thiết kế đồng bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Học viên : Đặng Nguyên Bình Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH :TS. Bùi Chính Minh CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Bùi Chính Minh HỌC VIÊN Đặng Nguyên Bình BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tổng hợp của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Chính Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Người cam đoan Đặng Nguyên Bình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU 7 MỞ ĐẦU 11 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 13 1.1. Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm 13 1.1.1. Khớp nối 13 1.1.2. Khớp nối mềm 13 1.2. Đặc điểm của một số loại khớp nối 14 1.2.1. Khớp nối kiểu đai truyền 14 1.2.2. Khớp nối kiểu xích 14 1.2.3. Khớp nối kiểu bánh răng ăn khớp 15 1.3. Độ cứng của các khớp nối 15 1.3.1. Độ cứng của của trục làm việc khi bị xoắn 15 1.3.2. Độ cứng của thanh làm việc khi kéo và nén 16 1.3.3. Độ cứng của mối nối ren 16 1.3.4. Độ cứng của truyền động bánh răng 17 1.3.5. Độ cứng của nối then và chêm 17 1.3.6. Độ cứng của truyền động đai da và truyền động xích 18 1.4. Hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống truyền động khớp nối mềm 18 1.5. Các giải pháp về mặt cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng 21 1.5.1. Tăng độ cứng các bộ phận nối từ động cơ đến tải 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 1.5.2. Thay đổi tỷ lệ quán tính giữa tải và động cơ 23 1.6. Kết luận chương 1 24 Chƣơng 2: GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 25 2.1. Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm 25 2.2. Bộ điều khiển PID 31 2.3. Sử dụng bộ lọc 32 2.3.1. Bộ lọc thông thấp 32 2.3.2. Bộ lọc dải hẹp 33 2.3.3. Bộ lọc bậc hai 34 2.4. Điều khiển PI kết hợp phản hồi mômen xoắn 34 2.5. Phương pháp dùng các biến thể của PID 38 2.5.1. Bộ điều khiển I-P 38 2.5.2. Bộ điều khiển I-PD 39 2.6. Hệ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát 40 2.7. Kết luận chương 2 41 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 42 3.1. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực 42 3.1.1. Điều khiển hồi tiếp trạng thái 42 3.1.2. Phương pháp áp đặt cực cho hệ điều khiển hồi tiếp trạng thái 45 3.1.3. Các chuẩn tối ưu hoá đáp ứng quá độ 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực cho hệ truyền động khớp nối mềm 53 3.2. Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực dùng bộ quan sát Luenberger 60 3.2.1. Bộ quan sát Luenberger 60 3.2.2. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger 62 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm bằng phương pháp áp đặt cực theo tiêu chuẩn tối ưu ITAE 64 3.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm và kết quả mô phỏng: 66 3.3.1. Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm 66 3.3.2. Kết quả mô phỏng 69 3.4. Kết luận chương 3 76 Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THÍ NGHIỆM THỰC TRÊN MÔ HÌNH TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM PP400 77 4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 77 4.2. Card NI6014 79 4.2.1. Đầu vào tương tự(AI) 81 4.2.2. Đầu ra tương tự (AO) 82 4.2.3. Cổng vào ra số (DIO) 82 4.2.4. Counter 83 4.2.5. Các đầu vào ra chức năng khả trình (Programmable Function Interface-PFI) 83 4.3. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển 84 4.3.1. Thiết kế mạch lực 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển 87 4.4. Sơ đồ tổng thể của thiết bị thí nghiệm 89 4.5. Các sơ đồ Simulink của hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp nối mềm PP400 90 4.6. Kết luận chương 4 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU NỘI DUNG TRANG Hình 1.1. Các sai lệch của khớp nối 13 Hình 1.2. Chi tiết trục 15 Hình 1.3. Mối nối ren 16 Hình 1.4. Truyền động bánh răng 17 Hình 1.5. Nối then 17 Hình 1.6. Truyền động đai 18 Hình 1.7. Mô tả tính kém cứng của khớp mềm 19 Hình 1.8. Khớp nối mềm giữa động cơ và tải 20 Hình 1.9. Sơ đồ khối của hệ truyền động khớp nối mềm 21 Hình 1.10. Đặc tính tần số_ biên pha của hệ đối tượng khớp nối mềm khi K=1,2 và K=1,97 22 Hình 1.11. Ảnh hưởng của tỷ số J L /J M đến hiện tượng cộng hưởng cơ học 23 Hình 2.1. Hệ truyền động khớp nối mềm 25 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm 28 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm khi bỏ qua b S 31 Hình 2.4. Bộ điều khiển PI áp dụng cho hệ truyền động khớp nối mềm 31 Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có sử dụng bộ lọc thông thấp kết hợp với khâu PI 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có sử dụng bộ lọc dải hẹp kết hợp với khâu PI 33 Hình 2.7. Bộ quan sát mô men xoắn. 35 Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống điều khiển PI kết hợp với phản hồi mô men xoắn. 36 Hình 2.9. Đặc tính tốc độ động cơ và tải khi sử dụng bộ điều khiển PI có kết hợp với phản hồi momen xoắn cho hệ truyền động khớp nối mềm 37 Hình 2.10. Bộ điều khiển I-P cho hệ truyền động khớp nối mềm 38 Hình 2.11. Bộ điều khiển I-PD cho hệ truyền động khớp nối mềm. 39 Hình 2.12. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm 40 Hình 2.13. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm 41 Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái. 42 Hình 3.2. Minh họa cho việc trình bày công thức Mason 48 Hình 3.3. Sự phân chia các vùng cực trong mặt phẳng phức. 50 Hình 3.4. Vùng điểm cực trội và điểm cực không quan trọng trong mặt phẳng s 51 Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp nối mềm khi bỏ qua b s 53 Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển phản hồi trạng thái áp đặt cực cho hệ truyền động khớp nối mềm. 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc của bộ quan sát Luenberger 61 Hình 3.8. Hệ thống phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger 62 Hình 3.9. Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm 65 Hình 3.10. Mô hình hóa động cơ-khớp nối mềm-tải 66 Hình 3.11. Mô hình hóa bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm 66 Hình 3.12. Mô hình hóa khâu phản hồi momen xoắn trục động cơ 67 Hình 3.13. Mô hình hóa bộ quan sát momen xoắn trục động cơ 67 Hình 3.14. Mô hình hóa bộ lọc thông thấp 67 Hình 3.15. Mô hình hóa bộ điều khiển PI 68 Hình 3.16. Mô hình hóa hệ thống điều khiển PI cho hệ truyền động khớp nối mềm 68 Hình 3.17. Mô hình hóa hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm 68 Hình 3.18. So sánh tốc độ tải và tốc độ động cơ của hệ khớp nối mềm khi sử dụng bộ điều khiển PI kết hợp với bộ phản hồi momen xoắn 70 Hình 3.19. So sánh tốc độ động cơ thực và tốc độ động cơ quan sát được 72 Hình 3.20. So sánh tốc độ tải thực và tốc độ tải quan sát được 72 Hình 3.21. So sánh momen xoắn trên trục động cơ thực và momen xoắn trên trục động cơ quan sát được 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Hình 3.22. So sánh tốc độ tải và tốc độ động cơ ứng với bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger 74 Hình 3.23. So sánh tốc độ tải khi dùng bộ điều khiển PI và bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger 75 Hình 4.1. Hệ truyền động PP400 77 Hình 4.2. Sơ đồ khối các phần tử trong Card NI6014 80 Hình 4.3. Dạng của một counter 83 Hình 4.4. Sơ đồ mạch cầu băm xung áp một chiều 84 Hình 4.5. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung đối xứng 85 Hình 4.6. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung không đối xứng (T4 luôn mở và T3 luôn khoá) 85 Hình 4.7. Sơ đồ một cầu van của vi mạch L298 86 Hình 4.8. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đóng mở các van bán dẫn 87 Hình 4.9. Mạch logic tạo xung đóng mở van 88 Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm 89 Hình 4.11. Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 bằng thuật toán điều khiển PI 90 Hình 4.12. Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 bằng thuật toán điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger 91 Bảng 3.1. Dạng tối ưu của hàm truyền mạch kín dựa trên tiêu chuẩn ITAE 52 [...]... ̣ ̀ 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: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm Chương 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp nối mềm PP400 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Tôi... các trạng thái của hệ, thậm chí có những trạng thái của hệ không thể đo lường được bằng cảm biến Để giải quyết vấn đề này cần phải sử dụng bộ quan sát để ước lượng các trạng thái của hệ Đó là lý do tôi chọn đề tài "Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm" Luân văn đươc chia thanh 4 chương như sau: ̣ ̣ ̀ Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động. .. trình bày tổng quan về hệ thống khớp nối mềm và các giải pháp cơ học để khắc phục hiện tượng cộng hưởng do hệ thống truyền động khớp nối mềm gây ra 1.1 Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm: 1.1.1 Khớp nối Khớp nối là thành phần liên kết giữa thiết bị động lực với cơ cấu chấp hành Nói cách khác khớp nối chính là thành phần nối giữa động cơ và tải Chức năng của khớp nối là truyền mô men từ động cơ đến tải... cơ học cho hệ truyền động khớp nối mềm 2.1 Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm Xét một mô hình đơn giản của hệ truyền động khớp nối mềm giữa động cơ và tải: bS , Hình 2.1 Hệ truyền động khớp nối mềm Trong đó:  TM là mô men động cơ truyền động cho khớp mềm  TL là mô men tải  JM là mô men quán tính của động cơ  JL là mô men quán tính của tải  ks là hằng số lò xo tương đương của hệ thống... – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 CHƢƠNG 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 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... và động cơ Khi đó sơ đồ cấu trúc của khớp nối mềm được mô tả như hình 2.3 TL M 1 J M S TM L 1 J L S KS S Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm khi bỏ qua bS 2.2 Bộ điều khiển PID TL r PI Kt TM 1 M J M S KS S 1 J L S L Hình 2.4 Bộ điều khiển PI áp dụng cho hệ truyền động khớp nối mềm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 32 Trong thực tế bộ. .. s  1 s Td s  1 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển PI kết hợp với khâu phản hồi mô men xoắn cho hệ truyền động khớp nối mềm Hằng số thời gian Td của bộ quan sát đòi hỏi phải nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ dao động cộng hưởng Hệ số khuyếch đại ta phải thoả mãn: ta  2 J M 1  J M      Ks  JL  -Thông số mô phỏng: Sử dụng động cơ servo một chiều và khớp nối truyền động, tải có các thông số như sau:... bị chệch hướng dưới tải - Nơi lắp đặt không chắc chắn Những sai lệch này không tồn tại một cách độc lập mà chúng đồng thời có mặt trong cùng một khớp nối Khi máy móc hoạt động trong điều kiện này, tại khớp nối phát ra các phản lực gây ra tiếng ồn, sự rung động, thậm chí có thể gẫy trục Khớp nối như vậy được gọi là khớp nối mềm 1.2 Đặc điểm của một số loại khớp nối 1.2.1 Khớp nối kiểu đai truyền Kết... L 1 S L Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ truyền động khớp nối mềm Trong đó:  TM là mô men động cơ truyền động cho khớp mềm  TL là mô men tải  JM là mô men quán tính của động cơ  JL là mô men quán tính của tải  ks là hằng số lò xo tương đương của hệ thống truyền động khớp mềm  bS là hệ số cản của khớp mềm   M là tốc độ động cơ   L là tốc độ tải   M là vị trí động cơ   M là vị trí tải Số hóa... truyền động Hình 1.7 Mô tả tính kém cứng của khớp mềm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 Xét mô hình đơn giản của khớp nối mềm giữa động cơ và tải được biểu diễn như hình 1.8: Hình 1.8 Khớp nối mềm giữa động cơ và tải Tải và động cơ là hai phần độc lập được nối với nhau bởi khớp nối mềm Ta có sơ đồ khối của khớp nối mềm như hình 1.9 TM    1 JM 1 S M 1 S . bộ quan sát 40 2.7. Kết luận chương 2 41 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 42 3.1. Thiết kế bộ điều khiển phản. truyền động khớp nối mềm Chương 2: Giải pháp về mặt điều khiển cho hệ truyền động khớp nối mềm Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động. độ động cơ ứng với bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger 74 Hình 3.23. So sánh tốc độ tải khi dùng bộ điều khiển PI và bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan