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

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 Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN CƯỜNG

ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU 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

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Cường

Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng 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 như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng 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 Cường

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận

tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Áp dụng điều

khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường 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 được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Văn Cường

MỤC LỤC

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

CHƯƠNG 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 Ưu điểm và nhược 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 hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 13

1.1.1 Các ứng dụng 13

1.1.2 Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 14

1.5 Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 15

2.1 Phương 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 chương 2 33

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 34

3.1 Đặt vấn đề 34

3.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu 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 ưu LQG 36

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 Trường hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông 47

3.4.2 Trường 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 chương 3 54

CHƯƠNG 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 chương 4 61

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2-4 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực hiện bằng Matlab/simulink

Hình 2-7 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động dạng xung vuông 20

Hình 2-17 Các đáp ứng về K/C dịch chuyển của rotor, lực và giá trị của LBM 31

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

Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu

Hình 3-8 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao

Hình 3-11 Xác định tham số của bộ điều khiển dòng cho LBM sử dụng công cụ

Hình 3-12 Kết quả điều khiển dòng điện id và iq với dòng điện idref = 0.5A, dòng

Hình 3-14 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển lực, so sánh giữa lực đặt và lực tạo

Hình 3-16 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động

Hình 3-19 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi

Hình 3-20 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động

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

Hình 3-23 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi

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 4-7 Nhiễu d(t) tác động vào hệ thống giảm chấn được tạo ra từ trục cam 58

Hình 4-12 So sánh giữa 2 trường hợp có giảm chấn tích cực và không giảm chấn

60

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LQG Linear Quadratic Gaussian Tuyến tính

Gaussian LQR Linear Quadratic Regulator Bộ đ

PID Proportional- Intergral- Derivative –

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Để chống dao động cho các phương 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 người 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 trước từ bên ngoài vào để duy trì

sự cân bằng Trước đây người ta thường 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 người ta sử dụng cơ cấu cản dịu để dập tắt các dao động này Các hệ thống giảm chấn thụ động

có nhược 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 dưỡng (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, nhược điểm nữa là lực cản dịu để dập tắt dao động không thể điều chỉnh được vì không thể đưa thêm nguồn năng lượng bên ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu này được, chính vì vậy nó được gọi là giảm chấn thụ động Để khắc phục nhược điểm

đó người ta phát triển hệ thống giảm chấn thủy lực tích cực (Hydraulic Active

suspension systems), để thay đổi được lực cản dịu người ta sử dụng thêm máy bơm

dầu để điều chỉnh áp lực dầu trong xi lanh khi đó ta có thể thay đổi được lực cản dịu Tuy nhiên ngoài nhược 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 hưởng đến tính ổn định của hệ

- Xu hướng 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 được

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

hệ thống giảm chấn tích cực điện từ đã khắc phục được các ưu nhược điểm của hệ thống giảm chấn thủy lực và mang lại những ưu điểm như sau:

Hệ thống giảm chấn có kích thuớc nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt trong các

hệ thống cần ứng dụng giảm chấn Khả năng tạo ra đáp ứng nhanh về chiều và cường độ của lực cản dịu

Độ bền cao hơn so với các hệ thống giảm chấn thủy lực vì không có các hệ thống gioăng, phớt, hạn chế thấp nhất yêu cầu bảo dưỡng

Có thể chế tạo cho các hệ thống có kích thước nhỏ

Nhược điểm: Việc tạo ra hệ thống điều khiển linh hoạt về chiều và cường độ của lực giảm chấn thì đòi hỏi thuật toán điều khiển phức tạp, cần sử dụng thêm cảm biến vị trí và cảm biến gia tốc để xác định lực cản dịu trong quá trình dập tắt dao động, tốc độ xử lý của hệ thống điều khiển cần được tăng lên

Chính vì vậy trong các nghiên cứu gần đây các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các giải pháp điều khiển với mục đích điều chỉnh linh hoạt về chiều, cường độ và thời gian dập tắt dao động nhằm đáp 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 phương pháp điều khiển dập tắt dao động đã được áp dụng như phương pháp điều khiển mờ, phương pháp điều khiển tuyến tính hóa v.v Tuy nhiên, với phương pháp điều khiển mờ có một khó khăn là việc lựa chọn tập mờ và luật hợp thành cần phải thử nghiệm khá nhiều, phương pháp tuyến tính hóa chính xác đòi hòi thực hiện phép biến đổi hệ trục tọa độ phi tuyến cho nên việc lập trình tương đối khó khăn, hạn chế tốc độ đáp ứng của hệ thống điều khiển, mặt khác khi tốc độ dao động của lực với tần số khác nhau, mô hình tuyến tính sẽ khác nhau, đây là một thách thức lớn trong việc thực thi luật điều khiển Trong luận văn này tác giả dự định sẽ nghiên cứu phương pháp điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính theo năng lượng yêu cầu sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu LQG, tác động điều khiển được thực hiện tính toán để đưa ra lực cản dịu làm sao cho các dao động nhanh chóng đưa về giá trị 0, phương pháp điều khiển tối ưu LQG có hàm mục tiêu là giảm thiểu sự thay đổi các biến trạng thái trong hệ cũng như tác động đầu vào của hệ, nhằm nhanh chóng đưa hệ về trạng thái cân bằng Hệ thống giảm chấn tích cực được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc

biệt là trên các phương tiện vận tải, cho các hệ thống bệ đỡ cho các thiết bị tránh rung động như trên tàu thủy v.v Sự thành công của phương pháp đã mở ra khả năng áp dụng hệ thống giảm chấn tích cực cho các hệ thống trên trong thực tế Từ các ứng dụng trên đây cho thấy rằng việc nghiên cứu điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực mang tính cấp thiết, việc nghiên cứu này mở ra hướng ứng dụng vào thực

tế công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực nội địa hóa việc chế tạo sản xuất phương tiện vận tải, với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính ta có thể cài đặt vào các phương tiện vận tải hoàn toàn sử dụng năng lượng điện, dẫn đến khả năng chúng ta có tận dụng khả năng tái tạo năng lượng điện, chế tạo được các phương tiện tiết kiệm năng lượng, không ô nhiễm môi trường phù hợp với chủ trương của chính phủ trong việc khuyến khích sử dụng năng lượng xanh, tiết kiệm và không ô nhiễm Việc sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính ta có thể cải thiện được rất nhiều đặc tính ổn định của hệ thống, mang lại chất lượng giảm chấn cao hơn nhiều so với các hệ thống giảm chấn thụ động, trong khi đó có đáp ứng nhanh hơn, đặc tính động học tốt hơn, kích thước nhỏ hơn so với các hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng thủy lực

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu chung

Mục tiêu chung của luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối ưu LQG với mục đích điều khiển lực cản dịu sao cho hệ thống ít dao động nhất và năng lượng sử dụng cho dập tắt dao động là ít nhất Để làm được điều này luận văn cũng thiết kế các mạch vòng điều khiển bên trong như điều khiển lực và điều khiển dòng cho động cơ tuyến tính sao cho tạo ra lực cản dịu giống như yêu cầu từ bộ điều khiển dập tắt dao động ở mạch vòng ngoài thiết lập

- Mục tiêu cụ thể

Xác định mô hình hệ thống giảm chấn tích cực

Nghiên cứu và xác định mô hình động cơ tuyến tính

Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối ưu LQG để điều khiển lực cản dịu saocho hệ thống ít dao động nhất và năng lượng sử dụng cho dập tắt dao động là ít nhất

Mô phỏng và đánh giá hệ thống

Cài đặt trên thiết bị thực, hiệu chỉnh, nhận xét và đánh giá

- Các kết quả đạt được trong luận văn

Xây dựng được mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính

Thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối

ưu 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 được mô hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính tại phòng thí nghiệm

Cài đặt được chương trình và tiến hành thí nghiệm

3 Nội dung của luận văn

Luận văn thực hiện các nội dung sau:

a Tìm hiểu, phân loại các hệ thống giảm chấn, các ưu điểm của hệ thống giảm chấn tích cực Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn, phân tích ưu 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 chương 1 của luận văn

b Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định các thông

số ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống giảm chấn Xây dựng mô hình liên quan giữa lực đẩy của động cơ và dòng điện của động cơ tuyến tính Xây dựng mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính Nội dung này được thực hiện trong chương 2 của luận văn

c Từ mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực, sử dụng mô hình này để thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối

ưu LQG Tác động điều khiển được thực hiện tính toán thông qua các sai lệch đo được để cho ra tín hiệu đưa tới động cơ nhằm thực hiện lực giảm chấn sao cho thời gian dập tắt dao động là nhanh nhất, tác động điều

khiển là ít nhất Bộ điều khiển được mô phỏng trên Matlab/Simulink Nội dung này được thực hiện ở chương 3 của luận văn

d Xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực tế tại phòng thí nghiệm bộ môn Đo lường – Điều khiển, khoa điện tử Hệ thống được điều khiển bằng Matlab/Simulink điều khiển thực, thuật toán điều khiển được 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 chương với bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống giảm chấn tích cực Chương 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực Chương 3: Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực

Phần cuối là kết luận chung của đề tài

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC

1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn

Hình 0-1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình

Trong hình vẽ trên, d biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài

vào hệ thống, không biết trước với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến

cho khối treo (suspension mass) có khối lượng là m us thông qua một phần tử có đặc

tính lò xo k t , khối treo khi chịu tác động của d phần tử có đặc tính lò xo k t sẽ bị dao

động theo, mức độ dao động này được đánh giá thông qua x us , dao động x us tiếp tục

tác động lên khối thân trên (body mass) có khối lượng là ms thông qua cặp phần tử

có đặc tính lò xo k s và khối cản dịu có hệ số cản dịu b s, mức độ dao động của khối

thân trên được biểu thị bằng x us Đối với một hệ thống giảm chấn lý tưởng, người ta

mong muốn với bất kỳ tác động nào của d, tác động này sẽ được dập tắt qua cặp k s,

b s , khi đó x s luôn luôn bằng không (kể cả vận tốc và gia tốc), tức là không chịu tác động của d Trong thực tế điều này không thể thực hiện được, tuy nhiên người ta có thể lựa chọn các cặp k s , b s để sao cho sự ảnh hưởng của d (biến thiên trong một dải nào đó xác định) đến khối thân trên là nhỏ nhất về biên độ cũng như khoảng thời

gian tác động Phần tử có đặc tính lò xo trong thực tế đó có thể là lốp xe, hoặc lò xo v.v Khối cản dịu trong thực tế có thể là xi lanh chuyển động trong pit tông dầu, lá thép chuyển động trong từ trường hoặc các cơ cấu cơ điện tử Hình vẽ 1-2 sau đây

minh họa sự tác động của d lên x s và x us , ban đầu tất cả d, x s , x us đều bằng không, ở

trạng thái cân bằng, tại thời điểm từ 1 -2s, d thay đổi dưới dạng lực dạng xung vuông, qua k t sẽ làm cho khối treo dao động, x us thay đổi như hình b, và tiếp tục x us tác động lên khối thân trên qua cặp k s , b s làm cho x s thay đổi như hình c Sau khi d hết tác động, khoảng thời gian từ 2s trở đi, x s và x us sẽ dao động thêm một khoảng

thời gian nữa, 4 giây sau thì x s và x us về 0 Khoảng thời gian này phụ thuộc vào các

hệ số k t , k s , b s, khối lượng khối treo cũng như khối lượng thân trên, biên độ và tần

số của d Để giảm nhỏ khoảng thời gian này cũng như biên độ dao động xs, xus ta cần phải tính toán, lựa chọn các hệ số ks, bs sao cho phù hợp Khi độ cứng của các phần tử lò xo tăng lên thì dạng dao động của xs và xus sẽ càng gần với dạng dao động của d, chất lượng của hệ thống giảm chấn càng giảm Nếu độ cứng của các phần tử lò xo càng giảm thì thời gian dao động sẽ tăng lên, chất lượng giảm chấn cũng sẽ giảm Khối lượng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hưởng rất nhiều đến dạng dao động của xs và xus, khi khối lượng tăng lên cả hệ thống sẽ dần trở thành một khâu cứng, khi khối lượng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành một khâu dao động v.v

Hình 0-2 Minh họa sự dao động của 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 thống giảm chấn thụ động

Hệ thống giảm chấn thụ động là hệ thống giảm chấn mà phần tử cản dịu có hệ

số cản dịu b s bằng hằng số, không thay đổi được Lực cản dịu sinh ra bởi phần tử

này chỉ phụ thuộc vào vận tốc x us thông qua hệ số cản dịu b s được miêu tả như sau: us

dx

Khi vận tốc của x us càng lớn hay mức độ dao động của x us càng lớn thì lực cản

dịu sinh ra bởi khối cản dịu càng lớn để dập tắt dao động của x us Khi x us =0 ta có

F s = 0 do đó lực cản dịu không ảnh hưởng đến hệ thống khi hệ ở trạng thái cân

Hình 0-3 Hệ thống giảm chấn thụ động

Đặc điểm của hệ thống giảm chấn thụ động là chúng ta không chủ động điều

chỉnh đƣợc lực cản dịu vì hệ số b 2 bằng hằng số, lực cản dịu lớn khi tốc độ của x us lớn và nhỏ khi tốc độ của x us nhỏ

b Hệ thống giảm chấn tích cực

Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực (hay còn gọi là hệ thống giảm chấn chủ

động) nhƣ hình vẽ sau, trong đó khác với hệ thống giảm chấn thụ động là khối cản

dịu có lực cản dịu đƣợc sinh ra bằng cách sử dụng một nguồn năng lƣợng bên ngoài Phần tử này có thể thực hiện bằng cơ cấu thủy lực hoặc bằng cơ cấu điện từ Chính vì ta có thể thay đổi đƣợc lực cản dịu một cách chủ động về 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

Đối với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng hệ thống thủy lực, xi lanh sẽ chuyển động lên hoặc xuống để tạo ra lực cản dịu bằng một hệ thống bơm dầu chủ động Đặc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực là có thể tạo ra lực cản dịu lớn, tuy nhiên đáp ứng chậm, do vậy thường ứng dụng cho các hệ thống lớn, ví dụ như hệ thống tàu hỏa, tàu thủy, hệ thống duy trì cân bằng cho các bệ đỡ nòng pháo v.v Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực như hình vẽ sau, trong đó 5 là xi lanh và pitong dầu, 7 là van dẫn dầu và 8 là đường ống bơm dầu

Hình 0-5 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng thủy lực

Đối với hệ thống giảm chấn tích cực bằng cơ cấu điện từ, phần tử cản dịu chính là một cơ cấu điện từ có khả năng tạo chuyển động lên xuống bằng cách sử dụng nguồn điện từ bên ngoài đưa vào

Hình 0-6 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng cơ cấu điện từ

Hình vẽ 1-6 minh họa hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ, lực cản dịu được sinh ra do từ trường mang bởi dòng điện đưa từ bên ngoài vào để

Cơ cấu điện từ

tạo ra một nam châm 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 lượng 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 như trên, một giải pháp kết hợp hai loại này chính 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 như minh họa ở hình vẽ sau, phần tử cản dịu chủ động thường là cơ cấu điện từ Hệ thống này thường dùng cho các hệ thống lớn cần tăng tốc độ đáp ứng của lực cản dịu

Hình 0-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ

Hệ thống giảm chấn có nhiệm vụ dập tắt dao động tác động từ bên ngoài vào

hệ thống và duy trì ổn định của khối thân trên, do vậy hệ thống phải đáp ứng được với dải tần càng rộng càng tốt của dao động Các hệ thống giảm chấn thủy lực tuy

có ưu điểm là có khả năng tạo ra lực giảm chấn lớn tuy nhiên vấn đề thời gian trễ

và chỉ đáp ứng với một dải tần hẹp cho nên nó không được áp dụng cho các hệ thống có kích cỡ nhỏ và các dao động có dải tần rộng, chính vì vậy trong các nghiên cứu gần đây người ta chuyển sang sử dụng các hệ thống giảm chấn điện từ [1] vì chúng có các ưu điểm nổi bật sau đây:

Lực cản dịu để dập tắt dao động được tạo ra trực tiếp từ nguồn điện mà không qua một khâu trung gian truyền dẫn cơ khí nên đáp ứng nhanh hơn, linh hoạt hơn và không bị ảnh hưởng bởi lực ma sát

Vì lực điện từ có thể tạo ra với tần số nhanh cho nên đáp ứng động học của hệ thống được nâng cao, đáp ứng được với các dao động với các dải tần rộng

Có khả năng điều chỉnh chính xác các lực cản dịu với đáp ứng yêu cầu

về mặt thời gian bằng các thuật toán điều khiển

Với kết cấu nhỏ, gọn cho nên hệ thống dễ dàng cài đặt vào các thiết bị Tuổi thọ và độ bền cao, giảm thiểu nhu cầu cần bảo dưỡng trong quá trình sử dụng

Với những ưu điểm nêu trên, hệ thống giảm chấn tích cực điện từ cũng có nhược điểm đó là cần phải sử dụng nguồn năng lượng điện riêng cho nó, do đó vấn

đề năng lượng là một trở ngại của hệ thống này, tuy nhiên vấn đề này có thể được giải quyết bằng các chiến lược sử dụng ngay các lực gây dao động bên ngoài để biến đổi ngược thành năng lượng điện, tích lũy vào ắc quy để cung cấp cho hệ thống giảm chấn, điều này làm giảm nhu cầu sử dụng năng lượng và có thể tiết kiệm được năng lượng điện hoặc thậm chí có thể không cần sử dụng nguồn năng lượng điện bên ngoài Mặt khác để hệ thống giảm chấn có chất lượng tốt thì thuật toán điều khiển có mức độ phức tạp sẽ tăng lên rất nhiều

1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính

Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ trước đây có thể sử dụng động cơ tạo chuyển động quay và hệ thống vit me để tạo chuyển động lên xuống, động cơ quay đó có thể là động cơ servor tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là tồn tại ma sát giữa các bánh răng, tốc độ chậm và kém linh hoạt [3] Hiện nay xu hướng xử dụng động cơ tuyến tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp có ưu điểm là lực điện từ được tạo ra trực tiếp mà không có cần sử dụng cơ cấu truyền cơ khí, do đó ma sát thấm, độ chính xác cao, tuổi thọ dài, do đó cho phép tạo ra các hệ thống giảm chấn tích cực được điều khiển bằng các thuật toán điều khiển cho phép dập tắt các dao động của hệ thống một cách có hiệu quả [1][2] Một số hình ảnh về việc sử dụng động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực

Hình 0-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính

Động cơ tuyến tính có hai dạng đó là động cơ tuyến tính đồng bộ và động cơ tuyến tính không đồng bộ So với động cơ quay thông thường, stator và trục dịch chuyển tuyến tính, có thể coi là đường kính stator dài vô hạn Động cơ tuyến tính

có khả năng tạo ra chuyển động dịch chuyển với vận tốc cao lên đến khoảng 200m/phút, gia tốc lớn và lực lên đến kN

Như đã đề cập ở trên, lực điện từ có thể được tác dụng trực tiếp vào tải trọng

mà không có sự can thiệp của một cơ cấu truyền tải, dẫn đến hệ thống có độ tin cậy cao hơn và tuổi thọ cao hơn

1.4 Các ứng dụng và xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

Hình 0-9 Hệ thống treo ôtô sử dụng động cơ tuyến tính của hãng Bose sản xuất

- Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải [4]

Hình 0-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải

1.1.2 Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

Thuật toán điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực là một thuật toán tương đối phức tạp, trong thuật toán đó cần cân nhắc hài hòa giữa các yếu tố đó là thời gian đáp ứng và gia tốc Hiện đang có những xu hướng 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 phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác [8]

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ưu 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 ưu nhược điểm trên chương 1 trình bày về việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực, các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực hiện nay Qua đó trình bày về tính cấp thiết về nghiên cứu điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính hiện nay Từ phân tích đó luận văn

đã lựa chọn các nội dụng nghiên cứu, xây dựng các mục tiêu cần đạt được trong luận văn

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Gọi k là độ cứng của của phần tử lò xo liên hệ giữa bề mặt tạo dao động và t

khối treo, m là khối lượng của khối treo, us k b lần lượt là độ cứng của phần tử lò s, s

xo và hệ số cản dịu của khối cản dịu, m là khối lượng của khối thân trên s

Đặt các biến trạng thái: d là nhiễu tác động từ bên ngoài vào gây ra dao

động, x là khoảng dịch chuyển của khối treo và us x là khoảng dịch chuyển của s

khối thân trên Theo [6] phương trình động học của hệ thống giảm chấn thụ động được mô tả như sau:

trong đó phương trình thứ nhất của (2.1) mô tả chuyển động của khối thân trên và phương trình thứ hai của (2.1) mô tả chuyển động của khối treo Tiếp theo ta có thể

mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực bằng cách thay thế khối giảm chấn bằng

cơ cấu chấp hành điện từ, cơ cấu này sinh ra một lực giảm chấn tích cực F , khi đó s

phương trình động học của hệ thống giảm chấn tích cực trở thành

Trong phương trình (2.2) ta vẫn để nguyên hệ số cản dịu b , khi phân tích đối với s

hệ thống giảm chấn tích cực ta sẽ cho hệ số này bằng không

Để xây thuận tiện cho việc xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn, ta đặt các biến trạng thái mới như sau:

z z z

z z

là véc tơ biến trạng thái của hệ

Từ mô hình (2.4) ta thấy rằng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực bao gồm một phần tuyến tính với đầu vào (thành phần z Az BF s)và phần còn lại là phần nhiễu loạn tác động từ bên ngoài vào hệ thống (thành phần Ld ) Nhiệm vụ điều

khiển là cần xác định thành phần u sao cho với tác động từ bên ngoài không biết

trước vào hệ thống ( Ld )véc tơ biến trạng thái x cần phải được nhanh chóng đưa về

gốc tọa độ, hay điểm cân bằng của hệ thống là

x x x x x Bài toán điều khiển phụ thuộc vào đặc

tính động học của hệ thống (các ma trận A, B) hay các tham số của hệ Phần tiếp

sau sẽ nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số hệ thống đến đặc tính động học của hệ

2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ

Sử dụng Matlab/Simulink với các tham số vật lý giả thiết được cho của hệ giảm chấn thụ động như bảng sau đây

Khối lượng khối thân trên: m s 400kg

Khối lượng khối treo: m us 50kg

Hình 0-3 Thư viện Simscape của Matlab/Simulink

Sau khi sử dụng thƣ viện simscape của Matlab ta đƣợc các khối bên trong và các

tham số của của hệ thống giảm chấn tích cực nhƣ trên các hình từ 2-4 đến Hình 2-6

Hình 0-4 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực hiện bằng Matlab/simulink

simscape

Ý nghĩa của các khối sử dụng trong mô hình nhƣ sau:

Khối Translation Spring là khối đặc trƣng cho phần tử lò xo

Khối Mass là khối đặc trƣng cho phần tử khối lƣợng

Khối Translation Damper là khối đặc trƣng cho phần tử cản dịu

Khối Mechanical Translation Reference là khối đặc trƣng cho điểm quy chiếu vật lý trong hệ, hay còn gọi là điểm gốc

Khối Ideal Force Source là khối tạo ra lực vật lý

Khối Ideal Translational Motion Sensor là khối đo các đại lƣợng vật lý chuyển động nhƣ vị trí, vận tốc

Khối Simulink – PS Converter là khối chuyển đổi từ đại lƣợng không có đơn vị của Simulink sang đại lƣợng vật lý có đơn vị xác định

Khối PS – Simulink Converter là khối chuyển từ đại lƣợng vật lý có đơn

vị sang đại lƣợng không có đơn vị của Simulink

Khối Solver Configuration là khối thực hiện giải nghiệm vật lý trong hệ thống

xus(t) 2

xs(t) 1

PS-Simulink Converter 3 PSS

PS-Simulink Converter1 PSS

Mechanical Translational Reference 1

Mechanical Translational Reference Mass1

Mass

Ideal Translational Motion Sensor1

R CVP

Ideal Translational Motion Sensor

R CV P

Ideal Force Source 1

Các hình vẽ sau mô tả đáp ứng của hệ với các nhiễu loạn khác nhau trong trường hợp hệ thống giảm chấn tích cực không có tác động lực cản dịu, hay F s 0

a) Nhiễu d(t) có dạng xung vuông

0 0.5

1

Nhieu d(t) tac dong vao he thong giam chan

-0.02 0 0.02

0.04

xs(t)

-0.02 0 0.02

0.04

xus(t)

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04

t(s) xs(t)-xus(t)

Hình 0-7 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động dạng xung vuông

Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng khi chịu tác động của nhiễu d(t) thành phần

xus(t) dao động có dạng gần giống với dạng dao động của d(t), dạng gần giống này phụ thuộc vào phần tử có đặc tính lò xo kt, khi kt càng lớn thì xus(t) dao động càng giống với d(t), khi kt càng nhỏ thì dạng dao động càng mềm và có thời gian tắt lâu hơn Khi xus(t) dao động, qua phần tử lò xo ks và phần tử cản dịu bs xus(t) sẽ dao động lên xuống với thời gian tắt lâu hơn Thời gian tắt và dạng dao động phụ thuộc vào các hệ số ks và bs Để minh họa thêm với dạng nhiễu là bất kỳ, phần b sau đây

là các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi phản ứng với d(t) có dạng ngẫu nhiên

b) Nhiễu có dạng dao động bất kỳ

-5 0

5

Nhieu d(t) tac dong vao he thong giam chan

-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

xs(t)

-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05

xus(t)

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

t(s) xs(t)-xus(t)

Hình 0-8 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động có dạng bất kỳ

2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống

Vì hệ thống giảm chấn làm việc với các tác động lực bên ngoài vào có các

tần số dao động khác nhau, chính vì thế, đáp ứng đối với tần số của hệ thống là một

đánh giá rất quan trọng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống Để xây dựng hàm

truyền đáp ứng tần số của hệ thống ta cần giả thiết rằng các phần tử trong hệ thống

giảm chấn là tuyến tính, từ các phương trình chuyển động của khối thân trên và khối

treo ta có thể xác định được các hàm truyền trong hệ, từ các hàm truyền này ta có

thể biết được đáp ứng tần số của hệ thống như thế nào Gọi biến đổi Laplace của các

biến x t x s( ), us( ), ( )t d t lần lượt là X s X s( ), us( ),s D s( ), từ các phương trình (2.2) với

Hàm truyền liên hệ từ lực tác dụng bên ngoài vào hệ đến khối thân trên,

hay là hàm truyền tổng quát của cả hệ giảm chấn là:

này biểu diễn quan hệ giữa tác động dao động đầu vào đến sự biến thiên

của khối treo so với chính nó

biểu mô tả như sau:

Hình 0-9 Các hàm truyền của hệ thống giảm chấn

Để khảo sát đặc tính tần số của các hàm truyền trên ta sử dụng các tham số vật lý của hệ giảm chấn như sau đây, dải tần số thay đổi từ 0 đến 15Hz

Khối lượng khối thân trên: m s 400kg

Khối lượng khối treo: m us 40kg

Độ cứng của phần tử lò xo: k s 20000N m /

Hệ số cản dịu của khối cản dịu: b s 2000Ns m /

Độ cứng của phần tử lò xo: k t 180000N m /

Vì hệ thống có hai bậc tự do, cho nên nó có hai tần số dao động riêng, các tần

số này có thể xác định được bằng cách giải phương trình đặc tính khi cho b s 0

m m s s us 4 k s k m t s k m s us s2 k k t s 0 (2.10)

Ta thay s j , ta được

m m s us 4 k s k m t s k m s us 2 k k t s 0 (2.11) Nghiệm của (2.11) là các tần số dao động riêng như sau:

us

1212

s t ns

Đây là phương trình của mô hình giảm chấn khi không xét đến đến lực cản dịu

là tích cực hay thụ động tác động vào hệ thống Biến đổi Laplatce với điều kiện đầu bằng 0 phương trình (2.13) trở thành

m s X s s 2 s( ) m sus 2 k X t us( )s k D s t ( ) (2.14) Biến đổi tiếp ta được

2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống

Mô hình (2.2) chứa thành phần lực cản dịu cần điều chỉnh, lực này được tạo

ra bởi động cơ tuyến tính, do vậy ta cần đi xác định mô hình của động cơ tuyến tính liên hệ giữa điện áp (dòng điện) cấp vào động cơ và lực cản dịu tạo ra

Động cơ tuyến tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp LBM (Direct –drive

tubular linear brushless permanent magnet motor) được chế tạo dựa trên động cơ

quay trong đó stator được trải dải theo đường thẳng thay vì uốn cong tạo thành hình

tròn, do vậy các dòng điện trong stator sẽ sinh ra một từ trường dịch chuyển làm di chuyển rotor theo phương ngang, qua đó tạo chuyển động thẳng Động cơ tuyến tính được dùng trong luận văn này là động cơ tuyến tính dạng ống với minh họa mặt cắt dọc như hình vẽ sau đây, trong đó stator được quấn xen kẽ bằng 03 cuộn dây AA’, BB’ và CC’, roto hay phần di chuyển được ghép bằng các thanh nam châm vĩnh cửu Khi cấp điện cho các cuộn dây ở stator, tương tác lực điện từ sẽ đẩy rotor chạy tịnh tiến theo trục z

Hình 0-13 Minh họa mặt cắt của LBM, lực được tạo từ rotor dịch chuyển theo phương z

Để xây dựng mô hình của LBM, ta có một số giả thiết sau đây:

Hệ số tự cảm của các cuộn dây stator là hằng số đối với bất kỳ vị trí nào của phần di chuyển

Chiều dài của rotor là vô hạn để ta có thể bỏ qua các hiệu ứng đầu cuối

Mô hình mạch từ không kể đến hiện tượng bão hòa từ

Dựa trên định luật Faraday, phương trình mô tả phần điện của LBM như sau:

dt d

châm vĩnh cửu

2cos

32cos

32sin

Các từ thông ma, mb, mc được tính toán thông qua từ trường của nam châm vĩnh

cửu trên ba cuộn dây, vị trí của rotor và chúng có giá trực cực đại là m

(2.21)

Giả thiết rằng LBM có điện trở của các pha bằng nhau, hệ số tự cảm bằng

nhau và các hệ số hỗ cảm giữa các pha cũng bằng nhau, hay