NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ TRƯỢT CHO hệ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHAN ĐÌNH KỲ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học kỹ thuật công ngiệp Thái Nguyên Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Lại Khắc Lãi Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Thanh Hà Phản biện 2: TS. Đỗ Trung Hải Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học kỹ thuật công ngiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Vào hồi giờ tháng 04 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên 2 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN [1] Phan Đình Kỳ, Lại Khắc Lãi (2013): "Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng dựa trên bộ điều khiển mờ lai", Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học, Đại học Thái nguyên; Tập 113, số 13; 11/2013, Trang 123 - 127. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ truyền động qua bánh răng là một trong những hệ cơ cấu chấp hành thường gặp nhất trong các máy công cụ, máy tổ hợp hoặc máy móc, thiết bị điều khiển tự động chạy theo chương trình. Bánh răng là một cơ cấu khớp cao dùng để truyền chuyển động quay giữa hai trục với tỷ số truyền xác định. Với những bài toán nâng cao chất lượng hệ thống ở chế độ làm việc quá độ cũng như có tính động học nhanh, dưới giả thiết không thể đo được chính xác các momen ma sát, momen cản, độ xoắn trên trục truyền động và khe hở giữa các bánh răng, người ta phải sử dụng kèm thêm cùng giải pháp cơ khí là các bộ điều khiển điện, điện tử để có thể dễ dàng cài đặt được các phương pháp điều khiển chỉnh định nhằm bù lại lượng sai lệch mà các thiết bị cơ khí không giải quyết được. Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp được phương thứ xử lý thông tin và điều khiển của con người và giải quyết thành công các bài toán điều khiển phức tạp. Góp phần nâng cao chất lượng cho các hệ điều khiển truyền động bánh răng đang được ứng dụng nhiều trong sản xuất. Tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng” 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu bộ điều khiển mờ trượt. Thiết kế được thuật toán điều khiên mờ trượt để cho hệ truyền động qua bánh răng.và ứng dụng cho hệ điều khiển truyền động qua bánh răng nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng của hệ thống. 3. Phương pháp và công cụ nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu: + Tìm hiểu các công trình khoa học đã công bố, nhằm xác định chắc chắn các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra. + Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu đối tượng để xây dựng thuật toán điều khiển 1 + Tiến hành mô phỏng để kiểm tra thuật toán + Tiến hành thực nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của thuật toán. - Công cụ nghiên cứu: Phần mềm Matlab Simulink, mô hình thí nghiệm tại phòng thí nghiệm, Đại học kỹ thuật công nghiệp. 4. Kết cấu của luận văn Luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ Chương 2: Khảo sát và mô tả toán học hệ truyền động qua bánh răng Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1.1 Mở đầu 1.1.2 Khái niệm cơ bản về logic mờ a. Định nghĩa tập mờ b. Các thuật ngữ trong logic mờ c. các phép toán trên tập mờ 1.1.3 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ mờ 1.1.4 Luật hợp thành mờ a. Mệnh đề hợp thành b. Luật hợp thành mờ 1.1.5 Bộ điều khiển mờ Hình 1.10. Các khối chức năng của bộ Điều khiển mờ 2 1.2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.2.1 Nguyên lý điều khiển mờ Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ 1.2.2 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ a. Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra. b. Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến ngôn ngữ vào/ra. c. Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành). d. Chọn thiết bị hợp thành. e. Chọn phương pháp giải mờ. f. Tối ưu hệ thống. 1.2.3 Phân loại bộ điều khiển mờ + Theo số lượng đầu vào và đầu ra ta phân ra bộ Điều khiển mờ "Một vào - một ra" (SISO); "Nhiều vào - một ra" (MISO); "Nhiều vào - nhiều ra" (MIMO) + Theo bản chất của tín hiệu đưa vào bộ điều khiển ta phân ra bộ điều khiển mờ tĩnh và bộ điều khiển mờ động. Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ tĩnh nhằm cung cấp cho bộ điều khiển các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu. Cùng với những khâu động học bổ sung này, bộ điều khiển tĩnh sẽ trở thành bộ Điều khiển mờ động 3 1.2.4 Hệ điều khiển mờ lai 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Tập trung tìm hiểu các kiến thức cơ bản về lý thuyết điều khiển mờ: Định nghĩa, đặc điểm, các phép toán về logic mờ. Phân tích kỹ các khối chức năng của bộ điều khiển mờ. Phân tích rõ nguyên lý điều khiển mờ, các nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ. Phân loại được các bộ điều khiển mờ (mờ tĩnh, mờ động. Có những cái nhìn tổng quan về hệ mờ lai và mờ thích nghi hiện đang được ứng dụng nhiều trong thực tế. Chương 2 KHẢO SÁT VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 2.1 KHÁI QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 2.1.1 Giới thiệu về cơ cấu bánh răng a. Khái niệm về bánh răng b. Phân loại bánh răng Hình 2.1. Hệ truyền động bánh răng 4 C. Ưu, nhược điểm của hệ truyền động bánh răng 2.1.2 Yêu cầu về cơ khí đối với hệ truyền động bánh răng Yêu cầu về độ chính xác động học Yêu cầu về độ chính xác tiếp xúc Yêu cầu về độ chính xác khe hở mặt bên 2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 2.2.1 Đặt vấn đề 2.2.2 Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng Hình 2.7. Cấu trúc vật lý của hệ truyền động qua một cặp bánh răng Trong đó: Hình 2.2. Các loại bánh răng Hình 2.3. Hệ bánh răng trục song song 5 DC là động cơ phát động mômen M d cho bánh răng 1 J d , J 1 , J 2 lần lượt là mômen quán tính của động cơ, bánh răng 1 và bánh răng 2 M c là mômen cản, bao gồm cả mômen tải M ms1 và M ms2 là mômen ma sát trong các ổ trục bánh răng. Khi hai bánh răng ăn khớp với nhau, tỷ số truyền trung bình của chúng không thay đổi và phụ thuộc vào các bán kính, tuy nhiên tỷ số truyền tức thời của chúng thường không cố định do sai số chế tạo và sự mài mòn các răng trong quá trình làm việc. 2.2.3 Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi và mômen ma sát Để có thể thiết lập phương trình chuyển động của hệ thống truyền động nói trên ta làm như sau. Dùng mặt cắt n-n, trên đó chịu một mômen đàn hồi của hai bánh răng như trên hình 2.9. Gọi J 1 là mômen quán tính của phần bên trái bao gồm mômen quán tính của rotor động cơ dẫn động, mômen quán tính của trục và bánh răng 1 và bên đó chịu tác động của mômen dẫn động của động cơ điện là M d , lực ma sát trong ổ là M ms1 . Hình 2.8: Minh họa các định luật cân bằng giữa cặp bánh răng Hình 2.9. Sơ đồ động lực học 6 [...]... phía dưới đường thẳng S= e+ λe’ 3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 3.4.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng Hình 3.9 trình bày sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng Bộ điều khiển mờ trợt FSMC (Fuzzy Sliding Mode Controller) là bộ điều khiển cho đặc tính động học tốt, không quá nhạy đối với các biến... không chính xác Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ như sau: 16 e(t) x X1 (-) d dt X2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ λ (+) u HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ + BÁNH RĂNG X3 THIẾT BỊ ĐO Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động Động cơ – Bánh răng Hình 3.10 BĐK mờ trượt với 3 đầu vào Đường chuyển đổi Hình 3.11 Phối hợp các tập mờ cho biến vào/ra của bộ điều khiển mờ trượt y 17 Bước 1: - Chọn số đầu vào... điều khiển mờ trượt Từ kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm ta thấy rằng: + Khi chưa có bộ điều khiển, hệ truyền động qua bánh răng dao động, độ ồn rất lớn + Sử dụng bộ điều khiển PI cho hệ thống truyền động có sự tham gia của bánh răng đã cho phép ta giảm đáng kể những dao động gây nên bởi khe hở, đàn hồi và ma sát của bánh răng + Khi có tác động điều khiển bằng bộ điều khiển mờ trượt, hệ thống chạy... certainty equivalence b Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu c Điều khiển ổn định bền vững và phương pháp ISS-CLF 3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 3.2.1 Xuất phát điểm của phương pháp điều khiển trượt 3.2.2 Bộ điều khiển trượt ổn định bền vững 3.2.3 Bộ điều khiển trượt bám bền vững 3.3 ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT 3.3.1 Xây dựng luật điều khiển trượt Chúng ta đã biết, hầu hết để điều khiển các đối tượng phi... lượng quá điều chỉnh gần như không có, số lần dao động ít (gần như không có), sai lệch e(t) → 0 Như vậy việc xây dựng bộ điều khiển mờ trượt đã cải thiện đáng kể chất lượng của hệ truyền động qua bánh răng Các kết quả mô phỏng của luận văn thể hiện một cách trung thực, khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng các bộ điều khiển, bổ sung một phương pháp điều khiển mới trong hệ truyền động qua bánh răng. .. với thuật toán điều khiển kinh điển PI, ở chế độ xác lập sự dao động giữa trục chủ động và bị động đã giảm đi đáng kể, tuy nhiên ở chế độ quá độ lượng quá điều chỉnh rất lớn số lần dao động nhiều => Gây mất ổn định - Khi bộ điều khiển sử dụng là bộ điều khiển mờ trượt, chất lượng điều khiển của hệ thống được nâng cao rõ rệt, sự dao động giảm đi đáng kể (giảm hơn so với khi sử dụng bộ điều khiển PI), ở... phỏng hệ truyền động Động cơ – Bánh răng trên Simulink Kết quả mô phỏng: - Giả thiết cặp bánh răng tiếp xúc ngoài Khi chưa có bộ điều khiển điện với tỉ số truyền i12 = w1 / w 2 = −2 , Kết quả mô phỏng được trình bày như các hình 3.20 20 Hình 3.20 Chất lượng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển điện - Giả thiết cặp bánh răng tiếp xúc ngoài và tỉ số truyền của bánh răng là i12 = w1 / w 2 = −1 Khi sử dụng. .. bất định, nên luận án sẽ sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi bền vững Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 3.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN 3.1.1 Các khái niệm a Khái niệm ổn định Lyapunov b Khái niệm ổn định ISS c Tiêu chuẩn xét tính ổn định Lyapunov 14 3.1.2 Một số phương pháp điều khiển phi tuyến a Điều khiển ổn định thích nghi và... (rad/s) - Giả thiết cặp bánh răng tiếp xúc ngoài và tỉ số truyền của bánh răng là i12 = w1 / w 2 = −1 Khi sử dụng bộ điều khiển mờ trượt, Kết quả mô phỏng được trình bày như các hình 3.24 – 3.26 Tốc độ trục chủ động 45 40 Tốc độ trục Bị động Toc do: w1; w2 (rad/s) 35 30 25 20 15 10 Sai lệch e(t) 5 0 -5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian: t (s) Hình 3.24 Hệ thống sử dụng BĐK mờ trượt khi vận tốc góc chuyển... quát của hệ: − J1 = J d + J1  rL1, rL2 bán kính vòng tròn lăn của bánh răng 1 và 2  αL góc ăn khớp của hai bánh răng và cũng là đại lượng đánh giá khe hở giữa các bánh răng Trong trường hợp hai bánh răng tiêu chuẩn và không có độ dịch tâm, thì góc ăn khớp α L =α = 200 Với hệ có khe hở thì 18°≤αL≤25°  c là đại lượng đánh giá độ cứng của bánh răng Giá trị c càng nhỏ, độ mềm dẻo của bánh răng càng . ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 3.4.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng Hình 3.9 trình bày sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mờ trượt cho. nghiên cứu Nghiên cứu bộ điều khiển mờ trượt. Thiết kế được thuật toán điều khiên mờ trượt để cho hệ truyền động qua bánh răng. và ứng dụng cho hệ điều khiển truyền động qua bánh răng nhằm cải. khiển truyền động bánh răng đang được ứng dụng nhiều trong sản xuất. Tác giả lựa chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên