Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN CƢỜNG ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Văn Cƣờng Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983 Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Cƣờng iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Áp dụng điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” đã đƣợc hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014 Tác giả Nguyễn Văn Cƣờng iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 6 1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn 6 1.1.1 Hệ thống giảm chấn 6 1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 8 1.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ 11 1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 12 1.4 Các ứng dụng và xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 13 1.1.1 Các ứng dụng 13 1.1.2 Các xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 14 1.5 Kết luận chƣơng 1 14 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 15 2.1 Phƣơng trình động học hệ thống giảm chấn tích cực 15 2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ 17 2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống 22 2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống 25 2.5 Mô hình của cả hệ thống có kể động cơ tuyến tính 31 2.6 Kết luận chƣơng 2 33 CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 34 3.1 Đặt vấn đề 34 3.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực 34 3.2.1 Đặt vấn đề 34 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG 36 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.3 Mô phỏng hệ thống 38 3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho LBM 43 3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng cho LBM 43 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực 45 3.4 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47 3.4.1 Trƣờng hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông 47 3.4.2 Trƣờng hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên 51 3.4.3 So sánh khi có tác động điều khiển và không có tác động điều khiển 53 3.5 Kết luận chƣơng 3 54 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 55 4.1 Giới thiệu mô hình giảm chấn cực 55 4.2 Các thông số hệ thống 57 4.3 Kết quả thực nghiệm 58 4.4 Kết luận chƣơng 4 61 KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình 6 Hình 1-2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của d 8 Hình 1-3 Hệ thống giảm chấn thụ động 9 Hình 1-4 Hệ thống giảm chấn tích cực 9 Hình 1-5 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng thủy lực 10 Hình 1-6 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng cơ cấu điện từ 10 Hình 1-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động 11 Hình 1-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 13 Hình 1-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải 14 Hình 2-2 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực 15 Hình 2-3 Thư viện Simscape của Matlab/Simulink 17 Hình 2-4 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực hiện bằng Matlab/simulink simscape 18 Hình 2-5 Bên trong mô hình hệ thống giảm chấn sử dụng simscape 19 Hình 2-6 Các tham số của hệ thống giảm chấn tích cực 19 Hình 2-7 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động dạng xung vuông 20 Hình 2-8 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động có dạng bất kỳ 21 Hình 2-9 Các hàm truyền của hệ thống giảm chấn 23 Hình 2-10 Quan hệ giữa tần số và tỷ số ( ) / ( ) s X s D s 24 Hình 2-11 Quan hệ giữa tần số và tỷ số ( ) ( ) / ( ) us X s D s D s 24 Hình 2-12 Quan hệ giữa tần số và tỷ số ( ) ( ) / ( ) s X s D s D s 24 Hình 2-13 Minh họa mặt cắt của LBM, lực được tạo từ rotor dịch chuyển theo phương z 26 Hình 2-14 Mô hình LBM thực hiện bằng Matlab/Simulink 29 Hình 2-15 Các tham số vật lý của động cơ LBM 30 Hình 2-16 Các đáp ứng dòng và áp của động cơ LBM 30 Hình 2-17 Các đáp ứng về K/C dịch chuyển của rotor, lực và giá trị của LBM 31 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2-18 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM 32 Hình 2-19 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM thực hiện trên Matlab/Simulink 32 Hình 3-1 Cấu trúc điều khiển của hệ thống giảm chấn tích cực 34 Hình 3-3 Cấu trúc điều khiển của hệ thống 36 Hình 3-4 Sơ đồ mô phỏng BĐK dập tắt dao động dùng bộ điều khiển tối ưu LQG 39 Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu 40 Hình 3-6 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao 41 Hình 3-7 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu 41 Hình 3-8 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao động trong trường hợp nhiễu bất kỳ có kỳ vọng khác 0 43 Hình 3-10 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển dòng cho LBM 44 Hình 3-11 Xác định tham số của bộ điều khiển dòng cho LBM sử dụng công cụ Step Response Specification 44 Hình 3-12 Kết quả điều khiển dòng điện id và iq với dòng điện idref = 0.5A, dòng điện iqref=1.2A. 45 Hình 3-13 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển lực 46 Hình 3-14 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển lực, so sánh giữa lực đặt và lực tạo ra bởi LBM 46 Hình 3-15 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47 Hình 3-16 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động nhiễu có dạng xung vuông 48 Hình 3-17 Các trạng thái của LBM với nhiễu dạng xung vuông 49 Hình 3-18 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM 50 Hình 3-19 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM 50 Hình 3-20 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động nhiễu có dạng bất kỳ 51 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3-21 Các trạng thái của LBM với trường hợp nhiễu bất kỳ 52 Hình 3-22 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM trong trường hợp nhiễu bất kỳ 53 Hình 3-23 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM trong trường hợp nhiễu bất kỳ 53 Hình 3-24 So sánh giữa kết quả giảm chấn trong trường hợp không có giảm chấn tích cực, điều khiển trực tiếp (không qua LBM) và lực được tạo ra bởi LBM 53 Hình 4-1 Mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 55 Hình 4-2 Động cơ tạo dao động bằng cách quay một trục cam 55 Hình 4-3 Card ghép nối Arduino 56 Hình 4-4 Động cơ LBM tự tạo và mạch công suất 56 Hình 4-5 Toàn thể mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 57 Hình 4-6 Cấu trúc điều khiển của hệ thống trên Matlab/Simulink 57 Hình 4-7 Nhiễu d(t) tác động vào hệ thống giảm chấn được tạo ra từ trục cam 58 Hình 4-8 Lực giảm chấn được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG 58 Hình 4-9 Dao động của khối treo x us (t) 59 Hình 4-10 Dao động của khối thân trên x s (t) 59 Hình 4-11 Sai lệch x s (t) – x us (t) 60 Hình 4-12 So sánh giữa 2 trường hợp có giảm chấn tích cực và không giảm chấn 60 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT LQG Linear Quadratic Gaussian Tuyến tính Gaussian LQR Linear Quadratic Regulator Bộ đ PID Proportional- Intergral- Derivative – - LBM Động cơ tuyến tính 1 LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Để chống dao động cho các phƣơng tiện vận tải, chống rung động cho bệ đỡ các hệ thống máy móc (máy phát điện, các loại máy móc cần tránh rung động v.v), nhằm mục đích duy trì tình trạng cân bằng và ổn định cho hệ thống ngƣời ta sử dụng hệ thống giảm chấn (Suspension System). Hệ thống giảm chấn là hệ thống có nhiệm vụ dập tắt các dao động tác động không biết trƣớc từ bên ngoài vào để duy trì sự cân bằng. Trƣớc đây ngƣời ta thƣờng sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động (Passive suspension Systems), hệ thống này sử dụng lò xo giảm chấn và một cơ cấu cản dịu bằng thủy lực, lò xo có nhiệm vụ chống lại các tác động ở bên ngoài vào hệ thống, vì lò xo có quán tính cho nên nó lại gây ra dao động, chính vì vậy ngƣời ta sử dụng cơ cấu cản dịu để dập tắt các dao động này. Các hệ thống giảm chấn thụ động có nhƣợc điểm là sử dụng lực cản dịu do pit tông chuyển động trong xi lanh dầu để dập tắt dao động gây ra do lực bên ngoài tác động vào lo xo giảm chấn. Đối với hệ thống giảm chấn loại này, trong quá trình sử dụng cần phải bảo dƣỡng (lão hóa gioăng phớt, thay thế dầu), khả năng giảm chấn phụ thuộc vào nhiệt độ (dầu giãn nở), mặt khác khả năng áp dụng đối với các hệ thống nhỏ là không phù hợp, nhƣợc điểm nữa là lực cản dịu để dập tắt dao động không thể điều chỉnh đƣợc vì không thể đƣa thêm nguồn năng lƣợng bên ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu này đƣợc, chính vì vậy nó đƣợc gọi là giảm chấn thụ động. Để khắc phục nhƣợc điểm đó ngƣời ta phát triển hệ thống giảm chấn thủy lực tích cực (Hydraulic Active suspension systems), để thay đổi đƣợc lực cản dịu ngƣời ta sử dụng thêm máy bơm dầu để điều chỉnh áp lực dầu trong xi lanh khi đó ta có thể thay đổi đƣợc lực cản dịu. Tuy nhiên ngoài nhƣợc điểm là cồng kềnh là cần thêm máy bơm dầu, các van điều chỉnh áp lực dầu và bộ điều khiển áp lực dầu trong quá trình làm việc sẽ dẫn tới đáp ứng động học của hệ chậm và nhiều khi ảnh hƣởng đến tính ổn định của hệ. - Xu hƣớng sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực điện từ (electromagnetic active suspension systems) thay thế cho các hệ thống giảm chấn thủy lực đang đƣợc nghiên cứu và triển khai trong những năm gần đây. Sử dụng động cơ tuyến tính tạo lực giảm chấn thay vì sử dụng hệ thống xi lanh và pit tông dầu[2], [5]. Việc sử dụng [...]... đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ƣu điểm của hệ thống giảm chấn tích cực và hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực trong thực tế Từ các phân tích ƣu nhƣợc điểm trên chƣơng 1 trình bày về việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực, các xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực hiện nay Qua đó trình... hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực Thuật toán điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực là một thuật toán tƣơng đối phức tạp, trong thuật toán đó cần cân nhắc hài hòa giữa các yếu tố đó là thời gian áp ứng và gia tốc Hiện đang có những xu hƣớng thiết kế điều khiển đó là sử dụng bộ điều khiển PI và PID [5], sử dụng bộ điều khiển LQG [6], sử dụng bộ điều khiển H2 H∞ [7], sử dụng phƣơng pháp điều khiển. .. loại các hệ thống giảm chấn, các ƣu điểm của hệ thống giảm chấn tích cực Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn, phân tích ƣu điểm của động cơ tuyến tính và khả năng ứng dụng của động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực Nội dung này trình bày trong chƣơng 1 của luận văn b Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định các thông số ảnh hƣởng đến đặc tính của hệ thống giảm chấn Xây... khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực Chƣơng 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực Phần cuối là kết luận chung của đề tài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn 1.1.1 Hệ thống giảm chấn Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm... đƣợc mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối ƣu LQG cho mạch vòng điều khiển dập tắt dao động bên ngoài Thiết kế các bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho động cơ tuyến tính tạo lực giảm chấn ở mạch vòng bên trong Xây dựng đƣợc mô hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính tại... Đặc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ là có thể tạo ra lực cản dịu với tần số rất nhanh, tuy nhiên lực không lớn bằng hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực Điều này cho phép ứng dụng trong các hệ thống có khối lƣợng vừa và nhỏ một cách linh hoạt c Hệ thống giảm chấn bán chủ động Ngoài hai hệ thống giảm chấn tích cực chủ động và thụ động nhƣ trên, một giải pháp kết hợp hai... các giải pháp điều khiển với mục đích điều chỉnh linh hoạt về chiều, cƣờng độ và thời gian dập tắt dao động nhằm áp ứng yêu cầu đặt ra đối với các hệ thống giảm chấn tích cực áp dụng trong từng ứng dụng khác nhau[3][4][5] Một số phƣơng pháp điều khiển dập tắt dao động đã đƣợc áp dụng nhƣ phƣơng pháp điều khiển mờ, phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa v.v Tuy nhiên, với phƣơng pháp điều khiển mờ có... là hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động Hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động là hệ thống giảm chấn thụ động có sử dụng thêm một phần tử cản dịu chủ động nhƣ minh họa ở hình vẽ sau, phần tử cản dịu chủ động thƣờng là cơ cấu điện từ Hệ thống này thƣờng dùng cho các hệ thống lớn cần tăng tốc độ áp ứng của lực cản dịu ms xs bs ks Fs Khối cản dịu chủ động mus xus kt d Hình 0-7 Hệ thống giảm chấn. .. độ lớn và chiều nên nó đƣợc gọi là hệ thống giảm chấn tích cực Do vậy ta có thể điều chỉnh đƣợc lực cản dịu sao cho phù hợp với mục đích giảm chấn của hệ thống một cách linh hoạt ms xs ks Fs mus xus kt d Hình 0-4 Hệ thống giảm chấn tích cực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Đối với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng hệ thống thủy lực, xi lanh sẽ chuyển... Matlab/Simulink điều khiển thực, thuật toán điều khiển đƣợc viết và cài đặt trên nền simulink Các kết quả thí nghiệm phản ánh tính đúng đắn của thuật toán và mô hình hệ thống giảm chấn tích cực đã xây dựng Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chƣơng với bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu về hệ thống giảm chấn tích cực Chƣơng 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực Chƣơng 3: Áp dụng điều khiển tối . Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực Chƣơng 3: Áp dụng điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực Chƣơng 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực Phần cuối. hệ thống giảm chấn với tác dụng của d 1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn Hệ thống giảm chấn bao gồm hai loại chính đó là hệ thống giảm chấn thụ động và hệ thống giảm chấn tích cực. a. Hệ. chƣơng 2 33 CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 34 3.1 Đặt vấn đề 34 3.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực 34 3.2.1 Đặt vấn đề