Thiết kế bộ điều khiển Learning Feedforward cho các hệ thống chuyển động điện cơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------------    ------------

ĐỐ ÁN TỐT NGHIỆP

ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn Learning FeedForward cho c¸c hÖ thèng chuyÓn ®éng ®iÖn

c¬

Học viên: Lâm Hoàng Bình

Giáo viên hướng dẫn: Ts. Nguyễn Duy Cương

Chuyên ngành: Tự Động Hoá

Khoá:K10

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2009

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Chương 1: Giới thiệu

1.1. Tổng quan về Learning Control (LC) ……………………………..………………1

1.2. Learning Control (LC) là gì………………………………………………..………2

1.3. Phản hồi sai số tự học………………………………………………… …. ……… 7

1.3.1. Một số ví dụ về ma sát độc lập......................................................................8

1.4. Điều khiển truyền thẳng tự học…………………………………………... .…......13

1.4.1. Đầu vào của mạng BSN………………….......…………………...………14

1.4.2. Sự phân bố B-Spline trên đầu vào của mạng BSN..............................................14

1.4.3. Sự lựa chọn các cơ cấu học. ................................................................................15

1.4.4. Sự lựa chọn tốc độ học. ......................................................................................15

1.5. Ứng dụng minh hoạ: Hệ thống động cơ chyển động tuyến tính………….…..…..18

1.6. Bố cục luận văn…………………………………………….…………………..…21

Chương 2: Các chuyển động lặp……………....……………………......….……..…22

2.1. Giới thiệu ...………………………………………………………….....…………22

2.2. Các giả định …………………………………………………..…………....…….22

2..3. Độ rộng của nội suy B-Spline …………………………….…….……….……....27

Thuật toán 2.2.1. (Tính toán giá trị ổn định nhỏ nhất của d dựa trên mô hình chi tiết của

hệ thống điều khiển).......................................................................................................27

Chương 3: Thiết kế ứng dụng……………...………………..………………...…….34

3.1. Giới thiệu ...………………………………………………………….....…………34

3.1.1. Bộ điều khiển phản hồi .......................................................................................34

3.1.2.Các đầu vào của khâu truyền thẳng......................................................................34

3.1.3.Cấu trúc của khâu truyền thẳng.............................................................................35

3.1.4. Phân bố B-Spline …………………………………………………..….....……..35

3.1.5. Tỷ lệ học...............................................................................................................35

3.1.6. Luyện các chuyển động………………………………..………….….….….…..36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.2. LiMMS ……………………..……………………………………….…......….….36

3.2.1. Thiết lập…………………………………………………………….………..…36

3.2.2. Thủ tụ thiết kế một hệ thống Time-indexed LFFC ………………….……..…..37

3.2.3. Các thí nghiệm kiểm chứng cho hệ thống Time-indexed LFFC……..…….…...40

3.2.4. Thiết kế một LFFC tối giản……………………………………………….….....48

3.2.5. Kết luận……………………………………………………………......………..62

3.3. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm 20-sim………………………………………63

3.3.1. Mạng FeedBack………………………………………………………………...64

3.3.2. LFFC khi có ViscouNeural………………………………………………….…65

3.3.3. LFFC khi có CoulombNeural và ViscouNeural……………………………….66

3.3.4. LFFC khi có CoulombNeural, ViscouNeural, CoggingNeural………………..68

3.3.5. LFFC khi có CoulombNeural, ViscouNeural, CoggingNeural, InertialNeural..69

Chương 4: Kết luận……………………………………………………….………….71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tài liệu tham khảo

[1] Learning feed – Forward Control Theory, Design and Applications Wubbe Jan

Roelf Velthuis - 1970

[2] Function Approximation for Learning Control, a key sample based approach

B.J. de Kruif - 1976

[3] Intelligent Control part 1 – MRAS Author prof. Dr.ir Job van Amerongen –

March 2004

[4] Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems Dr. Nguyen Duy

Cuong. University of Twente, March, 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lời nói đầu

§iÒu khiÓn chuyÓn ®éng (motion control) liªn quan viÖc sö dông lùc ®Ó ®iÒu khiÓn sù

di chuyÓn cña ®èi t-îng ®iÒu khiÓn trong mét hÖ thèng c¬ vµ ®-îc sö dông réng r·i trong

c¸c øng dông c«ng nghiÖp nh- ®ãng gãi, in, dÖt, hµn, còng nh- nhiÒu øng dông kh¸c.

HiÖn nay, phÇn lín c¸c lo¹i h×nh ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng ®-îc thùc hiÖn b»ng c¸ch sö

dông c¸c ®éng c¬ ®iÖn, vµ ®©y chÝnh lµ ®iÒu quan t©m chÝnh cña chóng t«i trong thiÕt kÕ.

C¸c hÖ ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng cã thÓ lµ phøc t¹p v× cã nhiÒu vÊn ®Ò kh¸c nhau cÇn ®-îc

xem xÐt, vÝ dô nh-:

- Gi¶m thiÓu ¶nh h-ëng cña nhiÔu hÖ thèng.

- Suy yÕu t¸c ®éng xÊu cña nhiÔu ®o

- Sù thay ®æi th«ng sè vµ cÊu tróc kh«ng râ cña ®èi t-îng ®iÒu khiÓn.

RÊt khã ®Ó t×m ra c¸c ph-¬ng ph¸p thiÕt kÕ mµ cã thÓ gi¶i quyÕt ®ång thêi tÊt c¶ c¸c vÊn

®Ò nªu trªn, ®Æc biÖt ®èi víi c¸c ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn truyÒn thèng mµ ë ®ã c¸c thiÕt

kÕ ®iÒu khiÓn liªn quan tíi sù th-¬ng th¶o gi÷a c¸c môc tiªu mang tÝnh ®èi ng-îc. §Ó

kh¾c phôc khã kh¨n ®· nªu, bé ®iÒu khiÓn Learning FeedForward (LFF) sÏ ®-îc giíi

thiÖu trong nghiªn cøu nµy.

Thực hiện luận văn tốt nghiệp trong khuôn khổ chương trình đào tạo Thạc sỹ ngành tự

động hóa của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Tôi được giao đề tài:

’’ ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn Learning FeedForward cho c¸c hÖ thèng chuyÓn ®éng ®iÖn

c¬”

Luận văn phân tích các quá trình động học đối tượng thông qua mô hình toán học

từ đó đưa ra và chứng minh tính phù hợp của các phương án điều khiển, cuối cùng là tiến

kiểm chứng trên phần mềm mô phỏng 20-sim.

Luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: GIỚI THIỆU

Tổng quan về Learning control

Chương 2: PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG LFFC PHỤ THUỘC

THỜI GIAN

Trong chương này đề cập đến bộ điều khiển LFFC phụ thuộc thời gian và phân tích tính

ổn định của hệ thống phụ thuộc vào thời gian. Từ đó tìm ra công thức tính giá trị nhỏ nhất

của độ rộng mạng B-Spline

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2

Chương 3: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG

Trong các chương trước, một số vấn đề về LFFC đã được đề cập đến. Ở chương

này sẽ sử dụng các kiến thức có được nhằm thực hiện thiết kế một bộ LFFC thực tế.

Chương 4: KẾT LUẬN

Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành. Trước thành công

này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Nguyễn Duy Cương, người đã trực tiếp

hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này, tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới

các anh các chị trong trường đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp cũng như gia đình, bạn bè đã

tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.

Ngày 30 .tháng 10 năm 2009

Học viên

Lâm Hoàng Bình

Chương 2: Phân tích độ ổn định của hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 22

Chương 2: PHÂN TÍCH ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG LFFC PHỤ THUỘC

THỜI GIAN

2.1. Giới thiệu

Trong chương này đề cập đến bộ điều khiển LFFC phụ thuộc thời gian và phân tích

tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào thời gian. Xác định giá trị nhỏ nhất của độ

rộng mạng B-Spline.

2.2. Các giả định

Để có thể phân tích tính ổn định của các thông số trong LFFC chúng ta giả thiết như

sau:

1. Đối tượng cần điều khiển là đối tượng (single input - single output ) SISO LTI.

2. Bộ điều khiển phản hồi, C, là tuyến tính, các hằng số thời gian và các thông số

được chọn cho vòng phản hồi là ổn định.

3. Luật học rời rạc.

   

  





  

h

T

k

i

h

T

k

i C

i

p

p

kh

kh u kh

0

0





 

(2.1)

(với h là thời gian mẫu) được thay thế bởi 1 công thức tương đương dưới dạng liên

tục :

   

 





  Tp

i

Tp

i C

t dt

t u t dt

i C

0

0





 

(2.2)

4. Phân bố B-spline giả thiết là đồng dạng.

Giả thiết có N B-pline có phân bố đồng bộ trên phạm vi đầu vào, [0, Tp] (s), như trên

Chương 2: Phân tích độ ổn định của hệ thống LFFC phụ thuộc thời gian

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 23

hình. băng thông (độ rộng) d(s) của các công thức cơ sở cho các tín hiệu từ 2 tới N–1

được cho bởi quan hệ sau:

s

N

T

d

p

1

2





(2.3)

thành phần B-spline thứ i được định nghĩa như sau:

 

 

 

 



















  



   

 



0

2

1

2

2

( 1)

2

2

2

2 2

i

d

i t

d

for

d

di t

i

d

i t

d

for

d

t d i

t i

(2.4)

Thành phần thay thế (2.4) trong luật học (2.2) được cho bởi trọng số thích nghi sau:

 

   

   

 

   

 

 

 



 



 





 





 

( 1)

2

2

2

2

1

2

( 1)

2

2

2

2

1

2

2 2 2

2 2 2

i

d

i

d

i

d

i

d

i

d

i

d

i

d

i

d

C C

dt

d

di t

dt

d

t d i

u t dt

d

di t

u t dt

d

t d i

i C  

(2.5)

Mẫu số của (2.5):

 

 

 

 



 





 

( 1)

2

2

2

2

1

2

2 2 2

i

d

i

d

i

d

i

d

dt

d

di t

dt

d

t d i

(2.6)

Sử dụng (2.6), khi đó có thể đơn giản hoá công thức của trọng số trong (2.5) :

 

   

 

 

   



 





 

( 1)

2

2

2

2

1

2

2 2

4 2 4 2 4

i

d

i

d

i

d

i

d

C C

uC

t dt

d

di t

u t dt

d

t d i

i C   

(2.7)

điều này ngụ ý rằng việc học là tuyến tính trong uC(t) và kể từ đây ta sẽ coi vòng lặp