Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano...

Tài liệu Mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano

.PDF
147
565
115

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĂN DÂN MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Quốc Cƣờng 2. PGS. TS. Bùi Trung Thành Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận án “Mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano” là công trình nghiên cứu của riêng tôi đƣợc hoàn thành dƣới sự chỉ bảo tận tình của hai thầy giáo hƣớng dẫn. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần đƣợc công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày ..... tháng 03 năm 2017 Tác giả luận án Tập thể hƣớng dẫn 1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Cƣờng Bùi Văn Dân 2. PGS.TS. Bùi Trung Thành i LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quốc Cƣờng – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và PGS.TS. Bùi Trung Thành – Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Hƣng Yên đã tận tình hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tôi thực hiện và hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp – Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án, tham gia sinh hoạt tại bộ môn. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi khảo sát, thực nghiệm trong thời gian thực hiện luận án. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, anh chị, bạn bè và đồng nghiệp Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện - Điện tử, Phòng đào tạo, các đơn vị chức năng - Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng yên đã chia sẻ, đóng góp ý kiến, giúp đỡ, động viên tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tôi biết ơn bố mẹ và những ngƣời thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành bản luận án. Xin dành những lời yêu thƣơng nhất cho vợ, con gái và con trai yêu quý đã cùng tôi vƣợt qua những khó khăn, vất vả trong cuộc sống và trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành bản luận án này. Một lần nữa xin chân thành cám ơn ! Hà Nội, ngày ...... tháng 03 năm 2017 Tác giả luận án Bùi Văn Dân ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ II MỤC LỤC ........................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... V DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. VIII DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................................... IX MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 1 2. Tính cấp thiết của luận án ............................................................................................. 2 3. Mục tiêu của luận án ..................................................................................................... 2 4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................... 4 6. Những đóng góp của luận án: ....................................................................................... 4 7. Bố cục luận án............................................................................................................... 5 CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .......................................................................... 8 1.1. Bài toán hệ thống phân phối vật liệu nano................................................................. 8 1.2. Tổng quan phần cứng hệ thống phân phối vật liệu .................................................... 8 1.2.1. Khái niệm về hệ thống phân phối vật liệu ............................................................ 8 1.2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano ............................................... 9 1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano .......... 10 1.3. Tổng quan các nghiên cứu điều khiển vị trí ............................................................. 14 1.3.1. Nhóm phƣơng pháp điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực................. 14 1.3.2. Nhóm phƣơng pháp điều khiển trƣợt ................................................................. 17 1.3.3. Nhóm phƣơng pháp điều khiển tầng PID ........................................................... 20 1.3.4. Nhóm phƣơng pháp điều khiển kết hợp giữa PID – Mờ nơ ron......................... 23 1.3.5. Nhóm phƣơng pháp điều khiển tối ƣu bền vững thích nghi ............................... 26 1.3.6. Nhóm phƣơng pháp điều khiển dự báo .............................................................. 28 1.4. Kết luận .................................................................................................................... 31 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO NẰM NGANG VÀ MÔ HÌNH HÓA DƢỚI DẠNG HÀM TRUYỀN, MÔ HÌNH TRẠNG THÁI ........... 34 2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 34 2.2. Xây dựng cấu trúc điển hình hệ thống phân phối vật liệu nano .............................. 35 2.3. Xây dựng mô hình toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano ............................... 36 2.3.1. Mô tả mô hình toán động cơ DC ........................................................................ 37 2.3.2. Mô tả hệ động cơ hộp số và khớp nối mềm với tải ............................................ 38 2.3.3. Phƣơng trình toán học mô tả hệ thống phân phối vật liệu nano ......................... 42 2.4. Khảo sát mô phỏng trên Matlab ............................................................................... 42 iii 2.5. Kết luận .................................................................................................................... 49 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ............................................... 51 3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 51 3.2. Xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển ................................................................. 51 3.3. Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống phân phối vật liệu nano ....................... 55 3.3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 55 3.3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano ............................ 55 3.4. Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano ................... 64 3.4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 64 3.4.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển dự báo ...................................................................... 64 3.4.3. Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo trong không gian trạng thái ............ 66 3.4.4. Xây dựng bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để xử lý nhiễu .................................................................................................................................... 68 3.4.5. Quan sát trạng thái nhờ lọc Kalman ................................................................... 71 3.4.6. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống theo phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân ....................................................................................................... 73 3.4.7. Kết quả mô phỏng trên Matlab bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân. ............................................................................................................................. 73 3.5. So sánh hai phƣơng pháp PID và MPC ................................................................... 77 3.6. Kết luận .................................................................................................................... 81 CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 83 4.1. Giới thiệu cấu hình hệ thống thực nghiệm ............................................................... 83 4.2. Kết quả ứng dụng thực nghiệm ................................................................................ 85 4.2.1. Trình tự thực hiện ............................................................................................... 85 4.2.2. Kết quả thực nghiệm: ......................................................................................... 86 4.3. Kết luận .................................................................................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 95 1. Kết luận ....................................................................................................................... 95 2. Kiến nghị..................................................................................................................... 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 103 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 104 Phụ lục 01: Tính toán chi tiết cơ cấu chấp hành hệ thống phân phối vật liệu nano...... 104 Phụ lục 02: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano ................. 118 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: A, B, C Ma trận trạng thái Aˆ , Bˆ , Cˆ Ma trận trạng thái mở Bm Ma sát nhớt (sẽ đƣợc xác định bằng thực nghiệm) BL Hệ số ma sát nhớt ổ bi nối trục vít me Cs Hệ số tắt dần của trục (độ cứng vững của vật liệu) e Suất điện động phần ứng G Hằng số I Ma trận đơn vị Kt Hằng số mô men xoắn không đổi Kv Hằng số xuất điện động không đổi Km Hằng số mô men không đổi M Khoảng thời gian dự báo (Tầm dự báo – Receding horizon ) Q Hàm mục tiêu Tm Mô men xoắn động cơ Ts Mô men trên trục truyền từ phía động cơ đến tải Td Mô men nhiễu tải Tf Mô men ma sát trên trục động cơ ia Dòng điện phần ứng Jm Mô men quán tính của động cơ Ra Trở kháng điện cảm La Điện cảm phần ứng v va Điện áp phần ứng động cơ JL Hệ số quán tính phần trƣợt Jm Hệ số quán tính động cơ ωm Vận tốc góc động cơ ωl Vận tốc góc với tải α Góc giới hạn khe hở hộp số α0, α1, α2 Hệ số ma sát θs Góc lệch giữa trục tải và trục động cơ θm Vị trí góc quay trục động cơ m Vận tốc góc trục động cơ m Gia tốc góc trục động cơ θl Vị trí góc quay trục tải θd Góc lệch deadzone giữa động cơ và tải θb Góc khe hở hộp số ws   s Vận tốc góc lệch giữa trục tải và động cơ x  ( x1 , ..., x n ) T x (k), xk , {xk } Véc tơ của các phần tử x1, i=1,2,...n, trong đó chỉ số T là ký hiệu phép tính chuyển vị Giá trị và dãy các giá trị trích mẫu của hàm thời gian x(t) tại thời điểm t = kTa với Ta là chu kỳ trích mẫu ŷ Tín hiệu ra mở rộng x̂ Véc tơ trạng thái quan sát đƣợc uk Tín hiệu điều khiển dự báo vi Chữ viết tắt: Backlash Hiệu ứng khe hở CARE Control Algebraic Riccati Equation - Phƣơng trình Riccati điều khiển CNC Computer Numerical Control - Điều khiển bằng máy tính Dead Zone Mode Góc chết của hệ DMC Dynamic Matrix Control - Ma trận động học điều khiển GA Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền GPC Generalized Predictive Control - Điều khiển dự báo tổng quát IFT Iterative feedback Tuning – Điều chỉnh phản hồi lặp LQR Linear Quadratic Regulator – Bộ điều chỉnh toàn phƣơng MEMS Micro-electromechical system - Công nghệ vi cơ điện tử MPC Model Predictive Control - Điều khiển dự báo MAC Model Algorithmic Control - Thuật toán điều khiển theo mô hình PID Proportional Integral Derivative - Khâu tỷ lệ - tích phân – vi phân PSO Particle Swarm Optimization – Thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn RAM Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc, không thể ghi – xóa SISO Single Input Single Output - Một vào một ra USB Universal Serial Bus - Chuẩn truyền dữ liệu cho BUS (Thiết bị) ngoại vi) FPGA Field-programmable gate array - Mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu trúc mảng phần tử logic có thể lập trình đƣợc. Z-N Ziegler - Nichols vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tham số của hệ thống phân phối vật liệu nano ................................................... 43 Bảng 3.1 Tham số của hệ thống nghiên cứu ....................................................................... 56 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano. ............................................................................................................................................. 63 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển MPC thích nghi có thành phần tích phân ..................................................................................................................................... 76 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát khi thay đổi vị trí đặt. ............................................................ 78 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát khi thay đổi tải. .................................................................... 80 Bảng 3.6. So sánh kết quả với bài toán đặt ra trong phần phạm vi nghiên cứu. ............ 82 Bảng 4.1 Chức năng các khối của mô hình hệ thống phân phối vật liệu nano ................... 84 Bảng 5.1. Kết quả thực hiện so sánh với bài toán đặt ra. ................................................... 95 viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ mô phỏng đặt các nơ ron thần kinh [71] ........................................................ 11 Hình 1.2 Kết quả mô phỏng đặt nơ ron thần kinh [71) ....................................................... 11 Hình 1.3 Hệ của larson [23] ................................................................................................ 11 Hình 1.4 Kết quả hệ vi cơ điện tử [23] ............................................................................... 11 Hình 1.5 Ảnh chụp nhỏ dung dich [23] .............................................................................. 11 Hình 1.6 Khoảng cách phân phối [23] ................................................................................ 11 Hình 1. 7 Mô hình động năng của hệ thống [47]. .............................................................. 13 Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển động cơ DC dùng bộ đánh giá vi phân [59] ..................... 15 Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID dựa trên lập trình trực tuyến [68] ........................ 16 Hình 1.10 Sơ đồ khối truyền thẳng kết hợp với phản hồi trạng thái đầu ra [68] ................ 16 Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát [68] ................ 17 Hình 1.12 Cấu trúc mạng nơ ron của hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46] 17 Hình 1.13 Sơ đồ khối của hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46] ................. 18 Hình 1.14 Sơ đồ hệ điều khiển dùng khâu ƣớc lƣợng ma sát và điều khiển trƣợt [37] ...... 18 Hình 1.15 Bộ điều khiển mạng mờ kiểu TSK thích nghi tự tổ chức [26]........................... 19 Hình 1.16 Sơ đồ khối hệ điều khiển servo một trục một vòng phản hồi tốc độ [79] .......... 19 Hình 1.17 Sơ đồ khối bộ điều khiển servo hai vòng phản hồi tốc độ - vị trí [79] .............. 20 Hình 1.18 Sơ đồ khối bộ điều khiển servo ghép tầng PID [80] .......................................... 20 Hình 1.19 Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng hệ điều khiển servo điển hình [80] ................... 20 Hình 1.20 Sơ đồ khối bộ điều khiển đáp ứng nhanh hệ Servo tuyến tính cho hai trục [78]21 Hình 1.21 Sơ đồ khối bộ điều khiển dùng phƣơng pháp tìm thông số PID -IFT Systematic block diagram [41]............................................................................................................... 21 Hình 1.22 Sơ đồ khối bộ điều khiển APID cho động cơ DC [27] ...................................... 22 Hình 1.23 Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng vị trí [50] ........................................................... 22 Hình 1.24 Sơ đồ khối bộ điều khiển tối ƣu hóa GA PID Offline [55] ................................ 23 Hình 1.25 Cấu trúc hệ điều khiển giám sát mờ [55] ........................................................... 23 Hình 1.26 Sơ đồ mô phỏng của hệ EMA-AFC [55] ........................................................... 23 Hình 1.27 Sơ đồ khối điều khiển mờ trƣợt cho hệ phi tuyến [61] ...................................... 24 Hình 1.28 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song [44] ............................................... 24 Hình 1.29 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song cho động cơ DC [44] .................... 24 Hình 1.30 Cấu trúc điều khiển nơ ron [45] ........................................................................ 25 Hình 1.31 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID mờ [81] ........................................................ 26 Hình 1.32 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ [81] .............................................................. 26 Hình 1.33 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tối ƣu thích nghi [28] .......................................... 26 Hình 1.35 Sơ đồ điều khiển H∞ trong trƣờng hợp phản hồi trạng thái [35]....................... 28 Hình 1.36 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi trạng thái đầu ra [56].................................. 28 Hình 1.37: Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng [5] .................................................. 30 ix Hình 2.1 Sơ đồ khối chung mô hình của hệ phân phối vật liệu .......................................... 35 Hình 2.2 Mô hình khối chuyển động của hệ thống theo ba chiều x, y, z ............................ 35 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ phân phối vật liệu nằm ngang một trục điển hình ................... 36 Hình 2.4 Sơ đồ mô tả các thông số động cơ DC ................................................................. 37 Hình 2.5 Mô tả hệ động cơ hộp số và khớp nối mềm với tải.............................................. 39 Hình 2.6 Đồ thị mô tả hàm phi tuyến trên trục động cơ ..................................................... 39 Hình 2.7 Đồ thị mô tả hàm phi tuyến ................................................................................ 40 Hình 2.8 Sơ đồ khối mô tả mô hình đối tƣợng hệ thống .................................................... 42 Hình 2.9 Mô hình khối mô tả động cơ với tải ..................................................................... 43 Hình 2.10 Mô hình khối mô tả động cơ .............................................................................. 44 Hình 2.11 Mô hình khối mô tả tải ....................................................................................... 44 Hình 2.12 Mô hình khối mô tả hệ Backlash ....................................................................... 44 Hình 2.13 Khi tải đầu vào thay đổi từ 5N/m....................................................................... 45 Hình 2.14 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi tải thay đổi. ......................... 45 Hình 2.15 Tốc độ di chuyển của cơ cấu phân phối khi tải thay đổi.................................... 45 Hình 2.16 Dòng điện phần ứng động cơ thay đổi. .............................................................. 46 Hình 2.17 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi tần số thay đổi .................... 46 Hình 2.18 Tốc độ di chuyển của cơ cấu khi tần số thay đổi ............................................... 47 Hình 2.19 Dòng điện phần ứng động cơ khi tần số thay đổi .............................................. 47 Hình 2.20 Điện áp phần ứng của động cơ thay đổi............................................................. 48 Hình 2.21 Dòng điện phần ứng của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng ...................... 48 Hình 2.22 Tốc độ trên trục động cơ một chiều khi thay đổi điện áp phần ứng .................. 49 Hình 2.23 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi thay đổi điện áp phần ứng .. 49 Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình đối tƣợng biểu diễn trên matlab .................................... 56 Hình 3.2 Biểu đồ bode của thuật toán PID cho đối tƣợng .................................................. 57 Hình 3.3 Biểu đồ điểm cực của thuật toán PID cho đối tƣợng ........................................... 57 Hình 3.4 Biểu đồ thị điểm cực ............................................................................................ 59 Hình 3.5 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1 .......................................................... 59 Hình 3.6 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1 .................... 60 Hình 3.7 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2 .......................................................... 60 Hình 3.8 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2 .................... 60 Hình 3.9 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3 .......................................................... 61 Hình 3.10 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3 .................. 61 Hình 3.11 Kết quả tham số PID thu đƣợc ........................................................................... 62 Hình 3.12 Mô hình đối tƣợng dạng tổng quát theo sơ đồ khối trên Simulink .................... 62 Hình 3.13 Biểu đồ đáp ứng quá độ theo phƣơng pháp PID có xét tính phi tuyến ............. 63 Hình 3.14 Mô hình khối điều khiển dự báo ........................................................................ 64 Hình 3.15 Nguyên tắc dịch theo trục thời gian cùng với thời điểm trích mẫu của khoảng thời gian dự báo [12] ........................................................................................................... 65 x Hình 3.16 Nguyên tắc dịch theo trục thời gian ................................................................... 67 Hình 3.17 Sơ đồ khối điêu khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano ................ 73 Hình 3.18 Tín hiệu đầu vào đặt thay đổi với phƣơng pháp MPC ....................................... 74 Hình 3.19 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi .......................... 74 Hình 3.20 Tốc độ đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi ........................ 74 Hình 3.21 Dòng điện phần ứng với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi ............. 74 Hình 3.22 Khi tải thay đổi với phƣơng pháp MPC ............................................................. 75 Hình 3.23 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi ......................................... 75 Hình 3.24 Tốc độ đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi....................................... 75 Hình 3.25 Dòng điện phần ứng với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi ............................ 76 Hình 3.26 Khi giá trị đặt thay đổi so sánh giữa phƣơng pháp MPC và PID ...................... 77 Hình 3.27 Vị trí đầu ra so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ......................... 77 Hình 3.28 Tốc độ động cơ trƣớc hộp số giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ........... 78 Hình 3.29 Dòng điện phần ứng so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ............ 78 Hình 3.30 Điện áp phần ứng động cơ so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi .. 78 Hình 3.31 Khi tải đầu vào thay đổi so sánh giữa phƣơng pháp MPC và PID .................... 79 Hình 3.32 Vị trí đầu ra so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi .................................... 79 Hình 3.33 Tốc độ động cơ trƣớc hộp số so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi .......... 79 Hình 3.34 Dòng điện phần ứng so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi ....................... 80 Hình 3.35 Điện áp phần ứng động cơ so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi ............ 80 Hình 4.1 Mô hình thực tế khi lắp ráp, kết nối hệ thống phân phối vật liệu nano ............... 84 Hình 4.2 Kết nối mô hình thực nghiệm .............................................................................. 85 Hình 4.3 Vị trí đầu ra trên toàn dải thang đo cho hệ chuyển động qua 2 điểm .................. 86 Hình 4.4 Vị trí đầu ra khi vị trí chuyển động từ 0 -3s cho hệ chuyển động qua 2 điểm ..... 86 Hình 4.5 Vị trí đầu ra khi tín hiệu điều khiển nhỏ cho hệ chuyển động qua 2 điểm .......... 86 Hình 4.6 Dòng điện phần ứng cho hệ chuyển động qua 2 điểm ......................................... 87 Hình 4.7 Điện áp phần ứng cho hệ chuyển động qua 2 điểm ............................................. 88 Hình 4.8 Vị trí đầu ra trên toàn dải thang đo có độ phân giải bƣớc 50μm ......................... 89 Hình 4.9 Vị trí đầu ra lớn cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ...................... 89 Hình 4.10 Vị trí đầu ra nhỏ cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ................... 90 Hình 4.11 Dòng điện phần ứng cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ............. 90 Hình 4.12 Điện áp phần ứng cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ................. 91 Hình 4.13 Dạng xung điều khiển trên Osilloscoper. ........................................................... 92 Hình 4.14 Dạng xung điện áp phần ứng của động cơ trên Osilloscoper. ........................... 92 Hình 4.15 Điện áp phần ứng của động cơ thực nghiệm .................................................... 92 Hình 4.16 Dòng điện phần ứng của động cơ thực nghiệm. ............................................... 93 Hình 4.17 Vị trí đầu ra thực nghiệm. .................................................................................. 93 Hình 4.18 Khả năng dự báo của khâu dự báo với hiệu ứng Backlash so với PID. ............. 93 xi MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu Năm 1959, Giáo sƣ Richard Feynman đã có bài phát biểu nổi tiếng về thao tác và điều khiển ở kích thƣớc vi mô. Tuy nhiên, các thiết bị này chỉ thực sự phát triển kể từ khi công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đƣợc triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trƣớc. Phát triển các vi công cụ thao tác với các đối tƣợng nhỏ có kính thƣớc cỡ micro, nano có nhiều ứng dụng tiềm năng nhƣ vi lắp ráp, vi robotics, thao tác và định vị các tế bào sống, phân tách tế bào, mổ nội soi, mổ trong ống nghiệm. Gần đây, các linh kiện vi lƣu cơ điện tử cho phép thao tác với thể tích chất lƣu nhỏ trong đó có chứa các vi hạt. Công nghệ này có khả năng ứng dụng rộng trong các lĩnh vực y sinh, vật lý, hóa học [20, 23, 39, 57, 71]. Vật liệu nano là đối tƣợng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano. Tính chất thú vị của vật liệu nano đƣợc thể hiện ở rất nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên có thể tạm chia các tính chất đến từ hai nguồn gốc: Diện tích bề mặt của vật liệu nano rất lớn và kích thƣớc của vật liệu nhỏ hơn một độ dài đặc trƣng nào đó. Do kích thƣớc nhỏ nên diện tích bề mặt lớn của vật liệu nano đƣợc ứng dụng nhiều nhất vì đặc tính đó dễ hiểu và các hiện tƣợng bề mặt vật liệu khối đã đƣợc nghiên cứu chi tiết trƣớc đó. Kích thƣớc của vật liệu nano nhỏ hơn độ dài đặc trƣng của một tính chất nào đó mang lại cho vật liệu nano các tính chất hóa, lí khác hẳn vật liệu khối thông thƣờng. Ví dụ, định luật Ohm áp dụng cho các vật dẫn có kích thƣớc lớn. Khi kích thƣớc vật liệu nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử (khoảng vài chục nm) thì định luật này không còn đúng nữa. Tƣơng tự nhƣ vậy các tính chất điện, từ, cơ, quang, hóa, xúc tác của vật liệu nano đều khác hẳn so với vật liệu khối. Đối với vật liệu nano sắt từ, kích thƣớc tới hạn có thể là độ dày vách đô men, độ dài tƣơng tác trao đổi, kích thƣớc tại đó chuyển động nhiệt thắng thế để chuyển tính sắt từ thành siêu thuận từ. Đối với hạt nano kim loại, cộng hƣởng plasmon bề mặt xuất hiện khi kích thƣớc của hạt nhỏ hơn bƣớc sóng điện từ chiếu vào. Đối với chấm lƣợng tử - hạt nano bán dẫn, kích thƣớc của hạt nhỏ hơn bán kính Bohr của Exciton. Các điện tử trong hạt nano ở các mức năng lƣợng gián đoạn, các mức năng lƣợng này đƣợc quyết định chủ yếu bởi kích thƣớc vật liệu. Ngƣời ta gọi chúng là các nguyên tử nhân tạo. Tính chất thú vị do kích thƣớc là nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học nghiên cứu về khoa học và công nghệ nano [20, 23, 39, 57, 71]. Ngày nay, sự phát triển về kinh tế và tốc độ toàn cầu hóa đang tăng nhanh. Các hệ thống phân phối vật liệu nano và xu hƣớng không thể khác nhằm giải quyết các yêu cầu trong tổng hợp vật liệu, phân phối vật liệu sinh học nhƣ đặt protein lên các đế đƣợc thiết kế sẵn. Ngành vi cơ khí và điều khiển tự động đã góp phần rất lớn vào việc tăng tốc các ứng dụng của vật liệu micro nano vào cuộc sống. 1 2. Tính cấp thiết của luận án Sự phát triển của các ngành công nghệ, vật liệu nano, vật liệu sinh học và các kỹ thuật phân tích công cụ đòi hỏi những thiết bị phụ trợ để phân phối nhiều loại vật liệu khác nhau trong đó khối lƣợng hoặc thể tích vật liệu đƣợc phân phối phải ở cỡ nano gram hoặc nano lít, với độ chính xác cao. Xu hƣớng này cũng đã có mặt tại Việt Nam và đang có đà phát triển rất nhanh. Nghiên cứu, phát triển các robot điều khiển tự động, robot đáp ứng các nhu cầu thực tế đa ngành nói trên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì và cải thiện tốc độ phát triển của các chuyên ngành có liên quan. Bên cạnh đó đề tài cũng là cơ hội để phát triển nguồn nhân lực trình độ cao của các ngành có liên quan nhƣ khoa học vật liệu, điều khiển tự động, cơ khí chính xác. Hệ thống phân phối thƣờng bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc lập nhau trong không gian với độ phân giải bƣớc ở cỡ micromet, độ chính xác cỡ nanomet. Bề mặt sản phẩm cần phân phối có diện tích cỡ micromet, trên một mặt phẳng, các tọa độ điểm cần chuyển động tới là cố định và đều nhau, vị trí chuyển động có thể đặt trƣớc. Thời gian tác động tính bằng giây. Điều này cho phép hệ thống có thể thực hiện tốt các tác vụ trong không gian hẹp mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống thƣờng đi kèm phần mềm điều khiển, ghép nối máy tính hoặc sử dụng các hệ thống nhúng để tạo điều kiện thuận lợi cho ngƣời sử dụng. Tuy nhiên việc xây dựng đối tƣợng cho hệ thống phân phối vật liệu nano là hết sức khó khăn. Trong đó chứa rất nhiều các thành phần phi tuyến làm ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng của hệ thống. Nhƣ sai số trong việc chế tạo cơ khí, sai số do ma sát, sai số do tín hiệu đo, các tác nhân do môi trƣờng...Bên cạnh đó việc áp dụng và đề xuất một thuật toán tiên tiến phù hợp cho việc điều khiển hệ thống là hết sức cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, đề xuất hƣớng nghiên cứu của luận án. Luận án này đƣợc thực hiện xuất phát từ thực tiễn triển khai các đề tài khoa học và công nghệ tại Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Thành công của đề tài sẽ mở ra một hƣớng nghiên cứu mới nhằm tạo ra một thiết bị phân phân phối vật liệu có độ chính xác cao, kích thƣớc nhỏ gọn, tiện dụng, có khả năng cho phép phủ lên trên một bề mặt với địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lƣợng vật chất (chất lỏng) rất nhỏ và có thể điều khiển đƣợc [57, 58, 74]. 3. Mục tiêu của luận án Luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của hệ truyền động qua động cơ có hộp số bánh răng đƣợc nối với trục truyền động bằng khớp nối mềm, tín hiệu phản hồi tại đầu ra. Yêu cầu chất lƣợng của hệ truyền động cần độ chính xác cỡ micromet, thời gian đáp ứng nhanh, hạn chế tối đa quá điều chỉnh. Nhận thấy với cơ cấu truyền động này cần để ý tới các yếu tố rất khó xác định đƣợc chính xác là khe hở của bánh răng, ma sát trên trục, độ xoắn của khớp nối mềm, độ cứng vững của vật liệu. Các thành phần này biến 2 động ở chế độ chạy đều và xác lập. Đây là bài toán chƣa đƣợc xét đến trong các phƣơng pháp điều khiển trƣớc đây [3]. Với nhiệm vụ đặt ra, luận án đề ra mục tiêu: - Xây dựng mô hình toán động lực học đối với hệ chuyển động cơ khí của hệ thống phân phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong đó có tính đến các yếu tố bất định dƣới dạng hàm số và hằng số, cụ thể là việc xét đến các yếu tố khe hở của bánh răng trong hộp số, ma sát động, ma sát tĩnh và độ đàn hồi của vật liệu cũng nhƣ khớp nối mềm giữa trục động cơ với tải. - Phân tích các thuật toán điều khiển đã có, dựa trên đặc tính của đối tƣợng xây dựng phƣơng pháp điều khiển thích hợp, trên nguyên tắc kết hợp các phƣơng pháp điều khiển đã có: Điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực, điều khiển trƣợt, điều khiển mờ - nơ ron, bền vững, thích nghi. Để giải bài toán điều khiển chính xác vị trí cho hệ thống phân phối vật liệu nano; - Mô phỏng và thực nghiệm thuật toán đề xuất, định hƣớng ứng dụng trong việc phân phối vật liệu chế tạo pin mặt trời màng mỏng hoặc các ứng dụng y sinh (ADN hoặc kháng nguyên)... 4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án thực hiện là một hệ truyền động cơ khí qua nhiều khâu bánh răng, khớp nối mềm, vít me, đai ốc... là một hệ phi tuyến, mang nhiều yếu tố bất định, trong khi một số phƣơng pháp điều khiển hiện có lại thích hợp với từng đối tƣợng có đặc thù riêng, nên luận án đặt ra là chỉ tập trung vào xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển, có hệ chuyển động xuất phát từ động cơ DC truyền động qua hộp số giảm tốc (bánh răng), gắn với trục truyền động vít me bi thông qua khớp nối mềm, trục chuyển động thẳng qua đai ốc bi, tín hiệu phản hồi trực tiếp tại đầu ra. Do hệ truyền chuyển động là một hệ cơ khí nên mô hình trạng thái phi tuyến mang nhiều yếu tố bất định, bởi vậy khi xây dựng phƣơng pháp điều khiển dựa trên cơ sở các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc thừa nhận trong công nghiệp. Luận án tập trung vào phạm vi nghiên cứu sau: - Xây dựng mô hình động lực học đối với hệ chuyển động cơ khí của hệ thống phân phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong đó kể đến các yếu tố bất định dƣới dạng hàm số và hằng số. - Kết quả mô phỏng đƣợc với các tham số yêu cầu của hệ mô hình, cụ thể: Vị trí cần nhỏ vật liệu xuống bề mặt sản phẩm cần phân phối nhỏ hơn 106 µm2, độ phân giải bƣớc giữa hai điểm của tấm pin lớn hơn 103 micromet, thời gian đáp ứng cỡ 1 giây, giảm thiểu quá điều chỉnh, hệ luôn ổn định bền vững khi tham số của hệ thay đổi và nhiễu. Thử nghiệm dịch chuyển với các vị trí bƣớc (nhỏ hơn 1000 micromet/ 1bƣớc). 3 - Xây dựng phƣơng pháp điều khiển ít phụ thuộc vào yếu tố bất định của mô hình toán hoặc ít phụ thuộc vào mô hình toán mô tả đối tƣợng điều khiển. Phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi sẽ là nền tảng chính trong nghiên cứu này. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về mô hình phân phối vật liệu, các hệ phi tuyến, các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc công bố trên tài liệu, tạp chí. - Mô phỏng, đánh giá kết quả hệ thống phân phối vật liệu nano sử dụng phần mềm Matlab - Simulink. - Thử nghiệm ứng dụng của hệ thống phân phối vật liệu trên một trục với số vật liệu đơn giản tiến tới hoàn thiện và mở rộng đối tƣợng nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu một hệ phi tuyến điển hình là hệ phân phối vật liệu nano. Trên cơ sở đó đề xuất một mô hình toán xét đến các thành phần phi tuyến điển hình và ứng dụng thuật toán điều khiển tiên tiến để giải quyến bài toán đối tƣợng phi tuyến sao cho phù hợp. Thuật toán đƣợc đề xuất mở ra một hƣớng điều khiển mới cho một lớp đối tƣợng phi tuyến tƣơng đồng. Giá trị học thuật của luận án là đề xuất mô hình phi tuyến phù hợp cho đối tƣợng và xây dựng bộ điều khiển phi tuyến cho đối tƣợng đã đƣợc xây dựng. Mô hình hệ thống phân phối vật liệu nano đƣợc xây dựng trong luận án là cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo nhằm áp dụng cho các hệ thống điều khiển hiện đại, thông minh có thể phát triển mô hình thành một robot đặt các nơ ron thần kinh lên trên bề mặt của vi điện cực dạng mảng. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu có thể giảm thời gian phân phối, tăng độ chính xác cho các hệ thống phân phối vật liệu, công nghệ này có khả năng ứng dụng rộng trong các lĩnh vực y sinh, vật lý, hóa học. Kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về hệ thống phân phối vật liệu nano. 6. Những đóng góp của luận án: Luận án đã có các đóng góp chính sau: 1. Về mặt lý thuyết: - Xây dựng đƣợc mô hình toán tổng quát (2.21), (3.13) (trong chương 2 và chương 3 của luận án này) cho hệ thống phân phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong đó kể đến các yếu tố bất định nhƣ khe hở của hộp số, độ biến dạng đàn hồi, các mô men ma sát. 4 - Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, trong mục 3.4.4, cụ thể trong phƣơng trình (3.42) đã thực hiện bù thành phần Gθb (nhiễu bất định) có lẫn trong tín hiệu ra trong phƣơng trình (3.30), sau đó đƣa ra các bƣớc chi tiết thực hiện thuật toán lọc Kalman không liên tục. Phƣơng pháp đề xuất còn thực hiện kết hợp đƣa thành phần bất định nhiễu dk = Gθb vào bộ điều khiển dự báo trong công thức (3.31), sau đó xác định đƣợc dãy các giá trị tín hiệu điều khiển tối ƣu trong tƣơng lai kể từ thời điểm t = kTa, bao gồm Δuk, Δuk+1,…., Δuk+M-1. Trong đó M là khoản thời gian dự báo (hình 3.16), sao cho hàm mục tiêu dạng toàn phƣơng theo phƣơng trình (3.37) đạt giá trị nhỏ nhất. 2. Về mặt thực tiễn: - Ứng dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra trong miền không gian trạng thái cho hệ thông phân phối vật liệu nano. - Bằng lập trình và mô phỏng, kết hợp với thực nghiệm tác giả đã kiểm chứng kết quả nổi trội của phƣơng pháp điều khiến dự báo thích nghi có thành phần tích phân cho hệ thống phân phối vật liệu nano xét đến các thành phần bất định điển hình là thích hợp hơn cả so với các phƣơng pháp điều khiển tiên tiến khác. 7. Bố cục luận án Cấu trúc của luận án đƣợc mô tả chi tiết trong phần mục lục. Tóm tắt bố cục luận án và nội dung chính các chƣơng cụ thể là: Chƣơng 1: Lý thuyết tổng quan Trong chƣơng này, tác giả trình bày lý thuyết cơ bản về công nghệ nano, khái niệm và vai trò các phƣơng pháp điều khiển và tự động hóa trong chế tạo vật liệu nano. Từ đó đƣa ra các hệ thống liên quan đến việc phát triển hệ phân phối vật liệu nano, giới thiệu nguyên lý hoạt động, cơ chế hoạt động. Phân tích các kết quả đã nghiên cứu cùng hƣớng với đề tài, dựa trên những công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố gần đây ở trong và ngoài nƣớc, đánh giá, so sánh các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp điều khiển, chỉ ra đƣợc các vấn đề còn tồn tại của từng nghiên cứu. Từ đó làm cơ sở đề xuất hƣớng phát triển xây dựng mô hình toán cũng nhƣ thuật toán mới ứng dụng cho hệ thống phân phối vật liệu nano Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề chính nhƣ sau: Vấn đề thứ nhất: Đề xuất xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển vị trí xét đến các thành phần phi tuyến điển hình dựa trên phƣơng pháp phân tích. Cụ thể bài toán sẽ giải quyết đƣợc các vấn đề nhiễu phi tuyến nhƣ nhiễu do khe hở của hộp số, nhiễu do ma sát, nhiễu do quán tính, nhiễu do lực xoắn [3, 4, 5, 12, 33, 65]. Vấn đề thứ hai: Thiết kế bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, bổ sung nhiễu dk vào bộ điều khiển, đây cũng là phƣơng pháp đề xuất của luận án, để đáp ứng 5 tốt yêu cầu của bài toán cho mô hình phi tuyên, đối tƣợng là bậc cao. Ứng dụng giải quyết bài toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano. Chƣơng 2: Xây dựng mô hình đối tƣợng Nội dung chƣơng này trình bày cấu trúc tổng quan hệ thống điều khiển phân phối vật liệu. Từ đó xây dựng mô hình đối tƣợng đề cập đến là một hệ phi tuyến có nhiều nguồn nhiễu phi tuyến tác động lên hệ thống: Nhiễu do khe hở của hộp số, nhiễu do ma sát, nhiễu do quán tính, nhiễu do lực xoắn... là nguyên nhân gây ra sai lệch khi thiết kế bộ điều khiển. Kết quả khảo sát chỉ ra rằng tính phi tuyến ảnh hƣởng rõ rệt lên hệ thống so với đối tƣợng tuyến tính, đƣợc mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng. Cụ thể mô hình đối tƣợng đề cập đến là một hệ phi tuyến nhiều nguồn nhiễu tác động lên hệ thống. Từ các đồ thi khảo sát đƣợc trong các trƣờng hợp theo phƣơng trình toán học tổng quát (2.21). Khi xét đến các thành phần phi tuyến điển hình Bm≠0 (ma sát nhớt), Tf ≠ 0 (mô men ma sát trên trục động cơ), Td ≠0 (mô men nhiễu tải), Ws≠Wd (vận tốc góc lệc giữa trục tải và động cơ), so với trƣờng hợp không xét tới thành phần phi tuyến Bm= 0, Tf = 0, Td = 0, Ws = Wd. Cho thấy các nhiễu ma sát phi tuyến làm giảm hệ số khuếch đại của hệ, làm thay đổi tốc độ và vị trí chính xác. Hiện tƣợng Backlash (Backlash - khe hở của hộp số bánh răng) ảnh hƣởng rõ rệt tới vị trí của hệ (gây trễ khi khởi động và mỗi khi đảo chiều) nhƣ các kết luận. Tuy nhiên với yêu cầu khoảng cách dịch chuyển cỡ miccromet nên vấn đề sai số trong cả ba trƣờng hợp phân tích trong chƣơng này ta vẫn cần phải xem xét. Điều này rất quan trọng khi xây dựng bộ điều khiển, từ đó đƣa ra hƣớng phát triển tiếp theo của đề tài Chƣơng 3: Xây dựng thuật toán điều khiển Trong chƣơng này, tác giả sẽ trình bày kết quả xây dựng bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, sử dụng mô hình toán (2.21) đƣợc xây dựng trong chƣơng 2 để giải bài toán cho hệ mô hình phi tuyến đáp ứng các yêu cầu của bài toán đã đặt ra ở chƣơng 1 và chƣơng 2. Mô hình trạng thái tổng quát (3.13) chính là mô hình trạng thái tƣơng đƣơng của mô hình (2.21), từ các giả thiết 1 và 2 có đƣợc phƣơng trình (3.1), (3.2), trong đó bỏ qua nhiễu mô men ma sát trên trục động cơ, nhiễu tải, độ xoắn của trục động cơ. Trong mô hình (3.13) các biến trạng thái x1, x2 là vị trí và vận tốc góc trục tải, x3, x4 là vị trí và vận tốc góc trục động cơ, Ks là hệ số đàn hồi trục, α hệ số ma sát, θb góc khe hở của hộp số đƣợc xem nhƣ là thành phần nhiễu phi tuyến điển hình biến đổi tác động vào hệ cuối cùng. Đây cũng là mô hình toán mà luận án tập trung nghiên cứu trong chƣơng 3. Tiếp theo chƣơng này luận án xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, trong mục 3.4.4, cụ thể trong phƣơng trình (3.42) đã thực hiện bù thành phần nhiễu bất định Gθb có lẫn trong tín hiệu ra phƣơng trình (3.30), sau đó đƣa ra các bƣớc chi tiết thực hiện thuật toán lọc Kalman không liên tục. Phƣơng pháp đề xuất còn thực hiện kết hợp đƣa thành phần bất định nhiễu dk = Gθb vào bộ điều khiển dự báo (3.31), sau đó xác định đƣợc dãy các giá trị tín hiệu điều khiển tối ƣu trong tƣơng lai kể từ thời 6 điểm t = kTa, bao gồm Δuk, Δuk+1,…., Δuk+M-1. Trong đó M là khoản thời gian dự báo (hình 3.16), sao cho hàm mục tiêu dạng toàn phƣơng (3.37) đạt giá trị nhỏ nhất. Chƣơng 4: Thực nghiệm Để làm rõ hơn kết quả đã đạt đƣợc ở chƣơng 3, trong chƣơng 4 tác giả lựa chọn tiến hành thực nghiệm điều khiển hệ thống phân phối vật liệu nano sử dụng bộ điều khiển MPC để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán đã đƣợc đề xuất và khả năng ứng dụng thuật toán MPC trong bài toán phi tuyến bậc cao điều khiển chính xác vị trí. Cuối cùng là kết luận và hƣớng phát triển tiếp theo của luận án. 7
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan