Tài liệu Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NHẬN DẠNG MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH KHÍ NÉN Sinh viên thực hiện Cán bộ hướng dẫn Huỳnh Thanh Hiệp 1111086 TS. Ngô Quang Hiếu Cần Thơ, tháng 5 năm 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NHẬN DẠNG MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ XY LANH KHÍ NÉN Sinh viên thực hiện: Cán bộ hướng dẫn: Huỳnh Thanh Hiệp MSSV: 1111086 Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử TS. Ngô Quang Hiếu Thành viên Hội đồng: ThS.GV Nguyễn Huỳnh Anh Duy ThS.GV Trần Nhựt Thanh ThS.GV Phạm Trần Lam Hải Luận văn được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ vào ngày: 23/05/2015. Có thể tìm hiểu luận văn tại: 1. Thư viện Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ 2. Website: http://www.ctu.edu.vn NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Nguyễn Huỳnh Anh Duy i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Trần Nhựt Thanh ii NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Phạm Trần Lam Hải iii LỜI CAM ĐOAN Hiện tại, phòng thí nghiệm Thủy lực và Khí nén được trang bị bộ thí nghiệm điều khiển vị trí xy lanh khí nén. Với mục tiêu nhận dạng mô hình, thiết kế bộ điều khiển bền vững và chính xác cho mô hình thực tế, đề tài “Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén” được thực hiện với mục tiêu là thiết kế bộ điều khiển vị trí đáp ứng việc điều khiển vị trí của hệ thống. Vì vậy em chọn đề tài này để làm luận văn tốt nghiệp cho mình. Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành quả của em đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy NGÔ QUANG HIẾU. Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào. Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường. Cần Thơ, ngày 23 tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực hiện Huỳnh Thanh Hiệp iv LỜI CẢM ƠN Qua nhiều năm tháng em đã các Thầy, Cô trong trường Đại học Cần Thơ nói chung và các Thầy, Cô Khoa Công Nghệ nói riêng tận tình chỉ bảo và truyền đạt kiến thức về chuyên môn, các kiến thức chuyên ngành giúp em mở mang tri thức, bên cạnh đó còn giáo dục về tư cách và đạo đức của một kỹ sư. Đây là hành trang vô cùng quý báo giúp em trong cuộc sống sau khi ra trường. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại học Cần Thơ. Đặc biệt, người em xin chân thành cảm ơn đến TS. Ngô Quang Hiếu đã tận tình, chỉ dẫn, giúp đỡ, hướng dẫn và đưa ra lời khuyên hữu ích và tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em về trang thiết bị và cơ sở vật chất để giúp em hoàn thành luận văn này. Cảm ơn thầy cố vấn học tập thầy Trần Nhựt Thanh, Võ Minh Trí, Nguyễn Chánh Nghiệm đã giảng dạy và định hướng cho em trong suốt quá trình học tập. Cảm ơn thầy Nguyễn Minh Luân, Phạm Trần Lam Hải, Nguyễn Văn Khanh và các thầy trong Bộ môn Tự Động Hóa, Bộ môn Kỹ thuật cơ khí và các Bộ môn khác tận tình giúp đỡ em trong thời gian học tập tại trường. Cảm ơn các bạn Nguyễn Văn Tuấn Hải, Nguyễn Tuấn Kiệt, Nguyễn Thành Long, Lâm Chí Cường anh Nguyễn Thanh Phong và các bạn trong nhóm máy “Đếm tôm giống có năng suất 6000con/ giờ” và các bạn bè trong lớp kỹ thuật cơ điện tử K37 đã động viên và giúp đỡ em. Sau cùng, em xin chân thành tri ân vô vàn đến đấng xin thành và các thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện và giúp đỡ và hỗ trợ về mặt tinh thần và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành được ước mơ học tập tại trường Đại học Cần Thơ. Sinh viên thực hiện đề tài Huỳnh Thanh Hiệp v MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN .................................................... i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1.................................................... ii NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ iv MỤC LỤC ........................................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix KÍ HIỆU VÀ VIẾT TĂT .................................................................................. x TÓM TẮT ......................................................................................................... 1 ABSTRACT ...................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .............................................................................. 2 1.1 ĐẶT VẮN ĐỀ ..................................................................................................2 1.2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU .................................................................................3 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI.................................................................6 1.3.1 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................6 1.3.2 Phạm vi của đề tài .....................................................................................7 1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT ....................................................................................7 1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO ...........................................................................7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC .................................................................... 8 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................8 2.1.1 Mô hình hóa hệ khí nén ...........................................................................8 2.1.2 Bộ điều khiển PID và mô hình tương đương vòng kín .........................15 2.1.3 Bộ điều khiển trượt (Sliding mode control, SMC) ................................16 2.1.4 Bộ điều khiển trượt SMC kiểu PID .......................................................19 CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................ 24 3.1 NỘI DUNG .....................................................................................................24 3.1.1 Nhận dạng mô hình ...............................................................................24 3.1.2 Thiết kế hệ thống điều khiển .................................................................26 3.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................................................31 vi 3.2.1 Kết quả mô phỏng .................................................................................31 3.2.2 Kết quả thực nghiệm .............................................................................32 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 39 4.1 KẾT LUẬN.....................................................................................................39 4.2 KIẾN NGHỊ ....................................................................................................39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 40 PHỤ LỤC 1: NI myRIO-1900 ........................................................................ 44 PHỤ LUC 2: MẠCH TĂNG ÁP TĂNG DÒNG............................................ 47 PHỤ LỤC 3: XY LANH KHÍ NÉN ............................................................... 48 PHỤ LỤC 4: CẢM BIẾN VỊ TRÍ .................................................................. 49 PHỤ LỤC 5: VAN .......................................................................................... 50 vii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống làm việc ..............................................................................8 Hình 2.2: Sơ đồ van 5 cửa 3 vị trí của FESTO ...........................................................9 Hình 2.3: Giản đồ lưu lượng theo điện áp của van FESTO ........................................9 Hình 2.4: Sơ đồ khối vòng điều khiển PID ...............................................................15 Hình 2.5: Đồ thị của hàm 𝒔𝒊𝒈𝒏(𝒙), 𝒔𝒂𝒕(𝒙), 𝒕𝒂𝒏𝒉(𝒙) ............................................18 Hình 2.6: Hiện tượng dao động quanh mặt trượt ......................................................18 Hình 2.7: Bộ điều khiển SMC-PID ...........................................................................22 Hình 3.1: Code LabVIEW xác định tín hiệu vào ra ..................................................24 Hình 3.2: Tín hiệu vào ra của hệ thống .....................................................................25 Hình 3.3: Hộp công cụ nhận dạng hệ thống trong Matlab ........................................25 Hình 3.4: Tỷ lệ phần trăm phù hợp nhất với mô hình hàm truyền khác nhau ..........26 Hình 3.5: Đáp ứng của hệ thống khi chưa có hàm truyền.........................................27 Hình 3.6: Mô phỏng hệ thống vòng kín của hệ thống có PID ..................................27 Hình 3.7: Công cụ tự dò tìm thông số PID của Matlab ............................................28 Hình 3.8: Đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều khiển PID ......................................29 Hình 3.9: Đồ thị PID đáp ứng có độ vọt lố lớn .........................................................31 Hình 3.10: Đáp ứng hệ thống với PID và SMC-PID ................................................32 Hình 3.11: Mô hình thí nghiệm của hệ thống ...........................................................33 Hình 3.12: Kết quả thực nghiệm đáp ứng PID..........................................................34 Hình 3.13: Code LabVIEW điều khiển xylanh khí nén ............................................35 Hình 3.14: Kết quả thực nghiệm đáp ứng của SMC-PID .........................................36 Hình 3.15: Kết quả thực nghiệm vị trí khác nhau của SMC-PID .............................36 Hình 3.16: Đồ thị vị trí xy lanh hướng xuống dùng SMC-PID ................................37 Hình 3.17: Đồ thị so sánh PID, SMC-PID ................................................................37 Hình 3.18: Biểu đồ so sánh các thông số SMC-PID vàPID ......................................38 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Các thông số đáp ứng của PID, SMC-PID ...............................................32 Bảng 3.2: Thông tin các thành phần thiết bị hệ thống ..............................................34 Bảng 3.3: Thông tin các thành phần mạch giao tiếp .................................................35 ix KÍ HIỆU VÀ VIẾT TĂT 1. Kí hiệu Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa c - hệ số giãn nở nhiệt C - ma trận hệ số Cd - hệ số xả của cửa van 𝑐𝑝 J/Kg nhiệt dung riêng đẳng áp 𝑐𝑣 J/Kg nhiệt dung riêng đẳng tích d - nhiễu đối tượng 𝑒 - sai số 𝑒0 - sai số của PID 𝑒̇ - đạo hàm sai số 𝑒̈ - đạo hàm F - lực tác dụng theo định luật II Newton 𝑓 - hàm phi tuyến 𝑓̂ - khoảng ước lượng của hàm phi tuyến 𝑦𝑑 - giá trị 𝑦𝑟 - giá trị trả về, cảm biến K - hệ số 𝑀𝑝 % Độ vọt lố 𝑃(𝑠) - đa thức đặc trong của hệ thống vòng kín 𝑆 - mặt trượt 𝑡𝑝 S thời gian lên đỉnh 𝑢 - tín hiệu điều khiển 𝑉 - luật điều khiển PID 𝜔1 rad/s cận dưới của 𝜔 𝜔2 rad/s cận trên của 𝜔 𝜔𝑛 rad/s tần số dao động tự nhiên x 𝜔𝑛1 rad/s tần số dao động tự nhiên hàm truyền mới 𝜔 ̂𝑛 rad/s khoảng ước lượng của tần số dao động tự nhiên 𝛿 - tỉ số tắt dần 𝛿1 - cận dưới của 𝛿 𝛿2 - cận dưới của 𝛿 𝛿̂ - khoảng ước lượng của tỷ số tắt dần 𝜆 - hệ số của SMC 2. Viết tắt: CDM Coefficient Diagram Method CSLM Continuous Sliding Mode Control GUI Graphical User Interface P Proportional PI Proportional-Integral PD Proportional- Derivative PID Proportional Integral Derivative SMC Sliding Mode Control SMC-PID Sliding Mode Control Using Proportional Integral Derivative MLO Analogue displacement encoder xi Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén TÓM TẮT Trong báo cáo này, tác giả tập trung nghiên cứu để giải quyết bài toán điều khiển vị trí cho xy lanh khí nén. Hệ xy lanh khí nén bao gồm một xy lanh khí nén không trục và van điều khiển tuyến tính. Do tính phi tuyến của hệ thống quá cao và không đủ các thiết bị đo lường cần thiết dùng để xác định thông số của mô hình nên phương pháp nhận dạng mô hình toán học được sử dụng. Hộp công cụ System Identification của Matlab® tiếp nhận giá trị đo lường ngõ vào và ngõ ra của hệ thống, xử lý và xấp xỉ mô hình toán bởi mô hình đề nghị. Mô hình này được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển vị trí. Bộ điều khiển vị trí đề xuất là sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt (SMC). Thông số bộ điều khiển PID được tinh chỉnh để đảm bảo đạt được giá trị xác lập trong thời gian ngắn nhất. Khi đó, độ vọt lố của hệ thống sẽ xuất hiện và bộ điều khiển SMC sẽ triệt tiêu độ vọt lố trong khi vẫn giữ nguyên thời gian xác lập. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày nhằm thể hiện tính hiệu quả của bộ điều khiển được đề nghị. Từ khóa: Điều khiển trượt, PID, Điều khiển trượt kiểu PID, Xy lanh khí nén. ABSTRACT In this research, the author focused on the position control of a pneumatic system. The pneumatic system consist of a pneumatic cylinder, a propotional control valve. Due to the high nonlinearity of pneumatic system and lack of measurement equipment to deal with the system parameters, the system identificaion method was used to obtaine the approximility model. This model was used to design the control algorithm. The proposed control law is a combination of PID control and settle mode control (SMC). PID gains were tuned to increase the system performance (decrease setling time, reduce the steady state error). SMC was used to eliminate the system overshoot while keeping the same setling time. Simulation and experimental results were provided to show the effective of the proposed control law. Keyword: Sliding Mode Control, PID, Sliding Mode Control - Proportional Integral Derivative, Xylanh Pneumatic. 1 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẮN ĐỀ Lĩnh vực điều khiển tự động đã và đang được xây dựng và ngày càng phát triển hoàn thiện cao, song song bên cạnh đó các mô hình toán học và giải thuật điều khiển đã được áp ụng vào điều khiển. Các giải thuật được ứng dụng cho các điều khiển đơn giản trong môi trường phi tuyến và các mô hình giải thuật phức tạp khi chưa xác định được mô hình nên độ chính xác chưa cao. Trong những năm gần đây lĩnh vực khoa học công nghệ Việt Nam phát triển vượt bậc trong các ngành như: điện tử, công nghệ thông tin và cơ khí và robot, vi xử lý, máy bay không người láy. Góp phần thúc đẩy chúng ta phải phát triển các giải thuật ngày càng chính xác cao và điều khiển thuận lợi phù hợp với nhu cầu công việc cần. Tuy nhiên các đối tượng điều khiển là hệ phi tuyến có tham số không được biết trước là hằng số thay đổi theo thời gian và chịu ảnh hưởng của tác động nhiễu. Đối tượng đơn giản một ngõ vào, một ngõ ra (single input, single output, SISO) cũng đặt ra những yêu cầu phải điều khiển hoàn thiện hơn để càng ngày càng đáp ứng cho đời sống. Bên cạnh đó, cũng như hệ nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra (multi input, multi output, MIMO) cần thiết kế phù hợp. Trong hệ khí nén điều khiển xy lanh được xem là một đối tượng điều khiển là hệ thống động lực phi tuyến có một ngõ ra, nhưng do đặc tính giản nở của khí nén, thiết bị không tốt và tham số không chính xác. Vì thế, muốn điều khiển chính xác, tốc độ cao cần thiết kế bộ điều khiển và thuật toán phải hoàn thiện hơn bộ điều khiển kinh điển. Trong các kỹ thuật điều khiển, việc bám theo quỹ đạo vào tác động nhanh là rất cần thiết. Trước đây nhiều đề tài nghiên cứu dùng bộ điều khiển kinh điển và giải thuật điều khiển giản đồ hệ số (CDM, Coefficient Diagram Method), giải thuật CDM có tính năng ưu việt hơn PID nhưng tìm thông số nhưng chỉ áp dụng hệ bậc thấp. Nhận thấy điều khiển trượt (SMC, Sliding Mode Control) có khả năng thay thế với các đặc điểm điều khiển đơn giản, đáp ứng quá độ tốt, không đòi hỏi mô hình tương đối chính xác.Trong quá trình thiết kế nhận thấy giải thuật SMC cũng có cũng tồn tại 2 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén hiện tượng rung chattering, để khắc phục điều đó đề tài dùng điều khiển trượt dạng PID kinh điển. 1.2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU Hiện nay, kỹ thuật khí nén phát triển, việc điều khiển bằng phần tử logic ngày càng không đáp ứng được nhu cầu phức tạp trong quá trình điều khiển. Cùng với việc phát triển của ngành tự động hóa dựa vào kỹ thuật nén khí ngày càng mạnh mẽ. Chính vì sự phát triển mạnh của khí nén nên nhiều giải thuật và ứng dụng đã xuất hiện. Ở ngoài nước, Điển hình là bộ điều khiển kinh điển vi tích phân tỉ lệ (PID). Trong ứng dụng điều khiển vị trí, các bộ điều khiển PID vẫn còn phổ biến trong điều khiển vị trí vì chúng đa dụng và không yêu cầu thiết kế phức tạp. Đáp ứng của một bộ điều khiển PID có thể được cải thiện bằng cách tinh chỉnh các hệ số bộ điều khiển. Nhiều phương pháp đã được phát triển để điều chỉnh bộ điều khiển PID. Hầu hết các phương pháp này đều tập trung để có được một đáp ứng chấp nhận được dựa trên các chỉ tiêu về độ ổn định, thời gian tăng và thời gian xác lập của hệ thống mà ít chú ý tới độ vọt lố của đáp ứng. Một cách tổng quát có hai phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID. Phương pháp điều chỉnh bằng tay dựa trên hiểu biết về ảnh hưởng của từng hệ số bộ điều khiển để lần lượt tinh chỉnh các độ lợi tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) cho đến khi đạt được đáp ứng mong muốn. Cách làm này mất rất nhiều thời gian và nhiều khi không thể đạt được đáp ứng mong muốn vì sự ảnh hưởng qua lại giữa các thông số bộ điều khiển. Để tăng tốc quá trình điều chỉnh, nhiều phương pháp điều chỉnh tự động đã được đề nghị [4-7-10-19-31-36]. Trong đó, nổi bật nhất là phương pháp Ziegler-Nichols [16]. Phương pháp Ziegler-Nichols chỉ tạm chấp nhận được và các thông số điều khiển cần phải được tinh chỉnh lại để có được đáp ứng mong muốn. Lý do là các phương pháp này dựa vào tiêu chí biên độ dao động tắt dần một phần tư để đạt được đáp ứng chấp nhận được sao cho cân bằng giữa độ ổn định và thời gian lấy mẫu tương ứng với thời gian tắt dần 0.21s và độ vọt lố 20% [34]. Sau đó một phương pháp cũng khác được áp dụng là phương pháp giản đồ hệ số (CDM) đã được phát triển để giải quyết bài toán này. CDM là một cách tiếp cận 3 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén đại số nhằm đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển sử dụng đa thức đặc trưng đã cho và đưa ra thông tin đầy đủ đối với tính ổn định, khả năng đáp ứng và độ bền vững trong giản đồ đơn. Tiếp đó, đã khảo sát hiệu suất của hai bộ điều khiển PI và CDM trên quá trình trao đổi nhiệt phi tuyến. Bộ điều khiển CDM có khả năng cao tính bền vững của hệ thống chống lại sự ma sát của piston, vùng chết của van và sự giản nở của không khí. Kết quả đạt khả quan và độ chính khá cao 99% thời gian lên 0.28s và thời gian quá độ 0.39s [28]. Tuy nhiên điểm hạn chế của giải thuật chỉ có thể điều khiển bậc thấp. Điều khiển kiểu trượt liên tục (CSLM) được trình bày bằng thực nghiệm là bền vững hơn điều khiển kiểu tỷ lệ - vận tốc - gia tốc thông thường hay điều khiển tỷ lệ vi phân - hồi tiếp [32]. Kiểu trượt liên tục có thể giữ được hiệu suất làm việc khi khối lượng tải bị thay đổi. Tuy nhiên, điểm hạn chế của CSLM là yêu cầu các chế độ lấy mẫu khá cao, do đó việc nghiên cứu với kiểu trượt gián đoạn cần được quan tâm. Kết quả là thời gian quá độ dưới 2 giây và vị trí chính xác hơn 0.2 mm cho ba tải khối lượng là 2.2, 8.5 và 25 kg. Sau đó, một kỹ thuật điều khiển PID cơ bản cho hệ thống truyền động khí nén servo đã được phát triển [38]. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy vai trò của hồi tiếp gia tốc là tương tự như hồi tiếp độ chênh lệch áp suất đối với sự ổn định của hệ thống truyền động khí nén. Một kỹ thuật điều khiển PID được trình bày trong nghiên cứu này cải thiện sự ổn định của hệ thống truyền động khí nén và cân bằng cho hệ thống phi tuyến. Một bước phát triển mới của việc điều khiển vị trí bằng LabVIEW™ cho xy lanh khí nén [11] đã chứng minh rằng hệ thống khí nén servo có thể dùng cho điều khiển vị trí chính xác bền vững, không chỉ di chuyển tại hai vị trí dừng đầu và cuối. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển kiểu trượt được đề xuất cho ra đáp ứng nhanh và tính năng quá độ tốt. Ngoài ra, hệ thống điều khiển còn rất bền vững với sự biến thiên của các tham số hệ thống và nhiễu bên ngoài mà không cần mô hình hóa chính xác. Nhưng các giải thuật trên vẫn còn hạn chế tìm thông số bằng tay nên khả năng tối ưu của hệ thống là rất khó khăn. Chính vì thế điều khiển thích nghi hệ phi tuyến [25] hướng đến nghiên cứu giải quyết các bài toán bất định hoặc không rõ các thông số của mô hình dựa trên điều khiển thông minh cũng như điều khiển mờ và 4 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén điều khiển dùng mạng noron được trình bày trong [24-37]. Tuy nhiên hàm chặn dùng cho thiết kế thành phần bền vũng là các giá trị hằng được chọn trước, vì vậy chất lượng điều khiển vẫn phụ thuộc vào việc lựa chọn các giá trị hằng khi thiết kế thành phần điều khiển bền vững. Nhược điểm của phương pháp này là phải đánh đổi giữa chất điều khiển và tính bền vững của hệ thống [25]. Kể từ mạng nơ ron được sử dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mạng nơ ron lan truyền ngược đã được sử dụng để nhận dạng mô hình truyền động điện – thủy lực. Trong những năm gần đây, mạng nơ ron đã được phát triển theo hình thức nhận dạng trực tuyến sử dụng phương pháp mạng nơ ron hồi quy bậc cao. Sau này Gyeviki đã điều khiển trượt để điều khiển vị trí xy lanh khí nén bằng cổng giao tiếp LabVIEW™ tương đối đã chứng minh được điều khiển trượt cho phép phản ứng nhanh chóng tốt hơn. Hơn nữa, hệ thống phản ứng mạnh mẽ hơn các đố tượng nhiễu bên ngoài và không cần mô hình chính xác [11].Nhưng vẫn còn hiện tương ầm ầm do dao động liên tục quanh mặt trượt. Sau này, giải thuật điều khiển trượt (Sliding mode control, SMC) đã phát triển. Với đặc tính có khả năng khử nhiễu, làm giảm bậc hệ thống của hàm truyền. Đáp ứng tốt và tính bền vững cao. Mà cụ thể ứng dụng vào điều khiển vị trí rất khả quan [39]. Kết quả thực tế rất khả quan, đáp ứng thực tế đáp ứng tốt, sai lệch 0.82% so với PID 6.49%. Tuy nhiên, khi thiết kế giải thuật phải biết rõ mô hình và hiện tượng dao động tần số cao tăng lên. Mặc khác, việc chỉnh định các tham số của bộ điều khiển trượt này cho từng đối tượng phi tuyến khó khăn hơn bộ điều khiển PID bền vững. Điều khiển trượt (Sliding mode control - SMC) được ứng dụng nhiều trong 20 năm gần đây [34]. Ý tưởng cơ bản của điều khiển trượt là ép buộc quỹ đạo hệ thống hướng tới một mặt trượt và giữ nó trên bề mặt này bởi một luật chuyển đổi (switching rule). Điều khiển trượt làm giảm bậc của hệ thống, vì vậy dễ đạt được đáp ứng mong muốn. Thêm vào đó, với đặc tính ổn định cao (robustness), điều khiển trượt đối phó tốt với tính phi tuyến, nhiễu và sai số mô hình hóa. Tuy nhiên để thiết kế được bộ điều khiển trượt, cần phải biết mô hình của hệ thống hoặc ít nhất là biết mô hình gần đúng của hệ thống cần điều khiển. Ý tưởng kết hợp điều khiển PID và SMC đã được phát triển trong [35] với bộ điều khiển PID nằm ở vòng trong và SMC ở vòng 5 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén ngoài. Chứng minh điều khiển trượt kiểu PID có tính ưu việt hơn trong việc điều khiển vị trí. Tình hình trong nước, một số trường đại học cao đẳng ở trong nước đã bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu nhiều về mô hình hóa điều khiển vị trí xy lanh khí nén. Điển hình trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bách khoa Tp Hồ Chí Minh là các đơn vị hàng đầu trong các bài báo nghiên cứu, tài liệu chuyên sâu với độ tin cậy cao. Trong đó các đề tài về điều khiển trượt còn ít. Hiện tại, ở trong nước đã bắt đầu tiếp cận giải thuật trượt dạng vi tích phân tỷ lệ (SMC-PID, Sliding Mode Control Using Proportional Integral Derivative). Cụ thể ở trường Đại học Cần Thơ có một số đề tài luận văn và nghiên cứu về điều khiển vị trí xy lanh khí nén. Đó là đề tài “Thiết kế bộ điều khiển vị trí xy lanh khí nén” [28] và bài báo khoa học của Trần Thanh Hùng, Ngô Quang Hiếu, Quang Hà với đề tài “Điều khiển vị trí với bộ điều khiển trượt – PID” [34]. Nhìn chung, các đề tài trong nước còn khá ít và trong trường Đại học Cần Thơ cũng rất ít. Có cũng chỉ ứng dụng vào robot còn ít ứng dụng về vị trí xy lanh khí nén. Từ kết quả của những nghiên cứu trước cho thấy khả năng điều khiển vị trí của hệ thống khí nén bằng nhiều bộ điều khiển khác nhau cả phi tuyến lẫn tuyến tính và ứng dụng của SMC-PID trong lĩnh vực điều khiển các đối tượng có mô hình hàm truyền liên tục theo thời gian. Do đó, đề tài này lần đầu tiên sử dụng phương pháp điều khiển trượt kiểu PID để thiết kế bộ điều khiển vị trí cho xy lanh khí nén (đối tượng phi tuyến). 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI 1.3.1 Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu này hướng mọi người đến cách giải quyết nhận dạng mô hình cho đối tượng phức tạp.nn - Ứng dụng kit NI myRIO-1900 giao tiếp với máy tính bằng phần mềm LabVIEW™ vào điều khiển vị trí xy lanh với tốc độ lấy mẫu cao và đọc thời gian thực (real-time). 6 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp Luận văn tốt nghiệp Nhận dạng mô hình và điều khiển vị trí xy lanh khí nén - Mở rộng hướng phát triển mới trong bộ thiết kế trượt kiểu PID (SMC-PID) và chứng minh đây là phương pháp ưu việt không cần biết hàm truyền chính xác của hệ thống. 1.3.2 Phạm vi của đề tài Do giới hạn về thời gian và thiết bị ứng dụng đã sử dụng lâu nên độ tin cậy chưa cao. Vì thế đề tài chỉ dừng lại ở việc nhận dạng mô hình và ứng dụng thiết kế bộ điều khiển mới vào điều khiển vị trí xy lanh khí nén. 1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT Đề tài được tiến hành bằng cách thu thập dữ liệu vào của xy lanh và nhận dữ liệu lại từ cảm biến vị trí. Được hộp công cụ nhận dạng hệ thống (System Identification Toolbox) trong Matlab tìm mô hình của hệ thống. Tiếp theo, dùng simulink của Matlab tìm thông số điều khiển và so sánh với thông số điều khiển thực tế làm tăng tính chính xác của mô hình. Mà cụ thể giải thuật điều khiển ở nghiên cứu này là kết hợp giữa PID và SMC hay còn gọi là điều khiển trượt kiểu vi tích phân tỷ lệ (SMC-PID). Để có đáp ứng mong muốn thông số PID phải hiệu chỉnh thích hợp. Bằng cách sử dụng điều chỉnh bằng tay hoặc tính toán. Tuy nhiên, giải thuật có sự đánh đổi giữa thời gian xác lập với độ vọt lố. Nếu xác lập nhanh phải hy sinh có độ vọt lố cao. Vì thế, đề tài lấy thông số khi PID xác lập nhanh nhất, đưa thông số vào hàm truyền của điều khiển trượt để khắc phục tình trạng vọt lố cao mà vẫn giữ thời gian xác lập của PID. 1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO Phần tiếp theo của bài báo cáo được trình bày như sau: Chương 2: Trình bày về lịch sử phát triển nghiên cứu, tìm mô hình toán học, giới thiệu giải thuật PID, SMC, và SMC-PID. Chương 3: Trình bày kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Chương 4. Cuối cùng, luận văn sẽ được kết thúc bằng việc tổng hợp kiến thức để đưa ra các kết luận và kiến nghị những hướng giải quyết tốt nhất cho vấn đề ở tương lai. Ngoài ra, phần còn lại gồm tài liệu tham khảo và các phụ lục. 7 GVHD: Ts. Ngô Quang Hiếu SVTH: Huỳnh Thanh Hiệp