giá trị khác nhau cho các tham số k p, T I và T D, nhằm xác định những thông số tối ưu nhất cho hệ thống.

- Xét ảnh hưởng của kp, T I và T D được giữ cố định (TI = 0.2 và T D = 0.2)

Hình 5.9: Ảnh hưởng của k p đến chất lượng hệ thống

Nhận xét: đáp ứng gần như không đổi với các giá trị khác nhau của kp nên có thể xem k không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống

Thoi gian goc nghieng (do)

Tin hieu datDap ung

- Xét ảnh hưởng của TI, kp và TD được giữ cố định (kp = 0.2 và TD = 0.2)

Hình 5.10: Ảnh hưởng của T I đến chất lượng hệ thống

Nhận xét: giá trị TI lớn sẽ làm hệ thống dao động và không đạt đến trạng thái xác lập, nên chọn các giá trị TI nhỏ trong khoảng 0.05 ÷ 1

Tin hieu datDap ung

- Xét ảnh hưởng của TD, kp và TI được giữ cố định (kp = 0.2 và TI = 0.2)

Hình 5.11: Ảnh hưởng của T D đến chất lượng hệ thống

Nhận xét: đáp ứng gần như không đổi với các giá trị khác nhau của TD nên có thể xem T D không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống

5.1.3 Đáp ứng của hệ thống khi thông số mô hình thay đổi

Sau khi nắm vững tác động của các thông số bộ điều khiển đến chất lượng hệ thống, chúng ta có thể lựa chọn bộ điều khiển ổn định và đạt hiệu suất tối ưu Thông tin chi tiết về bộ điều khiển này được trình bày trong Chương 3.

Bộ điều khiển được thiết kế dựa trên các thông số vật lý của hệ quạt gió tấm phẳng đã được xác định, tuy nhiên, việc xác định chính xác các thông số này là rất khó khăn, chẳng hạn như hệ số ma sát b ở trục quay và hệ số tỉ lệ K giữa lực gió và điện áp cấp.

Tin hiệu đầu vào sẽ được áp dụng cho motor, do đó, học viên sẽ thực hiện mô phỏng với các giá trị của b và K thay đổi để quan sát phản ứng của hệ thống.

Bộ điều khiển được xây dựng với b = 0.05 và K = 0.0025, ta được đáp ứng như sau:

Hình 5.12: Đáp ứng của hệ thống

Hệ thống đã cho thấy phản hồi tốt sau một chu kỳ điều khiển, với không có dao động trong quá trình quá độ Đặc biệt, vọt lố được giữ ở mức thấp, thời gian xác lập chỉ khoảng 2 giây và sai số xác lập bằng không.

Chúng tôi sẽ giữ lại bộ điều khiển trên và điều chỉnh các giá trị b và K để kiểm tra khả năng đáp ứng của hệ thống trước những thay đổi trong thông số mô hình Điều này tạo cơ sở cho việc ứng dụng bộ điều khiển vào mô hình thực tế, vì các thông số này thường không thể xác định chính xác Kết quả thu được như sau:

Tin hieu datDap ung

Giữ nguyên K = 0,0025 và thay đổi b

Hình 5.13: Đáp ứng của hệ thống với b = 0,15

Tin hieu datDap ung

Nhận xét: bộ điều khiển được xây dựng với b = 0,05 nhưng vẫn hoạt động tốt khi b thay đổi trong tầm 0,005 ÷ 0,15

Tin hieu datDap ung

Giữ nguyên b = 0,05 và thay đổi K

Hình 5.17: Đáp ứng của hệ thống với K = 0,0075

Tin hieu datDap ung

Nhận xét: hệ thống làm việc tốt với K thay đổi trong khoảng 0,0025 ÷ 0,0075, khi K bé thì lực gió từ motor sẽ không đủ làm nghiêng tấm phẳng đến góc 25 0

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy bộ điều khiển hoạt động hiệu quả, với đáp ứng hệ thống đạt chất lượng cao và khả năng thích ứng tốt với sự thay đổi của các thông số không xác định chính xác Điều này tạo niềm tin rằng bộ điều khiển sẽ hoạt động ổn định trên mô hình thực Bộ điều khiển sẽ được nạp vào vi điều khiển nhúng DSP28335, và kết quả thực nghiệm sẽ được trình bày trong phần sau.

Tin hieu datDap ung

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	5,26 MB