1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MINH HẢI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phản biện 1 : PGS.TS Phạm Hữu Đức Dục Phản biện 2 : TS. Bùi Chính Minh Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 7 giờ 30 phút ngày 17 tháng 11 năm 2011. Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. 2 MỞ ĐẦU Trong quá trình phát triển đất nước thì công nghiệp hóa và hiện đại hóa là một hướng ưu tiên. Vì thế đã có rất nhiều dây chuyền công nghiệp được chế tạo và mua mới trong số đó có hệ truyền động. Trước đây, với các hệ truyền động chất lượng thấp, độ chính xác không cao thì người ta xem như hệ truyền động là cứng tuyệt đối và bỏ qua tính mềm của khớp nối. Tuy nhiên đối với các hệ truyền động yêu cầu độ chính xác cao, chất lượng tốt phải tính đến ảnh hưởng của tính mềm của khớp nối đối với hệ truyền động từ đó đưa ra các giải pháp xử lý. Có rất nhiều giải pháp khắc phục được đưa ra. Bên cạch các giải pháp cơ học còn có các giải pháp điều khiển. Có rất nhiều thuật toán điều khiển tối ưu, thích nghi khác nhau như thuật toán Gen, thuật toán thích nghi tự chỉnh dùng phương pháp áp đặt cực, các bộ điều khiển PID, dùng các bộ điều khiển mờ, điều khiển phản hồi trạng thái Mỗi giải pháp có các ưu nhược điểm riêng nhưng nhìn chung không giải quyết triệt để các yêu cầu chất lượng đặt ra. Nếu chọn giải pháp điều khiển phản hồi trạng thái thì số lượng các sensor đo lường lớn, chủng loại nhiều, khó khăn trong việc vận hành và bảo dưỡng vì thế giá thành sản phẩm sẽ cao điều này sẽ giảm sức cạnh trạnh của sản phẩm trên thị trường. Bên cạnh đó, không phải tín hiệu nào cũng đo được bằng cảm biến mà có những tín hiệu không thể đo bằng cảm biến. Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống cần điều khiển là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trước và các phần tử phi tuyến. Vì thế để giải quyết vấn đề trên tôi dùng bộ điều khiển phi tuyến. Đó là lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động khớp nối mềm” để nghiên cứu. Luận văn được chia thành 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối mềm Chương 2: Giải pháp về mặt điều khiển cho hệ truyền động khớp nối mềm Chương 3: Phát triển lý thuyết và tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến thích nghi bền vững hệ truyền động khớp nối mềm 3 Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân em cũng cố gắn tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã giúp đỡ em về chuyên môn và các tài liệu làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc. Em xin chân thành cám ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để em hoàn thành khóa học. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày . . . tháng . . . năm 2011 Tác giả luận văn Nguyễn Minh Hải 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Hệ thống truyền động khớp nối mềm được sử dụng phổ biến và rộng khắp trong các dây chuyền công nghiệp. Vì thế việc nghiên cứu và đưa ra các giải pháp làm giảm tác hại của khớp nối mềm nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống là điều rất quan trọng. Trong chương này sẽ trình bày về tổng quan hệ thống khớp nối mềm và các giải pháp cơ học cũng như điều khiển nhằm khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học do hệ thống khớp mềm gây ra. 1.1 Giới thiệu Trong công nghiệp việc truyền lực, mô men từ động cơ đến tải được thực hiện bằng các khớp nối. Các khớp nối do nhiều lý do mà nó không cứng vững, gây nên hiện tượng cộng hưởng cơ học. Cộng hưởng cơ học có ảnh hưởng xấu đến máy và sản phẩm. Có rất nhiều phương pháp để khắc phục hiện tượng này. Các phương pháp về mặt cơ học khắc phục cộng hưởng là làm trục truyền lực cứng hơn và giảm tỷ lệ mô men quán tính giữa tải và động cơ. Về mặt điều khiển, các bộ PI điều chỉnh tốc độ thông thường không giải quyết được vấn đề này. Đặc biệt là khi cần tốc độ đáp ứng hệ thống nhanh, hệ số khuếch đại K p của bộ PI tăng nên hiện tượng cộng hưởng xảy ra. Ngoài giải pháp về mặt cơ học, về mặt điều khiển có rất nhiều phương pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học này. Dùng các bộ điều khiển biến thể của PID (I_P, I_PD). Hai bộ điều khiển này có tác dụng tốt hơn PID thông thường do giảm sự tăng nhanh của tín hiệu điều khiển. Dùng bộ lọc thông thấp hoặc bộ lọc dải chắn hoặc bộ lọc bi-quad đặt ngay sau bộ PI thông thường. Phương pháp này làm thực hiện khá đơn giản và cũng cho kết quả tốt. Mô men xoắn truyền từ tải đến động cơ là nguyên nhân gây lên hiện tượng cộng hưởng cơ học vì vậy có các phương pháp phản hồi mô men xoắn, phản hồi vi phân mô men xoắn. Mô men xoắn được gây ra bởi sai lệch vị trí giữa hai trục động cơ và tải, nên các phương pháp trên đòi hỏi phải tính toán được sai lệch này. Để giảm bớt được sensor đo vị trí tải, sử dụng các phương pháp quan sát trạng thái như các bộ quan 5 Hình 1.2 Mô tả khớp mềm sát Luenberger, các bộ quan sát dùng bộ lọc Kalman. Chất lượng truyền động rất quan trọng đặc biệt là khi các thông số vật lý hệ thông có sự thay đổi hay có nhiều nhiễu loạn khác nhau. Do đó trong điều khiển hiện đại có ứng dụng lý thuyết về hệ điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững. Có rất nhiều các thuật toán tối ưu, thích nghi khác nhau như thuật toán Gen, thuật toán thích nghi tự chỉnh dùng phương pháp áp đặt cực, dùng các bộ điều khiển mờ, các bộ điều khiển PID 1.2. Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm trong truyền động: 1.2.1. Khớp nối 1.2.2. Khớp nối mềm 1.3 Phân loại và đặc điểm một số loại khớp nối. 1.3.1. Khớp nối kiểu đai truyền 1.3.2. Khớp nối kiểu xích 1.3.3. Khớp nối kiểu bánh răng ăn khớp 1.4. Độ cứng của các khớp nối 1.4.1. Độ cứng của của trục làm việc khi bị xoắn 1.4.2. Độ cứng của thanh làm việc khi kéo và nén (Ví dụ như: Trục vít dẫn động) 1.4.3. Độ cứng của mối nối ren 1.4.4. Độ cứng của truyền động bánh răng 1.4.5. Độ cứng của nối then và chêm 6 1.4.6. Độ cứng của truyền động đai da và truyền động xích 1.5. Hiện tượng cộng hưởng cơ học trong truyền động khớp nối mềm. 1.6. Các giải pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học. 1.6.1. Các giải pháp cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học  Làm bộ truyền lực cứng hơn  Giảm tỷ lệ quán tính giữa tải và động cơ 1.6.2. Các giải pháp điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học. 1.7. Kết luận chương 1. Như vậy chương 1 đã cho ta một cái nhìn tổng quát về khớp nối mềm, về hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong hệ thống truyền động khớp nối mềm. Bản chất hệ truyền động khớp nối mềm là hệ truyền động giữa động cơ được nối với tải thông qua khớp mềm. Và khớp mềm được biểu diễn bởi mô hình lò xo liên kết hai vật nặng. Sự mềm dẻo của trục là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng cơ học. Hiện tượng cộng hưởng là vấn đề phức tạp mà người thiết kế phải quan tâm. Nó có thể phá hỏng các kết cấu cơ khí và gây tổn thất về mặt kinh tế. Hiện tượng cộng hưởng cơ học có ảnh hưởng xấu hệ truyền động, gây khó khăn trong việc điều khiển và nâng cao chất lượng, nó có thể gây hỏng thiết bị truyền động. Chương 1 cũng đã trình bày một số giải pháp về mặt cơ khí nhằm khắc phục hiện tượng cộng hưởng như làm tăng độ cứng các bộ phận nối từ động cơ đến tải, làm giảm tỷ lệ quán tính giữa tải và động cơ, tuy phương pháp về mặt cơ khí làm giảm đáng kể hiện tượng cộng hưởng nhưng không giải quyết triệt để. Vì vậy để khắc phục triệt để hiện tượng cộng hưởng ta phải sử dụng các giải pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động. CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Hiện nay có rất nhiều giải pháp để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có thể liệt kê như áp dụng thuật toán Gen, thuật toán thích nghi tự chỉnh dùng 7 phương pháp áp đặt cực, các bộ điều khiển PID, dùng các bộ điều khiển mờ Chương 2 sẽ trình bày một số phương pháp điều khiển thông thường giảm cộng hưởng cơ học cho hệ truyền động khớp nối mềm. 2.1. Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm Phần này sẽ dẫn giải ra mô hình toán học của hệ truyền động nối khớp mềm và ảnh hưởng của các thông số trong mô hình đến hiện tượng cộng hưởng cơ học. 2.1.1 Mô tả toán học hệ truyền động khớp nối mềm. Như đã trình bày ở chương 1, khớp nối mềm trong truyền động là khớp nối giữa trục động cơ và trục tải. Đó là các khớp nối không có độ cứng tuyệt đối như các bánh răng, các trục dài tải lớn, các kẹp nối mềm, các dây đai, các dây xích, các khớp làm bằng các vật liệu có tính co giãn Mô hình của các khớp nối này có thể là các hệ thống nhiều khối, tuy nhiên để cho đơn giản chỉ khảo sát hệ thống 2 khối. Khớp nối mềm được mô hình hoá đơn giản bằng một lò xo có độ cứng K s như hình vẽ. 2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối mềm. Hình 2.1 Hệ truyền động khớp nối mềm b S , 8 2.1.3 Ảnh hưởng của Ks đến cộng hưởng cơ học. 2.1.4 Ảnh hưởng của b s đến cộng hưởng cơ học 2.1.5 Ảnh hưởng của tỷ số giữa mô men quán tính tải và quán tính động cơ: J L /J M 2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động nối khớp mềm. 2.3 Các giải pháp về mặt điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng. 2.3.1 Bộ điều khiển PI: 2.3.2 Lọc thông thấp. 2.3.3 Lọc dải hẹp (notch) sJ 1 L s K s T M T L T S ω L - - ω M + + - 1 M J s + Hình 2.3 Mô tả toán học đối tượng khớp mềm Hình 2.4 Đặc tính biên- pha khi K s thay đổi K s =2,19 K s =0,28 tần số tăng lên 9 2.3.4 Lọc trùng phương (bi-quad). 2.3.5 Hệ phản hồi mô men xoắn. 2.3.5.1 .Phương pháp phản hồi mô men xoắn kết hợp với bộ lọc thông cao 2.3.5.2. Phương pháp phản hồi vi phân mô men xoắn. 2.3.6 Phương pháp dùng các bộ điều khiển biến thể của PID  Bộ điều khiển I_P.  Bộ điều khiển I_PD. 2.3.7 Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trạng thái.  Bộ quan sát Luenberger.  Bộ quan sát trạng thái dùng bộ lọc Kalman 2.4. Kết luận chương 2. Trong chương 2 đã trình bày mô hình toán học khớp nối mềm và cách thiết lập phương trình trạng thái cho hệ truyền động khớp nối mềm. Và nhận xét sự ảnh hưởng của các thông số khớp mềm đến hiện tượng cộng hưởng cơ học. Tiếp đến đã trình bày các phương pháp điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Trong khi phương pháp dùng bộ lọc thông thấp thì có tác dụng tốt cho cộng hưởng tần cao, nhưng không có tác dụng với cộng hưởng tần thấp. Phương pháp lọc dải hẹp có tác dụng tốt chỉ khi biết được chính xác tần số cộng hưởng của khớp. Khi dùng bộ lọc trùng phương có thể làm tăng độ cứng của đặc tính động cơ, làm cho động cơ không dao động, nhưng tốc độ tải vẫn dao động. Các phương pháp lọc có ưu điểm là đơn giản, dễ áp dụng. Phương pháp phản hồi mô men xoắn cho tốc độ đáp ứng nhanh hơn. Các phương pháp dùng các bộ điều khiển IP, PID cũng có thể làm giảm dao động cho khớp mềm. Ứng dụng phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng các bộ lọc quan sát trạng thái cũng là phương pháp hữu hiệu để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng cơ học. Phát triển lý thuyết và tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ truyền động khớp mềm sẽ được trình bày cụ thể ở chương 3. 10 [...]... hình hóa hệ bằng các phương trình vi phân Bộ điều khiển đã được thiết kế ở phần này sẽ được ứng dụng vào việc thiết kế bộ điều khiển bền vững, thích nghi bền vững cho hệ truyền động có khớp nối mềm ở các phần tiếp theo 3.3 Áp dụng vào điều khiển thích nghi hệ khớp nối mềm Mục này trình bày ứng dụng của phương pháp điều khiển phi tuyến đã phát triển trong Mục 3.2 để tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến thích... bộ điều khiển phi tuyến vào điều khiển hệ là hợp lý Trong 3.3.2 mới chỉ thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững với giả thiết tất cả các tham số của khớp mềm đều biết trước Bây giờ giả thiết tất cả các tham số của hệ khớp mềm đều không biết trước và đi thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững Nhưng để đơn giản hóa bài toán, ta giả thiết mô men quán tính của động cơ JM là biết trước Giả thiết này... cho hệ truyền động khớp nối mềm , Tạp chí khoa học và công nghệ,(Số 2) [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi(2002), Điều khiển tự động truyền động điện, NXB Khoa học - kỹ thuật [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền(2004), Truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Thương Ngô (2005), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại Q3 Hệ phi tuyến. .. bộ điều khiển bền vững là nó không đòi hỏi phải biết các tham số của hệ khớp mềm nhưng độ phức tạp của quá trình tổng hợp tăng lên đáng kể do số các tham số bất định của mô hình cũng tăng lên 3.3.3 Điều khiển phi tuyến thích nghi và bền vững hệ truyền động khớp nối mềm với đầu ra là góc quay của trục tải 3.3.3.1 Đặt vấn đề Do hệ truyền động khớp nối mềm có tính phi tuyến mạnh, việc sử dụng các bộ điều. .. vững cho các hệ phi tuyến có các trạng thái được giả thiết là đo được, ứng dụng vào quá trình tổng hợp hai bộ điều khiển phi tuyến thích nghi và bền vững cho hệ khớp mềm Các quá trình này có tính hệ thống và là một trong các kết quả ứng dụng của các phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển thích nghi và bền vững cho các hệ phi tuyến đã trình bày Khác với các kết quả đã trình bày trong các chương 2, các bộ. .. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP MỀM Chương này trình bày những phương pháp cơ bản nhất để tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho các hệ phi tuyến có các trạng thái được giả thiết là đo được Các hệ phi tuyến được khảo sát trong chương này đều có chứa các tham số không biết trước là hằng số hoặc thay đổi chậm theo thời gian Ngoài ra các hệ phi tuyến này... - kỹ thuật [5] Nguyễn Thương Ngô(2005), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại Q4 Điều khiển tối ưu - điều khiển thích nghi [6] Nguyễn Doãn Phước(2007), Lý thuyết điều khiển nâng cao NXB Khoa học – kỹ thuật, Hà Nội [7] Nguyễn Doãn Phước(2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học – kỹ thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Phùng Quang(2003), MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, ... bộ điều khiển phi tuyến thích nghi và bền vững cho hệ khớp mềm Bộ điều khiển thích nghi bền vững có ưu điểm nổi bật so với bộ điều khiển bền vững là nó không đòi hỏi phải biết các tham số của hệ khớp mềm nhưng độ phức tạp của quá trình tổng hợp tăng lên đáng kể do số các tham số bất định của mô hình cũng tăng lên Chương này đã phát triển có hệ thống các phương pháp cơ bản nhất để tổng hợp bộ điều khiển. .. hệ khi tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững, ta có kết quả như sau: 25 Hình 3.3 Tốc độ tải, động cơ, TM Hình 3.4 Vị trí trục tải Bộ điều khiển thích nghi bền vững có ưu điểm nổi bật so với bộ điều khiển bền vững là nó không đòi hỏi các tham số của hệ khớp mềm nhưng độ phức tạp của quá trình thiết kế tăng lên đáng kể Kết quả mô phỏng cho thấy hệ bám vị trí đầu ra của trục tải rất tốt 3.4 Kết luận. .. bộ điều khiển phi tuyến được tổng hợp trong chương này đảm bảo tốc độ của tải bám theo một tốc độ đặt Tính phi tuyến của khớp mềm được xét trực tiếp không qua tuyến tính hóa Hai bộ điều khiển được tổng hợp trong mục này bền vững đối với tải, nghĩa là sai số điều khiển giữa tốc độ của tải và tốc độ đặt không phụ thuộc vào lượng tải thay đổi, và thích nghi với các tham số của hệ khớp mềm Bộ điều khiển . HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MINH HẢI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI. Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động khớp nối mềm để nghiên cứu. Luận văn được chia thành 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối mềm Chương. cộng hưởng xảy ra trong hệ thống truyền động khớp nối mềm. Bản chất hệ truyền động khớp nối mềm là hệ truyền động giữa động cơ được nối với tải thông qua khớp mềm. Và khớp mềm được biểu diễn bởi