Luận văn thạc sĩ kĩ thuật nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động có khe hở

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - VILAYTHONG NIYOM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN-2015 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - VILAYTHONG NIYOM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐẶNG DANH HOẰNG THÁI NGUYÊN- 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: VILAYTHONG NIYOM Sinh ngày 22 tháng 07 năm 1977 Học viên lớp cao học khóa 15 - TĐH - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Trường Cao đẳng kỹ thuật công nghiệp PAKPASAK –Viêng Chăn – Cơng hịa dân chủ nhân dân Lào Ngày giao đề tài : Ngày tháng năm 2014 Ngày hoàn thành đề tài: Ngày 25 tháng 11 năm 2014 Xin cam đoan luận văn “ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ ” thầy giáo TS Đặng Danh Hoằng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 30 tháng 01 năm 2015 Học viên Vilaythong Niyom ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo TS Đặng Danh Hoằng, luận văn với đề tài “ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ” hồn thành Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS Đặng Danh Hoằng tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Các thầy giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 01 năm 2015 Học viên Vilaythong Niyom iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1.Những vấn đề hệ truyền động có khe hở 1.1.1.Hệ truyền động xác .2 1.1.2.Hệ truyền động tốc độ cao 1.1.3.Hệ truyền động công suất lớn 1.1.4.Độ hở mặt bên 1.2.Một số ảnh hưởng đến hệ truyền động qua bánh 1.2.1.Ảnh hưởng đàn hồi đến phần hệ thống truyền động 1.2.2.Ảnh hưởng ma sát hệ thống truyền động 1.2.3.Ảnh hưởng khe hở hệ thống truyền động .10 1.3.Những đặc trưng ăn khớp cặp bánh 13 1.3.1.Điều kiện ăn khớp 15 1.3.2.Điều kiện ăn khớp trùng 15 1.3.3.Điều kiện ăn khớp khít 16 1.4.Kết luận chương 18 Chương 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CĨ KHE HỞ 19 2.1.Mơ hình tốn hệ truyền động có khe hở 19 2.1.1.Cấu trúc vật lý định luật cân .20 2.1.2.Mơ hình tốn chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mịn vật liệu, độ đàn hồi moment ma sát 22 2.1.3.Mơ hình tốn chế độ khe hở (dead zone) 25 2.1.4.Mơ hình toán tổng quát 26 2.2.Cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở 28 iv 2.3.Kết luận chương 28 Chương 3: CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 30 3.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ 30 3.1.1 Hệ Logic mờ .30 3.1.2 Bộ điều khiển mờ [9] 38 3.2 Thiết kế điều khiển mờ lai .42 3.2.1 Đặt vấn đề 42 3.2.2 Mờ hoá 42 3.3 Mô điều khiển thiết kế .44 3.4 Khảo sát chất lượng điều khiển mờ lai so sánh với điều khiển PID .44 3.4.1 Khảo sát chất lượng điều khiển PID 44 3.4.2 Khảo sát chất lượng điều khiển mờ lai 47 3.4.3 So sánh điều khiển mờ lai với điều khiển PID 48 3.4.4 Nhận xét .50 3.5 Kết luận chương 50 Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 51 4.1 Card DS1104 sử dụng hệ thống thí nghiệm [15] 51 4.2 Cấu trúc phần cứng DS1104 [15] 52 4.2.1 Cấu trúc tổng quan .52 4.2.2 Ghép nối với máy chủ (Host Interface) 54 4.2.3 Phần mềm dSPACE .56 Tạo ứng dụng với Control Desk 58 4.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm 60 4.4 Kết thí nghiệm với điều khiển PID 61 4.5 Kết thí nghiệm với điều khiển mờ lai 63 4.6 Nhận xét kết thí nghiệm 64 4.7 Kết luận chương 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .66 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Mơ hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Hình 1.2 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Hình 1.3 : Đặc tính logarit hệ thống Hình 1.4 : Mối quan hệ ma sát khơ vận tốc Hình 1.5 : Mơ hình vật lý khe hở 11 Hình 1.6 : Đặc tính Deadzone 12 Hình 1.7 : Mơ hình ăn khớp bánh 14 Hình 1.8: Mơ hình cặp bánh ăn khớp Hình 1.9 : Mơ hình cặp bánh ăn khớp trùng 16 Hình 1.10 : Mơ hình cặp bánh ăn khớp tâm ăn khớp P 17 Hình 2.1 : Hệ nhiều cặp bánh hệ truyền ngược nhiều hệ cặp bánh Hình 2.2 : Cấu trúc vật lý hệ truyền động qua cặp bánh 20 Hình 2.3 : Minh họa định luật cân cặp bánh 2 Hình 2.4 : Sơ đồ động lực học 23 Hình 2.5 : Thiết lập phương trình động lực học hai bánh ăn khớp Hình 2.6 : Mô tả trạng thái hai bánh vùng chết khe hở 25 Hình 2.7 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động bánh Hình 3.1 : Hàm thuộc biến ngơn ngữ 31 Hình 3.2 : Sơ đồ khối điều khiển mờ Hình 3.3 : Luật hợp thành 32 Hình 3.4 : Mờ hố 33 Hình 3.5 : Thực phép suy diễn mờ Hình 3.6 : Thực phép hợp mờ 35 Hình 3.7 : Nhửng nguyên lý giải mờ 37 Hình 3.8 : Cầu trúc hệ logic mờ Hình 3.9 : Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 39 Hình 3.10 : Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 39 vi Hình 3.11 : Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 39 Hình 3.12 : Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 40 Hình 3.13 : Hệ mờ với học mờ cho tín hiệu chủ đạo x 40 Hình 3.14 : Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 41 Hình 3.15 : Chọn điêu khiển thích nghi khóa mờ 42đ Hình 3.16 : Sự phân giá trị mờ biến vào 43 Hình 3.17 : Sự phân bố giá trị mờ biến 43 Hình 3.18 : Các luật điều khiển mờ 43 Hình 3.19 : Sơ đồ mơ hệ truyền động bánh điều khiển PID 44 Hình 3.20 : Khối động hệ bánh 45 Hình 3.21 : Khối động chiều 45 Hình 3.22 : Khối cặp bánh 45 Hình 3.23 : Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ khơng đổi 46 Hình 3.24 : Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ thay đổi 46 Hình 3.25 : Sơ đồ mô hệ truyền động bánh điều khiển mờ lai Hình 3.26 : Sơ đồ mô với cấu trúc điều khiển mờ lai 47 Hình 3.27 : Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ khơng đổi 47 Hình 3.28 : Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ thay đổi 48 Hình 3.29 : Sơ đồ mơ hệ truyền động bánh điều khiển PID mờ lai 48 Hình 3.30 : Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ khơng đổi 49 Hình 3.32 : Đáp ứng tốc độ hệ truyền động bánh với tốc độ thay đổi 49 Hình 4.1 : Hình 4.2 : Hình 4.3 : Những phận Card DS1104 51 Sơ đồ khối DS1104 Các Modul giao tiếp phần cứng DSP1104 55 55 vii Hình 4.4 : Cấu trúc điều khiển Matlab/Simulink 57 Hình 4.5 : Downloading and Building 58 Hình 4.6 : Giao diện Control Desk 59 Hình 4.7 : Hình 4.8 : Hình 4.9 : Hệ thống thí nghiệm hệ truyền động bánh 60 Hệ thống ghép nối máy tính với hệ truyền động (động cơ) 60 Đối tượng hệ truyền động bánh 61 Hình 4.10 : Cấu trúc điều khiển với điều khiển PID xây dựng Matlab/simulink Hình 4.11 : Hình 4.12 : Hình 4.13 : Hình 4.14 : Hình 4.15 : Kết thí nghiệm với điều khiển PID (1) Kết thí nghiệm với điều khiển PID (2) 61 62 62 Cấu trúc điều khiển với điều khiển mờ lai xây dựng Matlab/simulink Kết thí nghiệm với điều khiển mờ lai (1) Kết thí nghiệm với điều khiển mờ lai (2) 63 63 64 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt PID Bộ điều khiển PID DC Một chiều FLC Một cấu trúc thông dụng hệ mờ LỜI NÓI ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa gắn liền với tri thức nay, việc ứng dụng tiến khoa học kỹ thuật hệ thống điều khiển, từ việc điều khiển động công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ngã tư dây truyền, hệ thống nhà máy, xí nghiệp đặc biệt quan tâm Cùng với trợ giúp máy tính, trí tuệ nhân tạo, hệ thống điều khiển ngày trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức khả tự động hóa ngày cao Do đó, yêu cầu cán kỹ thuật phải có trình độ ngày cao, đồng thời phải có khả nắm bắt cơng nghệ tốt Tuy nhiên, hệ thống sử dụng lại yêu cầu người cán kỹ thuật phải có khả nắm bắt cải tiến cơng nghệ cho hệ thống Nằm chương trình đào tạo chương trình cao học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, luận văn tốt nghiệp tổng hợp, đánh giá kết học tập học viên, hệ thống thực tế Dưới hướng dẫn thầy TS Đặng Danh Hoằng, em nhận đề tài tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Với dẫn nhiệt tình thầy TS Đặng Danh Hoằng với kiến thức học em hoàn thành đề tài giao Luận văn bao gồm Chương 1: Tổng quan truyền động có khe hở Chương 2: Xây dụng cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở điều khiển lai Chương 4: Kết thí nghiệm Kết luận kiến nghị 2 Chương TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1 Những vấn đề hệ truyền động có khe hở Một hệ truyền động có khe hở cấu chấp hành nối với tồn khe hở, cơng nghiệp thường gặp hệ truyền động có khe hở điển hình hệ truyền động bánh Vì luận văn tập trung nghiên cứu hệ truyền động có khe hở mà cấu chấp hành nối với bánh gọi hệ truyền động bánh Theo chức sử dụng truyền động hệ bánh có yêu cầu khác nhau, cụ thể sau: 1.1.1 Hệ truyền động xác Trong xích động học máy cắt kim loại dụng cụ đo truyền động bánh cần có độ xác động học cao Ví dụ truyền động bánh xích phân độ máy gia công đầu phân độ vạn năng…Trong truyền động bánh thường có truyền động nhỏ Chiều dài không lớn, làm việc với tải trọng vận tốc nhỏ Yêu cầu chủ yếu truyền động “Mức xác động học cao ” có nghĩa địi hỏi phối hợp xác truyền động 1.1.2 Hệ truyền động tốc độ cao Trong hộp tốc độ động máy bay, ô tô, tuốc bin… Bánh truyền động thường có module trung bình, chiều dài lớn, vận tốc vịng bánh đạt tới 120- 150 m/s Công suất truyền động tới 40.000 KW Bánh làm việc điều kiện phát sinh rung động ồn Yêu cầu nhóm truyền động “Mức xác truyền động êm” có nghĩa bánh truyền động ổn định, khơng có thay đổi tức thời tốc độ, gây va đập ồn 1.1.3 Hệ truyền động công suất lớn Truyền động với vận tốc nhỏ truyền động mômen xoắn lớn Bánh truyền động thường có module chiều dài lớn Ví dụ: truyền động bánh máy cán thép, nghiền lanh ke (xi măng), cấu nâng hạ cầu trục, ba lăng…Yêu cầu chủ yếu truyền động “Mức tiếp xúc mặt răng” lớn, đặc biệt tiếp xúc theo nhiều dài Mức tiếp xúc mặt phải đảm bảo độ bền truyền mômen xoắn lớn 1.1.4 Độ hở mặt bên Đối với truyền động bánh cần phải có độ hở mặt bên mặt phía không làm việc cặp bánh ăn khớp Đọ hở cần thiết kế để tạo điều kiện bơi trơn mặt răng, để bù sai số co dãn nở nhiệt, gia công lắp ráp, tránh tượng kẹt Như truyền động bánh phải có yêu cầu: mức xác động học, mức xác làm việ êm, mức xác tiếp xúc độ hở mặt bên Nhưng tùy theo chức sử dụng mà đề yêu cầu chủ yếu truyền động bánh răng, tất nhiên yêu cầu chủ yếu phải mức độ xác cao so với yêu cầu khác 1.2 Một số ảnh hưởng đến hệ truyền động qua bánh Hệ truyền động qua bánh chịu ảnh hưởng tác động lực đàn hồi, ma sát, khe hở…Những tác động làm xấu đặc tính động, dẫn đến giảm chất lượng hệ Theo [1] phân tích ảnh hưởng tác động lên hệ thống Để làm sở phân tích, ta xét mơ hình hai khối lượng có sơ đồ sau: Hình 1.1: Mơ hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Ta có hệ phương trình: Từ hệ phương trình ta có sơ đồ cấu trúc hình 1.3a Biến đổi sơ đồ cấu trúc hình 1.3b với Wω1ω2 hàm truyền tốc độ 2 theo 1: a) b) Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Để nghiên cứu tính chất động học, ta xem xét phần đối tượng điều chỉnh với giả thiết: Mms1= 0; Mms2= 0; Ta xác định hàm truyền đạt phần khối lượng tác động điều khiển Momen Mđc động lượng 1: Wω1 (s) = ω1 W1H = Mdc 1+ W1H Wph Trong đó: ωω W1H = ;Wph = J s.W (s) J1s Wω1ω2 (s)= Vậy ω (s) = ω1 (s) J s + C (1.1) J2 s +1 C Wω1 (s)=  JJ  J å s  s + 1  C.J   (1.2) đây: J  = J1 + J Phương trình đặc tính hệ JJ  J  s  s + 1 =  C.J å  (1.3) Nghiệm phương trình đặc tính (1.3) là: s1= 0; C(J1 + J ) = j12 J1.J s2,3= j Kí hiệu: γ=  J1 + J  = J1 J tỉ số momen quán tính J1 12  C(J1 + J ) tần số cộng hưởng phần hệ đàn hồi khối lượng J1 J 01  C tần số cộng hưởng khối lượng thứ J2  J1 02  C 12  tần số cộng hưởng khối lượng thứ J1  J1 γ Ta có Wω1ω (s) =  γ   s +1   Ω12  (1.4)  γ   s +1  Ω12  Wω1 (s) = J  s  γ   s +1  Ω12  (1.5) Từ biểu thức (1.4) (1.5) cho phép biểu diễn phần đối tượng điều khiển, gồm khâu hình 2.4: Từ sơ đồ ta xác định hàm truyền đạt Wω theo tác động điều khiển Mdc Σ Wω (s)= ω (s) 1 =Wω1 (s).Wω1ω (s)= M dc (s) J s    s +1   Ω12  (1.6) Đặc tính tần số biên độ Logarit hình 1.5 Sử dụng phương pháp tần số để phân tích tính chất động học đặc tính hệ thống truyền động, cách thay s= j, đặc tính biên độ pha: γ Ω).e  Ω  1-   Ω12   Wω2 ( j )  = A ω1 ( jJ Σ   Ω  1-    Ω12  φ -j (Ω) (1.7) ω1 Trong A ω () đặc tính tần số biên độ; φ ω (Ω) đặc tính tần số pha 1 Đặc tính logarit hệ thống với lượng 1, 2 có dạng hình 1.5 Xây dựng đặc tính tần số tiệm cận: Có thể xây dựng trực hàm truyền Đối với W1 hệ thống gồm khâu nối tiếp: Hình 1.3: Đặc tính logarit hệ thống - Khâu tích phân : - Khâu nâng bậc 2: ; J s 12 γ   có tần số cộng hưởng : ; s  c Ω12 γ - Khâu qn tính bậc 2: γ có tần số cộng hưởng :  c1  12 s +1 Ω12 Khi = c1 hàm truyền tần số có điểm đặc tính tần số logarit (ĐTTSLG) có diểm gián đoạn tiến đến  Khi = c2 hàm truyền có tần số có điểm cực ĐTTSLG tiến đến  tạo điểm gián đoạn thứ Đoạn tiệm cận thấp tần ĐTTSLG xác định khâu tích phân với hệ số có độ dốc -20db/dec J Đoạn cao tần: ( >> 12): γ    1    12  A ω1  J    1    12  Khi ; A ω  (Khâu tích phân) J Như đoạn cao tần tương đương khâu tích phân với hệ số γ lần lớn đoạn đầu ĐTTSLGR tiệm cận hệ thống lượng 1 cho tiệm cận hình 1.5a Trên hình 1.5b đặc tính tần số Logarit hệ thống với lượng 2 (hàm truyền (1.7)) Hàm truyền có tử số một, ĐTTSLG đoạn tần số thấp giống với L1 có điểm gián đoạn tần số cộng hưởng 12 1.2.1 Ảnh hưởng đàn hồi đến phần hệ thống truyền động Trên sở đặc tính tần số trên, ta tiến hành xét ảnh hưởng khâu đàn hồi đến chuyển động động máy công tác cho thấy: ảnh hưởng khâu đàn hồi đến khối lượng khác Đối với khối lượng 1, với tần số không lớn tác động điều khiển Mdc, chuyển động định chủ yếu momen quán tính tổng J hệ truyền động Tính chất động học phần truyền động giống khâu tích phân Khi Mdc= const tốc độ 1 thay đổi tuyến tính, đồng thời cộng thêm dao động phần đàn hồi gây Khi tần số dao động momen gần đến giá trị cộng hưởng 12 biên độ dao động tốc độ 1 tăng = 12 tăng đến vô Sự xuất cộng hưởng phụ thuộc vào thông số phần Ta tìm điều kiện ảnh hưởng đàn hồi đến chuyển động khối lượng thứ không đáng kể Từ (1.5) : Nếu máy cơng tác có qn tính nhỏ J2 c (với c tần số cắt ĐTTSLG mong muốn hệ coi phần cứng tuyệt đối) bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi Từ (1.6) cho thấy khối lượng thứ có tính dao động cao khối lượng 1: Trong miền tần số thấp ĐTTSLG tiệm cận L1 L2 trùng Trong miền tần số trung, chuyển động khối lượng tương tự khâu tích phân Wω2  J s Khi > 12 độ nghiêng đoạn cao tần ĐTTSLG L2 -60db/dec Vì khơng tác dụng làm yếu gia tăng dao động cộng hưởng với giá trị  1.2.2 Ảnh hưởng ma sát hệ thống truyền động Hình 1.4: Mối quan hệ ma sát khô vận tốc ... TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1 Những vấn đề hệ truyền động có khe hở Một hệ truyền động có khe hở cấu chấp hành nối với tồn khe hở, công nghiệp thường gặp hệ truyền động có khe hở điển hình hệ truyền động. .. trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở điều khiển lai Chương 4: Kết thí nghiệm Kết luận kiến nghị 2 Chương TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN... TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1.Những vấn đề hệ truyền động có khe hở 1.1.1 .Hệ truyền động xác .2 1.1.2 .Hệ truyền động tốc độ cao 1.1.3 .Hệ truyền động công