nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động khớp nối mềm

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 : LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Mục lục Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ và đồ thị Nội dung Trang Mở đầu 9 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 11 1.1 Giới thiệu 11 1.2 Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm trong truyền động 12 1.2.1. Khớp nối 12 1.2.2. Khớp nối mềm 13 1.3 Phân loại và đặc điểm một số loại khớp nối 15 1.3.1. Khớp nối kiểu đai truyền 15 1.3.2. Khớp nối kiểu xích 15 1.3.3. Khớp nối kiểu bánh răng ăn khớp 15 1.4 Độ cứng của các khớp nối 16 1.4.1 Độ cứng của trục làm việc khi bị xoắn 16 1.4.2 Độ cứng của thanh làm việc khi kéo và nén 17 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 1.4.3 Độ cứng của mối nối ren 17 1.4.4 Độ cứng của truyền động bánh răng 17 1.4.5 Độ cứng của nối then và chêm 18 1.4.6 Độ cứng của truyền động đai da và truyền động xích 19 1.5 Hiện tượng cộng hưởng cơ học trong truyền động khớp nối mềm 19 1.6 Các giải pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học 24 1.6.1 Các giải pháp cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học 24 1.6.2 Các giải pháp điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học 25 1.7 Kết luận chương 1 25 Chƣơng 2: GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 27 2.1. Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm 27 2.1.1. Mô tả toán học hệ truyền động khớp nối mềm 27 2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối mềm 32 2.1.3 Ảnh hưởng của K S đến cộng hưởng cơ học 34 2.1.4 Ảnh hưởng của b S đến cộng hưởng cơ học 36 2.1.5 Ảnh hưởng của tỷ số giữa mômen quán tính tải và mômen quán tính động cơ 37 2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động nối khớp mềm 38 2.3 Các giải pháp về mặt điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng 38 2.3.1 Bộ điều khiển PI 39 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 2.3.2 Lọc thông thấp 40 2.3.3 Lọc dải hẹp 41 2.3.4 Lọc trùng phương 41 2.3.5 Hệ phản hồi mômen xoắn 44 2.3.5.1 Phương pháp phản hồi mômen xoắn kết hợp với bộ lọc thông cao 45 2.3.5.2 Phương pháp phản hồi vi phân mômen xoắn 47 2.3.6 Phương pháp dùng các bộ điều khiển biến thể của PID 48 2.3.7 Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trạng thái 52 2.4 Kết luận chương 2 57 Chƣơng 3: PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 59 3.1 Điều khiển thích nghi phi tuyến bằng phản hồi trạng thái 59 3.1.1 Đặt bài toán 59 3.1.2 Điều khiển thích nghi hệ tam giác 60 3.2 Điều khiển thích nghi bền vững cho hệ tam giác dùng trạng thái tham khảo 64 3.2.1 Đặt bài toán và cơ sở toán học 64 3.2.2 Quá trình tổng hợp 65 3.3 Áp dụng vào điều khiển thích nghi hệ khớp nối mềm 70 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3.3.1 Mô hình toán học của khớp mêm 71 3.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ truyền động khớp mềm với đầu ra là tốc độ của trục tải 72 3.3.2.1 Đặt vấn đề 72 3.3.2.2 Quá trình tổng hợp 72 3.3.2.3 Mô phỏng 77 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 79 3.3.3.1 Đặt vấn đề 79 3.3.3.2 Mô tả toán học 79 3.3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững 80 3.3.3.4 Mô phỏng 84 3.4 Kết luận chương 3 85 KẾT LUẬN 86 Tài liệu tham khảo 87 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU Nội dung Trang Hình 1.1. Khớp nối 12 Hình 1.2. Mô tả khớp mềm 14 Hình 1.3. Các sai lệch của khớp nối 14 Hình 1.4. Chi tiết trục 16 Hình 1.5. Mối nối ren 17 Hình 1.6. Truyền động bánh răng 18 Hình 1.7. Nối then 18 Hình 1.8. Truyền động đai 19 Hình 1.9. Sơ đồ thay thế khớp nối 20 Hình 1.10. Mô hình thay thế hệ khớp nối mềm 21 Hình 1.11. Mô hình toán học của khớp mềm 21 Hình 1.12. Đặc tuyến biên- pha hệ đối tượng khớp mềm 23 Hình 2.1. Hệ truyền động khớp nối mềm 27 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm 30 Hình 2.3. Mô tả toán học đối tượng khớp mềm 33 Hình 2.4. Đặc tính biên- pha khi K S thay đổi 35 Hình 2.5. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi K S 35 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Hình 2.6. Ảnh hưởng của b S đến hiện tượng cộng hưởng cơ học 36 Hình 2.7. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi hệ số cản b S . 37 Hình 2.8. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi tỷ lệ k= J L /J M 37 Hình 2.9. Cấu trúc điều khiển thông thường cho khớp mềm 38 Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển khớp mềm dùng bộ điều khiển PI thông thường 39 Hình 2.11. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ PI thông thường 40 Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển khớp mềm dùng bộ lọc 41 Hình 2.13. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải dùng bộ lọc thông thấp 41 Hình 2.14. Đáp ứng quá độ khi dùng bộ lọc dải hẹp 42 Hình 2.15. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ loc bi-quad. 43 Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ quan sát mô men xoắn 44 Hình 2.17. Sơ đồ hệ điều khiển phản hồi mô men xoắn ước lượng 45 Hình 2.18. Điều khiển tốc độ khớp mềm sử dụng bộ quan sát mômem xoắn T S kết hợp với bộ lọc thông cao 46 Hình 2.19. Đáp ứng quá độ tốc độ tải và động cơ khi sử dụng bộ điều khiển P kết hợp với phản hồi mômen xoắn 46 Hình 2.20. Hệ điều khiển phản hồi vi phân mômen xoắn 47 Hình 2.21. Đáp ứng tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển phản hồi đạo 48 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 hàm mômen xoắn Hình 2.22. Bộ điều khiển I_P 48 Hình 2.23. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_P 49 Hình 2. 24. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải sử dụng bộ điều khiển I_P 50 Hình 2.25. Bộ điều khiển I_PD 51 Hình 2.26. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_PD 51 Hình 2.27. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ điều khiển I_PD 53 Hình 2.28. Nguyên lý bộ lọc Luenberger ước lượng trạng thái 54 Hình 2.29. Hệ thống điều khiển khớp mềm dùng bộ quan sát trạng thái Luenberger 55 Hình 2.30. Sơ đồ bộ quan sát Luenberger cho hệ thống khớp mềm 55 Hình 2.31. Đặc tính tốc độ động cơ và tải hệ thống khớp mềm dùng bộ điều chỉnh phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger 56 Hình 2.32. Sơ đồ hệ truyền động khớp nối mềm dùng bộ quan sát Kalman 57 Hình 3.1. Tốc độ tải 78 Hình 3.2. Góc xoắn 78 Hình 3.3. Tốc độ tải, động cơ, T M 84 Hình 3.4. Vị trí trục tải 84 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 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. Luậ n văn đượ c chia thà nh 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 [...]... men xoắn - Dùng các bộ điều khiển biến thể của PID - Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát 1.7 Kết luận chƣơng 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... 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. .. 1.2.1 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 Trong công nghiệp, việc truyền lực, mô men từ động cơ đến tải được thực hiện bằng các khớp nối được mô tả như hình 1.1 Hình 1.1 : Khớp nối Có hai loại khớp nối là khớp nối trực tiếp và khớp. .. tượng cộng hưởng ta phải sử dụng các giải pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 27 Chuyên ngành tự động hóa 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,... Chuyên ngành tự động hóa CHƢƠNG 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... khớp nối này là có thể truyền được mômen lớn, công suất truyền có thể nhỏ đến rất lớn 1.4 Độ cứng của các khớp nối Để khắc phục các hiện tượng gây ra bởi khớp nối mềm bằng các biện pháp về cơ khí và điều khiển thì cần phải biết thông số về khớp nối mềm như hệ số cứng hay độ cứng Bộ phận truyền động thường được nối với nhau bởi các chi tiết như bánh răng, trục, đai truyền Do vậy khi xem cơ cấu truyền động. .. 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. .. 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: ... trí giữa động cơ và tải Cũng vậy, để thay mặt cho đặc tính tổn hao, một hệ số để cung cấp mô men cho cân bằng tốc độ là hệ số nhớt (hay hệ số cản) khớp mềm bs Mô hình toán học của khớp nối mềm được biểu diễn như hình vẽ 1.8 + TM _ _ 1 JM bs 1 s M 1 s M M M + _ + K TL + _ + _ s 1 JM 1 s L 1 s L Hình 1.11 Mô hình toán học của khớp mềm Trong đó : TM là mô men động cơ truyền động cho khớp mềm TL là... mặt trong một 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 gãy trục 1.3 Phân loại và đặc điểm một số loại khớp nối 1.3.1 Khớp nối kiểu đai truyền Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, truyền động mềm dẻo, có khả năng giảm rung động khi tải va đập mạnh Do tính chất vật lý của đai truyền mà có hiện tượng . Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động khớp nối mềm để nghiên cứu. Luậ n văn đượ c chia thà nh 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối. 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. 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 Khớp nối là thành phần liên kết giữa thiết bị động lực với cơ