thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc kalman cho hệ truyền khớp nối mềm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ®¹i häc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ LỌC KALMAN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM. Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 605260 Ngƣời thực hiện : NGÔ VIẾT SONG Cán bộ HD khoa học : TS. BÙI CHÍNH MINH THÁI NGUYÊN-NĂM 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 LỌC KALMAN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Học viên : Ngô Viết Song Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH : TS. Bùi Chính Minh CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Bùi Chính Minh HỌC VIÊN Ngô Viết Song BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC < 1 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Ngô Viết Song < 2 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan. Danh mục đồ thị, hình vẽ. Mở đầu. Chƣơng 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối mềm. 1.1. Giới thiệu 12 1.2. Khớp nối và khớp nối mềm trong truyền động 13 1.2.1. Khớp nối 13 1.2.2. Khớp nối mềm. 14 1.2.3. Phân loại khớp nối 16 1.2.4. Độ cứng của chi tiết trục 17 1.2.5. Độ cứng của khớp truyền động bánh răng 17 1.2.6. Độ cứng của truyền động đai da và bánh xích 18 1.2.7. Độ cứng thu gọn của cơ cấu truyền nhiều khớp nối 19 1.3. Hiện tượng cộng hưởng cơ học trong truyền động có khớp nối mềm 20 1.4 . Các giải pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học 24 1.4.1. Các giải pháp cơ học 24 1.4.2. Các giải pháp điều khiển 26 1.5 Kết luận chương 1 26 Chƣơng 2: Các giải pháp điều khiển khắc phục hiện tƣợng cộng hƣởng trong hệ truyền động khớp nối mềm 2.1. Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp mềm 27 2.1.1 Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp mềm 27 2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối mềm 29 2.1.3 Ảnh hưởng của Ks đến cộng hưởng cơ học. 31 2.1.4 Ảnh hưởng của b s đến cộng hưởng cơ học. 33 2.1.5 Ảnh hưởng của tỷ số giữa mô men quán tính tải và quán tính động cơ: JL/JM 34 < 3 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động nối khớp mềm 35 2.3. Các giải pháp về mặt điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng 36 2.3.1. Bộ điều khiển PI 36 2.3.2. Lọc thông thấp 37 2.3.3. Lọc dải hẹp (notch) 38 2.3.4. Lọc trùng phương (bi-quad). 40 2.3.5. Hệ phản hồi mô men xoắn 41 2.3.6. Phương pháp dùng các bộ điều khiển biến thể của PID 45 2.3.7. Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trạng thái 49 2.4 Kết luận chương 2 54 Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm. 3.1 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR (Linear Quadratic Regulator - Bộ điều khiển bình phương tuyến tính) 55 3.1.1. Hệ thống điều khiển tối ưu 56 3.1.2. Xây dựng phương trình Riccati. 57 3.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái Kalman 60 3.2.1. Bộ quan sát trạng thái 60 3.2.2. Bộ lọc kalman. 62 3.2.3 Thiết kế bộ quan sát trạng thái Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm 66 3.3 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp tối ưu hàm mục tiêu dùng bộ lọc Kalman (LQG- Linear Quadratic Gaussian) điều khiển khớp mềm 3.3.1 Giải thuật thiết kế LQG 69 3.3.2 Thiết kế bộ điều chỉnh phản hồi trạng thái LQR sử dụng bộ ước lượng trạng thái Kalman điều khiển khớp mềm 70 3.3.3Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đã thiết kế 75 < 4 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4. Kết luận chương 86 Chƣơng 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp nối mềm PP400. 4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 88 4.2 Card NI6014 91 4.3 Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển 95 4.3.1 Thiết kế mạch lực. 95 4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển. 98 4.4 Sơ đồ tổng thể của thiết bị thí nghiệm 100 4.5 Các sơ đồ Simulink của hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp nối mềm PP400. 101 4.5.1 Dùng PI để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm 101 4.5.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm. 102 4.6 Kết luận chương 4. 102 Kết luận và kiến nghị. 105 Phụ lục. Tài liệu tham khảo. < 5 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. Nội dung Trang Chƣơng 1 Hình 1.1. Khớp nối 13 Hình 1.2. Mô tả khớp mềm 14 Hình 1.3. Các sai lệch của khớp nối 14 Hình 1.4. Chi tiết trục. 17 Hình 1.5. Truyền động bánh răng 17 Hình1.6. Truyền động đai, xích 18 Hình 1.7. Cơ cấu truyền động thu về trục động cơ. 19 Hình 1.7a. Sơ đồ thay thế khớp nối mềm 21 Hình1.7b. Mô hình thay thế hệ khớp nối mềm 21 Hình 1.8. Mô hình toán học của khớp mềm 22 Hình 1.9. Đặc tính biên-pha hệ đối tượng khớp mềm 23 Chƣơng 2 Hình 2.1. Mô hình khớp mềm hệ thống 2 khối 27 Hình 2.2. Mô hình toán học của khớp mềm 28 Hình 2.3. Mô tả toán học đối tượng khớp mềm 30 Hình 2.4. Đặc tính biên- pha khi K s thay đổi 32 Hình 2.5. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi K s 32 Hình 2.6. Ảnh hưởng của b s đến hiện tượng cộng hưởng cơ học. 33 Hình 2.7. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi hệ số cản b s 34 Hình 2.8. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi tỷ lệ k=J L /J M. 34 Hình 2.9. Cấu trúc điều khiển thông thường cho khớp mềm. 35 Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển khớp mềm dùng bộ điều khiển PI thông thường 36 < 6 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung Trang Hình 2.11. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ PI thông thường 37 Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển khớp mềm dùng bộ lọc 38 Hình 2.13. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải dùng bộ lọc thông thấp(g=1000, K p =0,0786; K I =0,6) 38 Hình 2.14. Đáp ứng quá độ khi dùng bộ lọc dải hẹp (notch)( s/rad83 RN  , 3,0 ) 39 Hình 2.15. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ lọc bi-quard (K p =0,0393, i =0,6) 40 Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ quan sát mô men xoắn 41 Hình 2.17. Sơ đồ hệ điều khiển phản hồi mô men xoắn ước lượng 42 Hình 2.18. Điều khiển tốc độ khớp mềm sử dụng bộ quan sát mômen xoắn T s kết hợp với bộ lọc thông cao 43 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 mô men xoắn. 43 Hình 2.20. Hệ điều khiển phản hồi vi phân mô men xoắn. 44 Hình 2.21. Đáp ứng tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển phản hồi đạo hàm mô men xoắn. 45 Hình 2.22. Bộ điều khiển I_P. 45 Hình 2.23. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_P. 46 Hình 2.24. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải sử dụng bộ điều khiển I_P. 47 Hình 1.25. Bộ điều khiển I_PD. 47 Hình 2.26. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_PD. 48 Hình 2.27. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ điều khiển I_PD. 49 Hình 2.28. Nguyên lý bộ lọc Lueberger ước lượng trạng thái 50 < 7 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung Trang Hình 2.29. Hệ thống điều khiển khớp mềm dùng bộ quan sát trạng thái Luenberger. 51 Hình 2.30. Sơ đồ bộ quan sát Luenberger cho hệ thống khớp mềm. 51 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 Luengberger. 52 Hình 2.32. Sơ đồ hệ hệ truyền động khớp nối mềm dùng bộ quan sát Kalman. 53 Chƣơng 3 Hình 3.1. Nguyên lý thiết kế bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái. 57 Hình 3.2. Kết quả thiết kế bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái theo tiêu chuẩn tối ưu hàm mục tiêu tuyến tính bình phương(LQ). 59 Hình 3.3. Bộ quan sát trong hệ thống điều khiển hồi tiếp trạng thái 61 Hình 3.4. Bộ quan sát trạng thái. 61 Hình 3.5. Mô hình bộ quan sát Kalman. 63 Hình 3.6. Mô tả toán học đối tượng khớp mềm. 66 Hình 3.7. Sơ đồ bộ quan sát trạng thái Kalman. 67 Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng bộ lọc Kalman. 68 Hình 3.9. Thiết kế bộ điều khiển LQG. 69 Hình 3.10. Bộ điều khiển LQG 71 Hình 3.11. Hệ điều khiển LQG để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm. 72 Hình 3.12. Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ thống điều khiển LQG cho hệ truyền động khớp nối mềm. 76 Hình 3.13. Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm. 76 Hình 3.14. Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ lọc Kalman ước lượng trạng thái 77 Hình 3.15. Đặc tính tốc độ động cơ thực và tốc độ động cơ quan sát. 78 < 8 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung Trang Hình 3.16. Đặc tính tốc độ tải thực và tốc độ tải quan sát. 78 Hình 3.17. Đặc tính mô men xoắn thực và mô men xoắn quan sát. 79 Hình 3.18. Đặc tính mô men tải thực và mô men tải quan sát. 80 Hình 3.19. Đáp ứng tốc độ tải và tốc độ động cơ hệ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman theo tiêu chuẩn tối ưu hàm mục tiêu. 80 Hình 3.20. Sơ đồ hệ thống mô phỏng khớp mềm dùng bộ điều khiển PI 81 Hình 3.21. Đáp ứng tốc độ tải và tốc độ động cơ hệ điều chỉnh PI thông thường Kp=0.0786; Ki=0.6; 82 Hình 3.22a. Bộ điều khiển PI thường. 83 Hình 3.22b. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQG. 83 Hình 3.23a. Bộ điều khiển PI thường. 83 Hình 3.23b. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQG. 83 Hình 3.24a. (=0,1; =1.35; =750; =1) 84 Hình 3.24b. (=0,55; =1.35; =750 ; =1) 84 Hình 3.25a với (=0,55; =0.65; =750 ; =1) 85 Hình 3.25b với (=0,55; =1.35; =750 ; =1) 85 Hình 3.26a với (=0,55; =1.35; =300 ; =1) 86 Hình 3.26b với =0,55; =1.35; =750 ; =1) 86 Chƣơng 4. Hình 4.1. Hệ truyền động PP400 89 Hình 4.2. Sơ đồ khối các phần tử trong Card NI6014 92 Hình 4.3. Dạng của một counter 94 Hình 4.4. Sơ đồ mạch cầu băm xung áp một chiều 95 Hình 4.5. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung đối xứng 96 Hình 4.6. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung không đối xứng (T4 luôn mở và T3 luôn khoá) 96 [...]... dùng các bộ điều khiển mờ, các bộ điều khiển PID Đề tài này sẽ trình bày các phương pháp thông thường để điều khiển giảm cộng hưởng cơ học: PID, I_P, I_PD, các bộ lọc, phản hồi mô men xoăn ở chương 2, thiểt kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman ở chương 3, thiết kế bộ thí nghiệm thực dựa trên bộ thí nghiệm PP400 cho hệ khớp nối mềm ở chương 4 1.2 Khớp nối và khớp nối mềm trong truyền. .. xung điều khiển đóng mở các van bán dẫn 98 Hình 4.9 Mạch logic tạo xung đóng mở van 99 Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động 100 truyền động khớp nối mềm PP400 Hình 4.11 Sơ đồ Simulink bộ điều chỉnh PI điều khiển hệ truyền động 101 khớp nối mềm Hình 4.12 Sơ đồ Simulink hệ thí nghiệm thực bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm Số... điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng trong hệ truyền động khớp nối mềm Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm Chƣơng 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 < 11 > Cuối cùng, cho phép tôi xin bay to long b iêt ơn sâu sắc... hợp với bộ quan sát, bộ lọc Tuy nhiên với đáp ứng tốt, tức thời với nhiễu quá trình và nhiễu đo lường thì bộ lọc Kalman là một giải pháp tối ưu Đó là lý do tôi chọn đề tài Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm để nghiên cứu Nội dung luận văn gồm có 4 chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối mềm Chƣơng 2: Các giải pháp điều khiển khắc... TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 2.1 Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp 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 nối khớp 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... pháp điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học Các phương pháp này sẽ được trình bày rõ ở chương 2 tiếp theo - Dùng bộ lọc thông thấp - Dùng bộ lọc dải hẹp (notch) - Dùng bộ lọc trùng phương (bi-quad) - Phản hồi mô men xoắn - Dùng các bộ điều khiển biến thể của PID - Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sat 2.1 Kết luận chƣơng 1 Như vậy chương 1 đã trình bày tổng quan về truyền. .. bày tổng quan về truyền động khớp nối mềm Về 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 bởi mô hình lò xo liên kết hai vật nặng Sự mềm dẻo của trục là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng cơ học Hiện tượng cộng hưởng cơ học có ảnh hưởng xấu hệ truyền động, gây khó khăn trong việc điều khiển và nâng cao chất lượng... hiện tượng cộng hưởng cơ học này Dùng các bộ điều khiển biến thể của PID (I_P, I_PD) Hai bộ điều khiển này có tác dụng tốt hơn PID thông thường do giảm sự tăng nhanh của tín hiệu điều khiển Dùng bộ lọc thông thấp hoặc bộ lọc dải chắn hoặc bộ lọc bi-quad đặt ngay sau bộ PI thông thường[13] Phương pháp này làm thực hiện khá đơn giản và cũng cho kết quả tốt Mô men xoắn truyền từ tải đến động cơ là nguyên... hiện kết nối mềm giữa động cơ và tải 2.1.2 Xây dựng phƣơng trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối mềm Nếu bỏ qua hệ số tắt bs ta xây dựng được mô hình cấu trúc khớp mềm như sau Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn < 30 > TL - TM 1 + - M + JM s - Ks s + 1 TS L J Ls Hình 2.3 Mô tả toán học đối tượng khớp mềm Từ mô tả toán học của đối tượng khớp mềm ta có 1... 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 Vì thế giải pháp dùng bộ điều khiển phản hồi trạng thái kết hợp . pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trạng thái 49 2.4 Kết luận chương 2 54 Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối. hình truyền động khớp nối mềm PP400. 101 4.5.1 Dùng PI để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm 101 4.5.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman điều khiển hệ truyền động khớp. bộ lọc, phản hồi mô men xoăn ở chương 2, thiểt kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman ở chương 3, thiết kế bộ thí nghiệm thực dựa trên bộ thí nghiệm PP400 cho hệ khớp nối mềm