Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển cho hệ thống truyền động điện nhiều động cơ liên kết đàn hồi bằng phương pháp nội suy thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐÀO SỸ LUẬT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NHIỀU ĐỘNG CƠ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THỰC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐÀO SỸ LUẬT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NHIỀU ĐỘNG CƠ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển vàTự động hóa Mã số : 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GVC, TS Nguyễn Phú Đăng GVC, TS Phạm Văn Thuận HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Phú Đăng, TS Phạm Văn Thuận với tài liệu tham khảo trích dẫn Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Đào Sỹ Luật ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Phú Đăng, người hướng dẫn khoa học thứ TS Phạm Văn Thuận, người hướng dẫn thứ hai, tận tình bảo, đưa nội dung cần phải giải để tơi hồn thành luận án Đồng thời xin cảm ơn Ban Giám Đốc, Khoa Kỹ thuật Điều khiển, Bộ môn Điện tử y sinh - Học viện Kỹ thuật Quân Ban Giám hiệu, Khoa Kỹ thuật- Đại học Đồng Nai, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln động viên, chia sẻ giúp đỡ suốt thời gian thực luận án Tác giả luận án Đào Sỹ Luật iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Nội dung bố cục luận án Những đóng góp khoa học thực tiễn đề tài Chương BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NHIỀU ĐỘNG CƠ CÓ CHỨA PHẦN TỬ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI 1.1 Tổng quan hệ truyền động điện có chứa phần tử liên kết đàn hồi 1.2 Đánh giá nghiên cứu nước 10 1.2.1 Các nghiên cứu nước 10 1.2.2 Các nghiên cứu nước 11 1.3 Xây dựng mơ hình hệ truyền động điện nhiều động có chứa phần tử liên kết đàn hồi 17 1.3.1 Mơ tả băng tải đàn hồi dạng vịng kín 17 1.3.2 Sơ đồ cấu trúc động không đồng với roto ngắn mạch hệ tọa độ quay (d, q): 20 1.3.3 Cấu trúc hệ truyền động điện hai động khơng đồng có chứa băng tải đàn hồi dạng vịng kín 24 1.4 Thiết lập vấn đề nghiên cứu 26 1.5 Kết luận chương 28 Chương ƯỚC LƯỢNG HÀM TRUYỀN ĐẠT MƠ TẢ CÁC ĐỐI TƯỢNG CĨ THAM SỐ PHÂN BỐ 29 iv 2.1 Phương pháp nội suy thực (Real Interpolation Method - RIM) 30 2.1.1 Đặc trưng số tín hiệu liên tục 31 2.1.2 Tính chất chéo phép biến đổi tích phân thực 32 2.2 Cơ sở ước lượng hàm truyền đạt mơ tả đối tượng có tham số phân bố phương pháp nội suy thực 33 2.3 Đánh giá sai số ước lượng 36 2.4 Nâng cao độ xác ước lượng phương pháp lặp 39 2.5 Nâng cao độ xác xấp xỉ dựa phân bố không điểm nút nội suy 42 2.6 Xây dựng chương trình tự động ước lượng 47 2.7 Kết luận chương 51 Chương CƠ SỞ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THỰC 53 3.1 Thiết lập toán 53 3.2 Thuật toán tổng hợp điều chỉnh 55 3.2.1 Xác định hệ số hồi tiếp K ht 56 3.2.2 Xác định hàm truyền mong muốn hệ thống 56 3.2.3 Giải phương trình tổng hợp 66 3.3 Hiệu chuẩn độ chỉnh hệ thống sau tổng hợp 68 3.3.1 Hiệu chuẩn độ chỉnh th o th i gian uá độ yêu cầu ( tqdyc ) 68 3.3.2 Hiệu chuẩn độ uá chỉnh sử dụng hà trọng ượng đặc biệt 68 3.3.3 Hiệu chuẩn độ chỉnh dựa hàm truyền mong muốn suy  rộng ( yc ) 70 3.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động nhiều vòng 71 3.4.1 Tổng hợp lần ượt vòng điều khiển 74 3.4.2 Tổng hợp đồng th i vòng điều khiển 76 3.5 Hiện thực hóa chương trình tổng hợp máy tính 78 v 3.5.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 78 3.5.2 Xây dựng chương trình tổng hợp 79 3.6 Kết luận chương 81 Chương XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HAI ĐỘNG CƠ CÓ CHỨA BĂNG TẢI ĐÀN HỒI DẠNG VỊNG KÍN 82 4.1 Tổng hợp hệ thống điều khiển 82 4.1.1 Tổng hợp vịng điều khiển từ thơng 82 4.1.2 Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ 86 4.2 Mô phỏng, đánh giá hệ thống điều khiển sau tổng hợp 88 4.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ truyền động điện hai động có chứa băng tải đàn hồi 93 4.3.1 Sơ đồ chức hệ thống 93 4.3.2 Thiết kế phần cứng hệ thống 96 4.3.3 Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát hệ thống 102 4.3.4 Đánh giá hình thực nghiệm 103 4.4 Kết luận chương 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107 Kết luận 107 Hướng nghiên cứu 108 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC CÁC CHƯƠNG TRÌNH 119 vi BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/Chữ viết tắt Ý nghĩa ACS Hệ thống điều khiển tự động SDP Hệ thống điều khiển có tham số phân bố FLC Bộ điều khiển logic mờ NN Mạng nơ ron LQG Điều khiển tối ưu tồn phương tuyến tính NADRC RIM K ht Hệ số hồi tiếp  yc Độ chỉnh yêu cầu hệ 10  th Độ chỉnh hệ tổng hợp 11  Sai lệch độ chỉnh cho phép 12 tqdyc Thời gian độ yêu cầu hệ mong muốn 13 th tqd Thời gian độ hệ tổng hợp 14 tqd Thời gian độ nhỏ 15 k Wmm ( s) 16 Wthk ( s ) Hàm truyền hệ kín tổng hợp 17 Wrp ( s ) Hàm truyền đạt điều chỉnh v trí 18 Wrc ( s ) Hàm truyền đạt điều chỉnh tốc độ 19 Wrt ( s) Hàm truyền đạt điều chỉnh v ng Điều khiển bù nhiễu phi tuyến Phương pháp nội suy thực Hàm truyền hệ kín mong muốn dòng 20 q Hệ số truyền băng tải đàn hồi 21  Tọa độ không gian đầu hệ vii 22 Etp Điện áp biến đổi Thiristor 23 Ed Sức phản điện động 24 I1 (t ) 25 i Hệ số truyền hộp giảm tốc 26 R1 Bán kính tang quấn chủ động 27 F ( x, t ) Lực căng băng tải điểm có tọa độ x 28 v ( x, t ) Tốc độ d ch chuyển mặt c t băng tải tọa D ng điện biến đổi Thiristor độ x theo thời gian t 29 u( x, t ) Độ d ch chuyển mặt c t băng tải tọa độ x theo thời gian t 30 l Mật độ tuyến tính phần tử học đàn hồi 31 Ta Hằng số điện từ mạch phần ứng 32 Ra Trở kháng mạch phần ứng 33 CM Hằng số học động 34  35 d ( s ) Vận tốc góc động 36 d ( s) Góc quay động 37 Tin , kin Hằng số thời gian hệ số khuếch đại Mật độ vật chất khâu liên kết đàn hồi biến đổi 38  Thời gian trễ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Cấu trúc hệ truyền động nhiều động liên thuộc băng tải đàn hồi Hình 1.2 Sơ đồ chức hệ truyền động máy cán liên tục Hình 1.3 Sơ đồ chức máy làm giấy Hình 1.4 Sơ đồ chức máy sản xuất màng mỏng quang học Hình Mơ hình chung hệ thống truyền động điện tháo-quấn băng vật liệu đàn hồi Hình 1.6 Cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển truyền động hai động liên kết băng tải đàn hồi 17 Hình 1.7 Mơ hình khảo sát băng tải đàn hồi dạng v ng kín 18 Hình 1.8: Các sơ đồ thay động điện không đồng với roto ng n mạch hệ tọa độ quay (d,q) với tốc độ 1 đ nh v theo véc tơ từ thông roto  : a - theo trục d, b - theo trục q 21 Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc động điện không đồng với roto ng n mạch hệ tọa độ quay (d,q) với liên kết phản hồi phi tuyến chéo 23 Hình 1.10 Sơ đồ cấu động điện không đồng hệ tọa độ quay (d,q)24 Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện hai động không đồng có tính đến ảnh hưởng băng tải đàn hồi vào vịng tốc độ 25 Hình Sự biến thiên hàm truyền đạt thực Wdt ( ) 35 Hình 2 Dạng đồ th đa thức Chebyshev Tn ( x ) 43 Hình Đồ th số đa thức Chebyshev Tn (t ) a  44 Hình Biểu diễn thuật tốn eme xác đ nh xấp xỉ tối ưu 47 Hình Giao diện chương trình tự động ước lượng hàm truyền đạt phương pháp nội suy thực 49 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động điển hình 54 138 else T_DC1 = T_DC = evalc('Wdc_thvt_s'); T_DC(15:length(T_DC)-20); set(handles.text_Wrp,'String',num2str((T_DC1))); set(handles.text_WrpP,'Visible','Off'); end set(handles.Ts_vitri,'string',strcat('Ts = ',num2str(Tqd_vt))); set(handles.Os_vitri,'string',strcat('Os = ',num2str(Beta_vt))); %% assignin('base', 'Wk_thvt_s', Wk_thvt_s); assignin('base', 'Wkvt_mm_s', Wkvt_mm_s); assignin('base', 'Wdc_p', Wdc_thvt_s); title('Qua vong vi tri'); hold on; step(Wkvt_mm_s,'k'); % ve thi ham truyen kin mong muon step(Wk_thvt_s,'k '); % ve thi ham truyen kin tong hop duoc title('Qua vong vi tri'); legend('1:HT mong muon', '2:HT tong hop'); grid on; figure(3); hold on; step(Wkvt_mm_s,'k'); % ve thi ham truyen kin mong muon step(Wk_thvt_s,'k '); % ve thi ham truyen kin tong hop duoc Module chương trình “Quá trình độ hệ thống” global tfd_k;global tfv_k;global tfp_k; global tfd_mm;global tfv_mm;global tfp_mm; global plotidx; plotidx = plotidx+1; %t =0:0.1:3; assignin('base', 'plotidx', plotidx); if(plotidx==1) cla(handles.plot,'reset');hold on; step(tfd_k) step(tfd_mm) title('Qua vong dieu khien dong dien'); elseif(plotidx==2) cla(handles.plot,'reset');hold on; step(tfv_k) step(tfv_mm) title('Qua vong dieu khien van toc'); elseif(plotidx==3) cla(handles.plot,'reset');hold on; step(tfp_k) step(tfp_mm) title('Qua vong dieu khien vi tri'); else cla(handles.plot,'reset'); hold on; step(tfd_k) step(tfv_k) step(tfp_k) title('Qua vong dieu khien he thong'); plotidx=0; end 139 III Phụ lục III: Chương trình điều khiển St p7 Chương trình điều khiển S7-300 cho động 140 141 142 143 144 145 146 147 Chương trình điều khiển PLC S7-300 cho động 2: 148 149 150 151 152 ... nghiệm đánh giá kết tổng hợp hệ truyền động điện hai động có liên kết đàn hồi Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp tiếp cận cách toàn diện, kết hợp nghiên cứu sở lý thuyết tổng hợp hệ thống điều khiển. .. cứu tổng hợp hệ điều khiển cho hệ thống truyền động điện nhiều động liên kết đàn hồi phương pháp nội suy thực” đề xuất giải pháp tổng hợp hiệu chuẩn điều chỉnh dựa sở phương pháp nội suy thực... SỰ ĐÀO SỸ LUẬT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NHIỀU ĐỘNG CƠ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển vàTự động hóa Mã số