Một số giải pháp nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở trên cơ sở điều khiển thích nghi bền vững

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LÊ THỊ THU HÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI, BỀN VỮNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - NĂM 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN -*** - LÊ THỊ THU HÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI, BỀN VỮNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KH PGS.TS Lại Khắc Lãi PGS.TS Phạm Hữu Đức Dục Thái Nguyên - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Lê Thị Thu Hà Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii Lời cảm ơn Trong trình làm luận án, tơi nhận nhiều góp ý chuyên môn ủng hộ công tác tổ chức tập thể cán hướng dẫn, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đến tập thể cán hướng dẫn tâm huyết hướng dẫn suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, đồng nghiệp, tổ chức Khoa, Trung tâm thí nghiệm, Phịng ban Trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Nguyên có ý kiến đóng góp quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực đề tài luận án Nhân tơi xin cảm ơn gia đình bé nhỏ tơi, chồng trai, hết lịng ủng hộ tơi thời gian, tinh thần, tình cảm, giúp tơi vượt qua nhiều khó khăn để hồn thành luận án Tác giả luận án Lê Thị Thu Hà Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii Mục lục Các ký hiệu sử dụng vi Bảng ký hiệu viết tắt vii Bảng danh mục hình vẽ viii PHẦN MỞ ĐẦU Tổng quan phương pháp điều khiển hệ truyền động Đặc điểm toán điều khiển hệ truyền động Các phương pháp điều khiển có Về tính cấp thiết, mục đích nhiệm vụ đề tài 13 Tính cấp thiết đề tài 13 Mục tiêu nghiên cứu 15 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 16 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 17 Những đóng góp luận án 17 Cấu trúc luận án 18 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG PHI TUYẾN 20 1.1 Giới thiệu chung 20 1.2 Các khái niệm mô tả 21 1.2.1 Khái niệm ổn định Lyapunov 21 1.2.2 Khái niệm ổn định ISS 23 1.2.3 Tiêu chuẩn xét tính ổn định Lyapunov 24 1.3 Các phương pháp điều khiển phi tuyến 26 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.4 Điều khiển ổn định phương pháp backstepping 27 Điều khiển ổn định thích nghi nguyên tắc certainty equivalence 29 Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu 31 Điều khiển ổn định bền vững phương pháp ISS-CLF 32 Điều khiển trượt 34 Điều khiển thích nghi với hệ mờ mạng neural 35 1.4.1 Xấp xỉ hệ mờ 35 1.4.2 Xấp xỉ mạng neural 37 1.4.3 Điều khiển mờ thích nghi 39 1.5 Kết luận 41 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 2.1 43 Hệ truyền động qua bánh 43 2.1.1 Giới thiệu chung 43 2.1.2 Một số yêu cầu khí hệ truyền động bánh 44 2.1.3 Biện pháp học làm giảm sai số gia công bánh 45 2.2 Xây dựng mơ hình tốn tổng qt .47 2.2.1 Cấu trúc vật lý định luật cân 48 2.2.2 Mơ hình tốn chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi moment ma sát 51 2.2.3 Mơ hình tốn chế độ khe hở (dead zone) 53 2.2.4 Mơ hình tổng qt 54 2.3 Mô tả hệ chế độ xác lập .54 2.3.1 Mơ hình tốn chế độ xác lập 54 2.3.2 Mô MatLab 55 2.4 Kết luận 57 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ BỀN VỮNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 3.1 59 Điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu .59 3.1.1 Xây dựng cấu bù theo nguyên tắc cân với mơ hình mẫu 59 3.1.2 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho hệ bù bất định 61 3.1.3 Kết mô MatLab 64 3.2 Điều khiển thích nghi bền vững khơng gian trạng thái 65 3.2.1 Xây dựng điều khiển bám thích nghi bền vững điều khiển trượt giả định rõ cho hệ phi tuyến truyền ngược chặt 65 3.2.2 Ứng dụng cho hệ truyền động qua bánh 71 3.2.3 Kết mô MatLab 74 3.3 Điều khiển thích nghi bền vững với phản hồi tốc độ .79 3.3.1 Mơ hình phản hồi tốc độ 79 3.3.2 Thiết kế điều khiển thích nghi bền vững 79 3.3.3 Kết mô MatLab 80 3.4 Kết luận 87 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 89 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 89 4.1.1 Máy tính Pentum IV - phần mềm Matlab 7.0.4 phần mềm ControlDesk Version 5.0 90 4.1.2 Card điều khiển DS1104 90 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 4.1.3 Driver Servo motor Midi-Maestro 140x14/28 92 4.1.4 Động cơ, khớp nối hai bánh tải 92 4.2 Kết thí nghiệm với điều khiển PID .93 4.2.1 Hệ truyền động qua bánh chưa có điều khiển 93 4.2.2 Kết thí nghiệm với điều khiển PID kinh điển 95 4.2.3 Kết với điều khiển PI mờ 97 4.3 Kết thí nghiệm có thêm khâu chỉnh định thích nghi theo mơ hình mẫu 99 4.4 Kết luận .101 Kết luận hướng nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 http://www.lrc-tnu.edu.vn vi Các ký hiệu sử dụng G (s ), R (s ) Hàm truyền k p , TI , TD Tham số điều khiển PID x = ( x1 , … , x n ) T Vector tín hiệu trạng thái u = (u1 , … , um ) T Vector tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển) f (x ) = ( f1 (x ), … , fn (x )) T Các vector hàm mô tả hệ thống g (x ) = (g1 (x ), … , gm (x ) ) T d (x , t ) M ms , Mc , J d , J Hàm số bất định Hàm mô tả khe hở Moment ma sát, moment cản moment quán tính A ∈ Rn ×n , B ∈ Rn ×m Ký hiệu ma trận V (x , t ) Hàm Lyapunov τ = B (τ , u , u ) LfV (x ) = ( ∂V f (x ) ∂x θ = θ1 , … , θ p ) T Đạo hàm Lie ∈ Rq Vector tham số bất định μX1 (x ), … , μXn (x ) Ký hiệu hàm thuộc mô tả tập mờ ω1 = ϕ1 , ω = ϕ Vận tốc góc bánh r01 , rL1 Bán kính ngồi bánh z1 , z Số bánh c , αL Độ cứng vững vật liệu góc ăn khớp hai bánh x (t ) Module vector x (t ) Chuẩn vector x (t ) Chuẩn vô vector ∞ sup x (t ) Giá trị chặn nhỏ t inf x (t ) Giá trị chặn lớn t G (x ) = (g1 (x ), … , gm (x ) ) T H (x ) = (h1 (x ), … , hn (x ) ) T Ma trận hàm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii Bảng ký hiệu viết tắt BIBS LTI ISS K K∞ Hệ có tín hiệu vào bị chặn - trạng thái bị chặn (bounded inputs - bounded states) Hệ tuyến tính tham số (linear time-invariant systems) Hệ ổn định vào-trạng thái (input to states stable) Tập hàm thực γ (r ), r ≥ đơn điệu tăng có giá trị nhỏ 0, tức γ (0) = Tập hàm thực γ (r ), r ≥ đơn điệu tăng, không bị chặn có giá trị nhỏ 0, tức γ (0) = lim γ (r ) = ∞ r →∞ L KL KL∞ Tập hàm δ (t ), t ≥ đơn điệu giảm thỏa mãn lim δ (t ) = t →∞ Tập hàm thực hai biến β (r ,t ), r ≥ 0, t ≥ mà t cố định thuộc K r cố định thuộc L Tập hàm thực hai biến β (r ,t ), r ≥ 0, t ≥ mà t cố định thuộc K∞ r cố định thuộc L O Miền ổn định GAS LF CLF Hệ ổn định tiệm cận toàn cục (global asymptotic stable) Hàm Lyapunov (Lyapunov function) Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov function) Tập điểm trạng thái không điều khiển được, tức tập điểm trạng thái mà tín hiệu điều khiển khơng thay đổi hướng quỹ đạo trạng thái Z H Miền hấp dẫn (attractor) SISO MIMO Hệ đầu vào-một đầu (single input - single output system) Hệ nhiều đầu vào-nhiều đầu (multi inputs - multi outputs system) Mạng neural brain-states-in-a-box, mạng có khâu chuyển đổi tuyến tính dạng quán tính bậc khâu phi tuyến dạng tuyến tính bão hịa BSB Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii Bảng danh mục hình vẽ Hình 0.1: Hệ truyền động Hình 0.2: Điều khiển hệ truyền động lý tưởng điều khiển PI Hình 0.3: Bản chất khe hở mơ hình nghịch đảo khe hở Hình 0.4: Bù khe hở mơ hình ngược Hình 0.5: Điều khiển bù khe hở mơ hình ngược điều khiển PI Hình 0.6: Điều khiển bù khe hở mạng neural Hình 0.7: Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural chỉnh định thích nghi Hình 0.8: Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural phản hồi trạng thái Hình 0.9: Bù khe hở moment ma sát moment xoắn phản hồi trạng thái Hình 0.10: Điều khiển bù khe hở ma sát [41] Hình 0.11: Mơ hình tuyến tính xấp xỉ hệ khớp nối mềm có khe hở [38] Hình 0.12: Mơ tả ngun tắc làm việc điều khiển dự báo [8] Hình 0.13: Bài tốn điều khiển hệ truyền động qua bánh Hình 0.14: Nguyên lý điều khiển hệ truyền động luận án Hình 1.1: Minh họa Lyapunov gián tiếp Hình 1.2: Minh họa nguyên tắc certainty equivalence Hình 1.3: Minh họa ngun tắc thích nghi theo mơ hình mẫu Hình 1.4: Cấu trúc hệ mờ Hình 1.5: Mơ tả hàm thuộc xấp xỉ mờ Hình 1.6: Cấu trúc mạng neural [1] Hình 1.7: Điều khiển hệ truyền động điều khiển mờ thích nghi Hình 2.1: Một số dạng hệ truyền động qua bánh Hình 2.2: Hệ nhiều cặp bánh hệ truyền ngược nhiều hệ cặp bánh Hình 2.3: Cấu trúc vật lý hệ truyền động qua cặp bánh Hình 2.4: Minh họa định luật cân cặp bánh Hình 2.5: Sơ đồ động lực học Hình 2.6: Thiết lập phương trình động lực học hai bánh ăn khớp Hình 2.7: Mơ tả trạng thái hai bánh vùng chết khe hở Hình 2.8: Sơ đồ khối mơ tả hệ truyền động qua bánh với mơ hình (2.12) Hình 2.9: Ảnh hưởng thành phần độ xoắn, ma sát, hiệu ứng khe hở tới chất lượng truyền động 6 10 11 12 13 14 16 27 30 32 36 37 38 40 43 48 49 50 51 51 53 56 56 57 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển theo mơ hình mẫu 61 Hình 3.2: Cấu trúc hệ điều khiển hình 3.1 với điều khiển PI mờ thích nghi 62 Hình 3.3: Sơ đồ mơ tả khối động 62 Hình 3.4: Sơ đồ mơ tả hệ bánh 63 Hình 3.5: Mờ hóa tín hiệu vào luật hợp thành PI mờ 64 Hình 3.6: Đồ thị quan hệ vào PI mờ (surface) 64 Hình 3.7: Kết mơ phỏng, so sánh với trường hợp khơng sử dụng PI mờ thích nghi 65 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.10: Xấp xỉ khe hở hệ số truyền động tuyến tính nhỏ hàm đơn trị bất định 93 − Điện cảm phần ứng Lu = 20mH − Hệ số mômen Kt = 0.57 Nm A − Hệ số sức điện động Ke = 0.06 V rpm − Dòng điện phần ứng định mức I u = 13.8A − Mơ men qn tính J M = 2.8 ×10−3 ⎡⎣Kgm ⎤⎦ − Ks = 60 ⎡⎣ Nm rad ⎤⎦ b) Encoder gắn trục bị dẫn để đo tốc độ tải, có độ phân dải 500 xung/vịng Thời gian lấy mẫu tín hiệu: T = 10−3s c) Số bánh bên trục dẫn 28 số bánh bên trục bị dẫn 56 d) Tải động kiểu YTC 32-48, moment 9.75 Nm, 125-1250 vịng/phút Tồn phần thiết bị biến đổi lượng, tạo xung điều khiển, máy tính thiết bị tạo luật nhận dạng điều khiển hình 4.7 Hình 4.7: Bàn thí nghiệm phần nguồn, kết nối máy tính điều khiển 4.2 4.2.1 Kết thí nghiệm với điều khiển PID Hệ truyền động qua bánh chưa có điều khiển Hình 4.8 sơ đồ mơ tả hệ thống truyền động chưa có điều khiển Tín hiệu tương tự sau khối DAC (DS1104DAC_C6) dòng điều khiển đưa tới động dẫn động hệ truyền động qua bánh Tín hiệu tốc độ trục bị động đo DS1104ENC_POS_C2 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 94 Các hình từ 4.9 đến 4.11 biểu diễn tốc độ trục bị động hệ truyền động so với tốc độ đặt Ta thấy tốc độ đặt số, song chế độ xác lập tốc độ trục bị động dao động liên tục sinh hiệu ứng không ăn khớp cặp bánh độ cứng vững bánh không đồng Hình 4.8: Mơ hình thực nghiệm chưa có điều khiển Hình 4.9: Tốc độ ϕ chưa có điều khiển Hình 4.10: Tốc độ ϕ chưa có điều khiển thời gian 5s Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 95 Hình 4.11: Tốc độ ϕ chưa có điều khiển thời gian 0.2s 4.2.2 Kết thí nghiệm với điều khiển PID kinh điển Hình 4.12: Mơ hình thực nghiệm có điều khiển PID Hình 4.12 biểu diễn hệ thống điều khiển hệ truyền động bánh với điều khiển PID kinh điển Ở ta sử dụng hai PID Bộ PID thứ có tác dụng ổn định dòng cho cấu chấp hành động dẫn động Do ta cần sử dụng PI cho việc điều khiển dịng có tham số xác định phù hợp động cơ: k p = 100, kI = kp TI =7 Chất lượng điều khiển hệ truyền động nằm PID thứ hai để ổn định tốc độ Do hệ truyền động hệ thụ động bỏ qua ma sát phụ thuộc gia tốc moment cản, có mơ hình dạng qn tính bậc với công thức hàm truyền (3.5), nên ta cần sử dụng điều khiển PI Các tham số k p , kI chọn nhờ phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 96 Tuy nhiên mơ hình đối tượng khơng chắn, với nhiều yếu tố bất định, nên để nâng cao chất lượng, ta cần phải tinh chỉnh thêm hai tham số Bộ tham số tinh chỉnh cuối tìm chấp nhận cho điều khiển PI là: k p = 1200 kI = Không tải Thay đổi tải Tốc độ đặt Tốc độ đặt Hình 4.13: Tốc độ ϕ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 50 sin ( 2πt ) Không tải Tốc độ đặt Thay đổi tải Tốc độ đặt Hình 4.14: Tốc độ ϕ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 200 sin (πt ) Để nhìn rõ khả điều khiển PI này, ta đặt tốc độ đầu vào mong muốn thay đổi liên tục, chí đảo chiều quay trục bị động, cụ thể tín hiệu đặt có dạng hàm điều hòa: w (t ) = A sin ( 2π ft ) (4.1) với f [rad / s ] tần số thay đổi tốc độ đặt Hình 4.13 hình 4.14 biểu diễn kết thí nghiệm thu Nó cho thấy tốc độ thực trục chủ động bám theo tốc độ đặt Mặc dù chất lượng bám cịn có dao động, song chấp nhận hệ có nhiều yếu tố bất định góc khơng ăn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 97 khớp cặp bánh không đều, độ cứng vững vật liệu biến thiên theo bánh hệ truyền động tự gia cơng phịng thí nghiệm 4.2.3 Kết với điều khiển PI mờ Hình 4.15: Mơ hình thực nghiệm có điều khiển PI mờ Hình 4.15 mơ tả hệ thống điều khiển hệ truyền động bánh răng, vai trò điều khiển PI ổn định tốc độ thay điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ có hai tín hiệu vào tín hiệu Tất ba biến ngơn ngữ điều khiển mờ mờ hóa giá trị mờ (tập mờ) cho hình 4.16 Hình 4.16: Cấu trúc PI mờ (mờ hóa surface) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 98 Sử dụng giải mờ phương pháp điểm trọng tâm, động suy diễn max-min, điều khiển mờ có đồ thị quan hệ vào (surface) cho hình 4.16 Hình 4.17 hình 4.18 biểu diễn kết thí nghiệm thu với điều khiển mờ ứng với tín hiệu tốc độ đặt có dạng hình sin cho (4.1), độ đặt thay đổi giá trị liên tục, chí liên tục đảo chiều quay Kết thí nghiệm cho thấy, tốc độ đặt phức tạp với tần xuất đảo chiều liên tục vậy, song điều khiển mờ cho chất lượng bám tốt, tương tự sử dụng điều khiển PI, với sai lệch biên độ có phần nhỏ hơn, hệ chứa đựng tất yếu tố bất định gồm góc khơng ăn khớp cặp bánh độ cứng vững bánh biến thiên theo bánh răng, hệ truyền động gia công tự chế Không tải Tốc độ đặt Thay đổi tải Tốc độ đặt Hình 4.17: Tốc độ ϕ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 200 sin (πt ) Không tải Tốc độ đặt Thay đổi tải Tốc độ đặt Hình 4.18: Tốc độ ϕ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 50 sin ( 2πt ) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 99 4.3 Kết thí nghiệm có thêm khâu chỉnh định thích nghi theo mơ hình mẫu Hình 4.19: Mơ hình thực nghiệm với PI mờ khâu chỉnh định thích nghi Khơng tải Tốc độ đặt Thay đổi tải Tốc độ đặt Hình 4.20: Tốc độ ϕ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 200 sin (πt ) Không tải Tốc độ đặt Thay đổi tải Tốc độ đặt Hình 4.21: Tốc độ ϕ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 50 sin ( 2πt ) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 100 Nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống, ta đưa thêm vào hệ hình 4.15 khâu khuếch đại k p theo sơ đồ cấu trúc trình bày hình 1.7 với luật chỉnh định thích nghi (1.43) cho để đầu hệ bám theo tín hiệu mơ hình mẫu Sơ đồ khối mơ tả hệ thống thí nghiệm mờ thích nghi mơ hình vật lý biểu diễn hình 4.19 Hình 4.20 hình 4.21 kết thực nghiệm thu với tham số: − γ = 10−4 cho chỉnh định thích nghi (1.43) − Mơ hình mẫu có hàm truyền Gm (s ) = (1 + 20s )3 Cấu trúc dạng qn tính bậc mơ hình mẫu lấy từ mơ hình lý tưởng (3.5) hệ truyền động bánh bỏ qua moment ma sát phụ thuộc gia tốc Hằng số thời gian T = 20 chọn hoàn toàn từ suy luận logic hệ truyền động cụ thể phịng thí nghiệm có thời gian qn tính khơng nhanh Kết thí nghiệm cho thấy việc đưa thêm khâu chỉnh định thích nghi theo mơ hình mẫu phần cải thiện chất lượng điều khiển, song khơng nhiều Nói cách khác dao động hệ tồn loại bỏ cách triệt để, thử nghiệm với nhiều tham số khác Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PI mờ Bộ điều khiển PI mờ khâu chỉnh định thích nghi Hình 4.22: Tốc độ ϕ sai lệch tốc độ có tín hiệu tốc độ đặt w (t ) = 50 sin ( 2πt ) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 101 Hình 4.22 biểu diễn lại kết thí nghiệm có với thêm phần đồ thị mô tả sai lệch tốc độ đặt tốc độ thực hệ truyền động để việc so sánh chất lượng thuận lợi 4.4 Kết luận Từ thực nghiệm ta thấy chưa có điều khiển, hệ truyền động qua bánh dao động, độ ồn lớn Sử dụng điều khiển PI hay PI mờ cho hệ thống truyền động có tham gia bánh cho phép ta giảm đáng kể dao động gây nên khe hở, đàn hồi ma sát bánh Khi có tác động điều khiển hệ thống chạy êm, tiếng ồn khí giảm rõ rệt Kết khẳng định tính đắn thuật tốn cho phép áp dụng vào điều khiển hệ thống truyền động thực tế Tuy nhiên nhận xét cách trung thực, ta cần phải khẳng định chất lượng hệ thống đạt với điều khiển PI kinh điển hay PI mờ gần tương đương Hơn nữa, việc chỉnh định tham số PI kinh điển đơn giản việc tinh chỉnh tập mờ cho PI nhiều thời gian, khó suy luận q trình chỉnh định Do đó, trường hợp điều khiển hệ truyền động qua bánh này, cưỡng ép ta cho PI mờ tốt PI kinh điển Phương pháp hứa hẹn chất lượng điều khiển tốt giới thiệu xây dựng luận án điều khiển thích nghi bền vững chưa cài đặt thiết bị thí nghiệm Lý cần phải đo đầy đủ biến trạng thái hệ bao gồm tốc độ ϕ2 với hai đạo hàm bậc cao ϕ2 , ϕ2 Các đạo hàm bậc cao xác định trực tiếp phương pháp tính số nên cần phải có cảm biến đo chúng trực tiếp Tuy nhiên, chưa thực nghiệm để khẳng định thêm lần tính vượt trội phương pháp điều khiển thích nghi bền vững, song kết mô chương giúp ta tin tưởng vào khả nâng cao chất lượng điều khiển không gian trạng thái phương pháp điều khiển thích nghi bền vững áp dụng thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 102 Kết luận hướng nghiên cứu Luận án thực công việc sau: − Xây dựng mơ hình tốn cho hệ truyền động cặp bánh có lưu ý đến ảnh hưởng độ không cứng vững vật liệu c , moment ma sát trục M ms , độ mài mòn bánh răng, tạo thành khe hở bánh thể góc khớp bánh αL bị lớn so với tiêu chuẩn quy định − Xây dựng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu phản hồi đầu cho hệ làm việc chế độ chạy − Đề xuất nguyên tắc chung cho việc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững phản hồi trạng thái lớp hệ phi tuyến tham số bất định, bị tác động nhiễu, mô tả (3.12), phát biểu dạng định lý 3.1 − Trên định lý 3.1, xây dựng điều khiển thích nghi bền vững phản hồi trạng thái với mơ hình tổng quát bậc hệ truyền động − Cũng định lý 3.1, xây dựng điều khiển thích nghi bền vững với mơ hình bậc hệ truyền động, mơ hình thích hợp với phản hồi tốc độ − Kiểm chứng kết chất lượng điều khiển với ba điều khiển xây dựng luận án mô thực nghiệm Luận án cịn xác nhận mơ điều khiển thích nghi bền vững phản hồi trạng thái thiết kế theo nội dung định lý 3.1 áp dụng vector tham số θ f , θg thay đổi chậm theo thời gian, thiết kế ta cần phải có giả thiết chúng số Tuy nhiên, để hoàn thiện chất lượng điều khiển cho hệ truyền động, số hướng mở rộng sau nên nghiên cứu tiếp tục: Thứ nhất, điều khiển thích nghi bền vững định lý 3.1 xây dựng phương pháp điều khiển trượt nên tránh khỏi tượng rung hệ Hiện tượng rung nhìn thấy rõ tín hiệu đầu vào u đối tượng điều khiển chế độ trượt Mặc dù hệ bám tốt, tồn tượng rung, tạo tiếng ồn động dẫn động, ảnh hưởng tới tuổi thọ thiết bị Hình 5.1 tín hiệu điều khiển u tốn mơ thực mục 3.3.3 minh họa khả bám ổn định bền vững hệ với mơ hình bậc (3.42) Một lần ta lại thấy điều khiển (3.43) mang tới cho hệ chất lượng bám ổn định gần hoàn hảo, minh họa hình 3.23 hình 3.28, song tín Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 103 hiệu đầu u điều khiển (3.43) sau q trình q độ có dao động lớn 150 Tin hieu dau u 100 50 -50 -100 -150 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.1: Hiện tượng rung hệ bám thích nghi bền vững Để nâng cao chất lượng cho hệ thống, cần thiết phải làm giảm tượng rung Trước đây, đưa định lý 3.1 làm tảng cho việc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững, ta có đề cập tới khả làm giảm tượng rung nhờ bổ sung thêm khâu xấp xỉ hàm phi tuyến bất định d (x , t ) d (x , t ) cho có điều kiện (3.24) phần ghi thứ Tương ứng, điều khiển (3.14) thay điều khiển (3.25) Với điều khiển thay ta chọn số λ cho nhỏ chuẩn vô δ hàm bất định d (x , t ) ban đầu, mà cụ thể ta chọn λ thỏa mãn (3.26) Việc chọn λ nhỏ, tượng rung hệ giảm, chất lượng làm việc hệ cao Bộ mờ xác định xấp xỉ hàm phi tuyến d (x , t ) w Bộ điều u khiển (3.25), Đối tượng điều khiển (3.12) x θ f ,θ p Chỉnh định thích nghi (3.15) Hình 5.2: Đề xuất giảm tượng rung hệ việc bổ sung khâu mờ xác định xấp xỉ hàm phi tuyến bất định Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 104 Hình 5.2 biểu diễn nguyên tắc điều khiển với việc bổ sung thêm xác định xấp xỉ mờ hàm d (x , t ) cho sơ đồ điều khiển thích nghi bền vững có hình 3.8 Công cụ cho việc xác định xấp xỉ mờ hàm d (x , t ) nội dung định lý tính xấp xỉ vạn hàm liên tục miền compact hệ mờ (định lý 1.7) Tuy nhiên d (x , t ) bất định nên mờ xấp xỉ vạn cần phải mang tính thích nghi Nói cách khác, tham số xấp xỉ mờ vạn cần phải chỉnh định trực tuyến Từ toán nghiên cứu là: Xây dựng xấp xỉ mờ vạn mang tính thích nghi cho sơ đồ điều khiển hình 5.2 Thứ hai, trường hợp sử dụng mơ hình bậc (3.42) hệ truyền động giả sử ta xấp xỉ được: ⎧x = x ⎪⎪ ⎨x = x ⎪ T ⎪⎩x = θ f x + d (x , t ) + θg u = d (x , u , t ) + u (5.1) Khi đó, với khâu bù đơn giản: u = v − d (x , u , t ) ta có được: ⎧x k = x k +1 , k = 1, ⎨ ⎩x = v (5.2) toán điều khiển trở nên đơn giản điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực Bởi vấn đề nghiên cứu hay khơng biểu diễn mơ hình bất định (3.42) hệ truyền động dạng (5.1) Nếu cần phải bổ sung thêm giả thiết gì? Bộ mờ xác định xấp xỉ hàm phi tuyến d (x , u , t ) w Bộ điều khiển v gán điểm cực u Đối tượng điều x khiển (5.1) Hình 5.3: Đề xuất điều khiển tuyến tính gán điểm cực với xấp xỉ mờ vạn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 105 Hiển nhiên vấn đề thứ hai giải quyết, ta mang đến cho hệ truyền động chất lượng điều khiển mong muốn Thứ ba xây dựng mơ hình tốn mơ tả đối tượng điều khiển ta giả thiết cấu chấp hành gồm động biến tần khâu lý tưởng Md = Md/ (hình 5.4) có hàm truyền Gac (s ) = Mặc dù điều giả thiết hồn tồn khơng ảnh hưởng tới phương pháp điều khiển thích nghi bền vững phản hồi trạng thái sai lệch mơ hình xem thành phần bất định nằm tham số θ f , θg d (x , t ) , lại nguyên nhân đáng kể gây nên sai lệch cấu trúc hàm truyền (3.5) đối tượng điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Md Biến tần M 3∼ Md/ ϕ1 M ms1 ϕ2 Mc Tải M ms Hình 5.4: Cơ cấu chấp hành gồm biến tần động phần đối tượng điều khiển Bởi ta tăng thêm chất lượng cho điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu cách đưa thêm hàm truyền Gac (s ) ≠ cấu chấp hành vào hàm truyền mô tả đối tượng điều khiển Khi hàm truyền (3.5) đối tượng điều khiển khác có bậc cao hơn, kéo theo mơ hình mẫu tương ứng (3.6) phải có bậc cao Cuối khả sử dụng điều khiển thích nghi mờ Hiện luận án sử dụng điều khiển mờ Mamdani cố định, bổ sung thêm khâu chỉnh định thích nghi bên ngồi (gọi điều khiển mờ thích nghi) Về điều khiển mờ thích nghi đó, bên cạnh PI mờ Mamdani luận án áp dụng mục 3.1, kết hợp thêm khâu chỉnh định thích nghi cho hệ số khuếch đại k p theo công thức (3.9), tài liệu [14, 30, 31, 34, 52] giới thiệu số phiên khác với việc chỉnh định hai hệ số khuếch đại k p , kI , chưa thử nghiệm luận án (mà thực không cần thiết) Tuy nhiên tất phương pháp mờ thích nghi chủ yếu thay đổi khâu thích nghi bên điều khiển mờ, chưa cho thấy khả thích nghi thân điều khiển mờ, tức chưa áp dụng khả tự Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 106 chỉnh định thích nghi giá trị ngôn ngữ, luật hợp thành hay giải mờ điều khiển mờ Điều không cho thấy hết tính ưu việt hệ thích nghi mờ Bởi hướng mở nghiên cứu sử dụng thích nghi mờ, thay cho mờ thích nghi Cấu trúc thích nghi mờ phù hợp trường hợp điều khiển mờ Takagi-Sugeno, thay cho mờ Mamdani Với thích nghi mờ Takagi-Sugeno ta có hội khơng cần sử dụng thêm khâu chỉnh định thích nghi hệ số khuếch đại bên ngồi điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 107 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Bùi Cơng Cường Nguyễn Dỗn Phước (Chủ biên 2006): Hệ mờ, mạng neural ứng dụng NXB Khoa học Kỹ thuật Trần văn Địch; Nguyễn Trọng Bình; Nguyễn Thế Đạt; Nguyễn Viết Tiếp Nguyễn Xuân Việt (2009): Công nghệ chế tạo máy NXB Khoa học Kỹ thuật (xuất lần thứ 4) Lê Thị Thu Hà (2012): Lý thuyết điều khiển phi tuyến áp dụng cho hệ truyền động qua bánh Chuyên đề NCS Lê Thị Thu Hà Nguyễn Doãn Phước (2012): Điều khiển bám thích nghi hệ phi tuyến bất định có để ý tới tạp nhiễu ứng dụng vào điều khiển hệ truyền động qua bánh Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ Lê Thị Thu Hà Nguyễn Doãn Phước (2012): Thiết kế điều khiển bám thích nghi bền vững cho hệ phi tuyến bất định ứng dụng vào điều khiển hệ truyền động qua bánh Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đà nẵng, Số 10(59) -2012, trang 1-6, 2012 Lại Khắc Lãi (2002): Một số giải pháp tổng hợp điều khiển mờ ứng dụng điều khiển q trình cơng nghệ Luận án tiến sĩ kỹ thuật Nguyễn Dỗn Phước (2012): Phân tích điều khiển hệ phi tuyến NXB Bách khoa Nguyễn Doãn Phước (2007): Lý thuyết điều khiển tuyến tính NXB Khoa học Kỹ thuật (xuất lần thứ 4) Nguyễn Doãn Phước Phan Xuân Minh (2004): Lý thuyết điều khiển mờ NXB Khoa học Kỹ thuật (xuất lần thứ 5) 10 Đinh Gia Tường; Phan Văn Đồng Tạ Khánh Lâm (2007): Nguyên lý máy NXB Giáo dục (xuất lần thứ 4) 11 Huỳnh Văn Đơng (2009): Tổng hợp điều khiển thích nghi dựa phương pháp backstepping cho hệ truyền động có đàn hồi, khe hở ma sát khô phi tuyến Luận án tiến sĩ kỹ thuật Tiếng Anh 12 Aneke, N.P.I (2003): Control of Underactuated Mechanical Systems Dissertationschrift TU Einhoven 13 Astolfi, A and Marconi, L (Editors, 2008): Analysis and Design of Nonlinear Control Systems Springer Verlag 14 Blazic,A.; Skrjanc,I and Matko,D (2003): Globally stable direct fuzzy model reference adaptive control Fuzzy Sets and Systems 139, pp.3-33 15 Blondel, V.D and Mergreski, A (2004): Unsolved Problems in Mathematical Systems and Control Theory, Princeton University Press 16 Brocknett,R.W.; Milman,R.S and Sussmann,H.J (1983): Differential Geometric Control Theory Birkhauser, Boston 17 Couwder, R (2006): Electric Drivers and Electromechanical Systems Elservier GB 18 Deur,J and Peric,N (1999): Analysis of Speed Control for Electrical Drivers with Elastic Transmission IEEE Internaltional Symposium on Industrial Electronics Bled, Slovenia, pp 624-630 19 Eutebach,T and Pacas,J.M (1999): Damping of torsional vibration in high dynamic drivers European Conference on Power Electronics and Applications EPE 99 20 Fliess,M.; Levine,J.; Martin,P and Rouchon,P (1995): Flatness and defect of nonlinear systems: Introductory theory and applications Int.J of Control 61 (1995), 1327-1361 21 Gou, W and Liu, D (2001): Sliding Mode Dynamic Weighting Control for a Class of Nonlinear Underactuated Systems Journal of Information and Computation Science No.8, pp 2661-2668 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn