tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 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 PHITUYẾN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM

Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số :

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệpThái Nguyên.

Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 1 : PGS.TS Phạm Hữu Đức DụcPhản biện 2 : TS Bùi Chính Minh

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 7 giờ 30 phút ngày 17 tháng 11 năm 2011.

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

MỞ ĐẦU

Trong quá trình phát triển đất nước thì công nghiệp hóa và hiện đại hóa làmột hướng ưu tiên Vì thế đã có rất nhiều dây chuyền công nghiệp được chế tạo vàmua mới trong số đó có hệ truyền động Trước đây, với các hệ truyền động chấtlượng thấp, độ chính xác không cao thì người ta xem như hệ truyền động là cứngtuyệt đối và bỏ qua tính mềm của khớp nối Tuy nhiên đối với các hệ truyền độngyêu cầu độ chính xác cao, chất lượng tốt phải tính đến ảnh hưởng của tính mềm củakhớp nối đối với hệ truyền động từ đó đưa ra các giải pháp xử lý Có rất nhiều giảipháp khắc phục được đưa ra Bên cạch các giải pháp cơ học còn có các giải phápđiều khiển Có rất nhiều thuật toán điều khiển tối ưu, thích nghi khác nhau như thuậttoán Gen, thuật toán thích nghi tự chỉnh dùng phương pháp áp đặt cực, các bộ điềukhiển PID, dùng các bộ điều khiển mờ, điều khiển phản hồi trạng thái Mỗi giảipháp có các ưu nhược điểm riêng nhưng nhìn chung không giải quyết triệt để cácyêu cầu chất lượng đặt ra Nếu chọn giải pháp điều khiển phản hồi trạng thái thì sốlượng các sensor đo lường lớn, chủng loại nhiều, khó khăn trong việc vận hành vàbảo dưỡng vì thế giá thành sản phẩm sẽ cao điều này sẽ giảm sức cạnh trạnh của sảnphẩm trên thị trường Bên cạnh đó, không phải tín hiệu nào cũng đo được bằng cảmbiến mà có những tín hiệu không thể đo bằng cảm biến Tuy nhiên trong thực tế cáchệ thống cần điều khiển là các hệ phi tuyến có chứa các tham số không biết trước vàcác 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 tuyếncho hệ truyền động khớp nối mềm” để nghiên cứu.

Luận văn được chia thành 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 mềmChương 3: Phát triển lý thuyết và tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến thích nghi

bền vững hệ truyền động khớp nối mềm

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình

của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân em cũng cố gắn

tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạpchí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót.Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu củacác thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luậnvăn hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cám ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của

thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã giúp đỡ em về chuyên môn và

các tài liệu làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc.

Em xin chân thành cám ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại họcKỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặtđể em hoàn thành khóa học.

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

CHƯƠNG 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 trongcác dây chuyền công nghiệp Vì thế việc nghiên cứu và đưa ra các giải pháp làmgiảm tác hại của khớp nối mềm nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống là điều rấtquan trọng Trong chương này sẽ trình bày về tổng quan hệ thống khớp nối mềm vàcác giải pháp cơ học cũng như điều khiển nhằm khắc phục hiện tượng cộng hưởngcơ học do hệ thống khớp mềm gây ra.

1.1 Giới thiệu

Trong công nghiệp việc truyền lực, mô men từ động cơ đến tải được thực hiệnbằng các khớp nối Các khớp nối do nhiều lý do mà nó không cứng vững, gây nênhiện tượng cộng hưởng cơ học Cộng hưởng cơ học có ảnh hưởng xấu đến máy vàsản phẩm Có rất nhiều phương pháp để khắc phục hiện tượng này Các phươngpháp về mặt cơ học khắc phục cộng hưởng là làm trục truyền lực cứng hơn và giảmtỷ lệ mô men quán tính giữa tải và động cơ Về mặt điều khiển, các bộ PI điều chỉnhtốc độ thông thường không giải quyết được vấn đề này Đặc biệt là khi cần tốc độđáp ứng hệ thống nhanh, hệ số khuếch đại Kp của bộ PI tăng nên hiện tượng cộnghưởng xảy ra Ngoài giải pháp về mặt cơ học, về mặt điều khiển có rất nhiềuphương pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học này Dùng các bộ điều khiểnbiến thể của PID (I_P, I_PD) Hai bộ điều khiển này có tác dụng tốt hơn PID thôngthường do giảm sự tăng nhanh của tín hiệu điều khiển Dùng bộ lọc thông thấp hoặcbộ lọc dải chắn hoặc bộ lọc bi-quad đặt ngay sau bộ PI thông thường Phương phápnày làm thực hiện khá đơn giản và cũng cho kết quả tốt Mô men xoắn truyền từ tảiđến động cơ là nguyên nhân gây lên hiện tượng cộng hưởng cơ học vì vậy có cácphương pháp phản hồi mô men xoắn, phản hồi vi phân mô men xoắn Mô men xoắnđược gây ra bởi sai lệch vị trí giữa hai trục động cơ và tải, nên các phương pháp trênđòi hỏi phải tính toán được sai lệch này Để giảm bớt được sensor đo vị trí tải, sửdụng các phương pháp quan sát trạng thái như các bộ quan sát Luenberger, các bộ

Hình 1.2 Mô tả khớp mềm

quan sát dùng bộ lọc Kalman Chất lượng truyền động rất quan trọng đặc biệt là khicác thông số vật lý hệ thông có sự thay đổi hay có nhiều nhiễu loạn khác nhau Dođó trong điều khiển hiện đại có ứng dụng lý thuyết về hệ điều khiển thích nghi, tốiưu, bền vững Có rất nhiều các thuật toán tối ưu, thích nghi khác nhau như thuậttoán Gen, thuật toán thích nghi tự chỉnh dùng phương pháp áp đặt cực, dùng các bộđiều 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

1.4.1 Độ cứng của của trục làm việc khi bị xoắn

1.4.2 Độ cứng của thanh làm việc khi kéo và nén (Ví dụ như: Trục vít dẫnđộng)

1.4.3 Độ cứng của mối nối ren

1.4.4 Độ cứng của truyền động bánh răng1.4.5 Độ cứng của nối then và chêm

1.4.6 Độ cứng của truyền động đai da và truyền động xích

1.5 Hiện tượng cộng hưởng cơ học trong truyền động khớp nối mềm.1.6 Các giải pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học.

1.6.1 Các giải pháp cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học

 Làm bộ truyền lực cứng hơn

 Giảm tỷ lệ quán tính giữa tải và động cơ

1.6.2 Các giải pháp điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học.1.7 Kết luận chương 1.

Như vậy chương 1 đã cho ta một cái nhìn tổng quát về khớp nối mềm, vềhiện tượng cộng hưởng xảy ra trong hệ thống truyền động khớp nối mềm Bản chấthệ truyền động khớp nối mềm là hệ truyền động giữa động cơ được nối với tảithông qua khớp mềm Và khớp mềm được biểu diễn bởi mô hình lò xo liên kết haivật nặng Sự mềm dẻo của trục là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng cơhọc Hiện tượng cộng hưởng là vấn đề phức tạp mà người thiết kế phải quan tâm.Nó có thể phá hỏng các kết cấu cơ khí và gây tổn thất về mặt kinh tế Hiện tượngcộng hưởng cơ học có ảnh hưởng xấu hệ truyền động, gây khó khăn trong việc điềukhiển và nâng cao chất lượng, nó có thể gây hỏng thiết bị truyền động Chương 1cũng đã trình bày một số giải pháp về mặt cơ khí nhằm khắc phục hiện tượng cộnghưởng như làm tăng độ cứng các bộ phận nối từ động cơ đến tải, làm giảm tỷ lệquán tính giữa tải và động cơ, tuy phương pháp về mặt cơ khí làm giảm đáng kểhiện tượng cộng hưởng nhưng không giải quyết triệt để Vì vậy để khắc phục triệtđể hiện tượng cộng hưởng ta phải sử dụng các giải pháp điều khiển nhằm nâng caochất lượng hệ truyền động

phương pháp áp đặt cực, các bộ điều khiển PID, dùng các bộ điều khiểnmờ Chương 2 sẽ trình bày một số phương pháp điều khiển thông thường giảmcộng 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 mềmvà 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 khớp nối mềm.

Như đã trình bày ở chương 1, khớp nối mềm trong truyền động là khớp nốigiữa trục động cơ và trục tải Đó là các khớp nối không có độ cứng tuyệt đối nhưcác bánh răng, các trục dài tải lớn, các kẹp nối mềm, các dây đai, các dây xích, cáckhớp làm bằng các vật liệu có tính co giãn Mô hình của các khớp nối này có thể làcác hệ thống nhiều khối, tuy nhiên để cho đơn giản chỉ khảo sát hệ thống 2 khối.Khớp nối mềm được mô hình hoá đơn giản bằng một lò xo có độ cứng Ks như hìnhvẽ.

2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối mềm.

Hình 2.1 Hệ truyền động khớp nối mềm

bS ,

2.1.3 Ảnh hưởng của Ks đến cộng hưởng cơ học.

2.1.4 Ảnh hưởng của bs đến cộng hưởng cơ học

2.1.5 Ảnh hưởng của tỷ số giữa mô men quán tính tải và quán tính động cơ: JL/JM

2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động nối khớp mềm.

2.3 Các giải pháp về mặt điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng.2.3.1 Bộ điều khiển PI:

2.3.2 Lọc thông thấp.

2.3.3Lọc dải hẹp (notch)

Hình 2.3 Mô tả toán học đối tượng khớp mềm

Hình 2.4 Đặc tính biên- pha khi Ks thay đổi

tần số tăng lên

2.3.4 Lọc trùng phương (bi-quad).2.3.5 Hệ phản hồi mô men xoắn.

2.3.5.1 Phương pháp phản hồi mô men xoắn kết hợp với bộ lọc thông cao2.3.5.2 Phương pháp phản hồi vi phân mô men xoắn.

2.3.6 Phương pháp dùng các bộ điều khiển biến thể của PID

 Bộ điều khiển I_P. Bộ điều khiển I_PD

2.3.7 Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trạng thái.

3.1 Điều khiển thích nghi phi tuyến bằng phản hồi trạng thái3.1.1 Đặt bài toán

Xét hệ phi tuyến bất định có một đầu vào u, một đầu ra y mô tả bởi:

( , , , )( , , , )

f xd udt

 

(3.1)

trong đó x =(x1,x2,xn)T

Rn là véctơ các biến trạng thái đo được, uR là tín hiệu

điều khiển,  Rp là véctơ các tham số bất định trong mô hình, d (t)Rs là véctơcác tín hiệu ngoại sinh (disturbances) tác động không mong muốn vào hệ thống,chẳng hạn như nhiễu, và f ( ( , , , ), f x1  d u  ,fn( , , , ))x d uT, ( , , , )h x d u là

các hàm của x , , d ,u mô tả hệ thống.

Nhiệm vụ của bài toán là xây dựng bộ điều khiển phản hồi trạng thái hoặc

phản hồi đầu ra (động), tức là xác định một quan hệ động học u=(x ,w) hoặc

u=(y,w) sao cho hệ , không phụ thuộc các thành phần bất định  và ngoại sinh d ,luôn ổn định tiệm cận tại gốc hoặc có tín hiệu ra y(t) luôn bám theo được tín hiệuvào w(t) mong muốn cho trước.

3.1.2 Điều khiển thích nghi hệ tam giác:

3.2 Điều khiển thích nghi bền vững cho hệ tam giác dùng trạng thái tham khảo3.2.1 Đặt bài toán và cơ sở toán học

Xét hệ được mô hình bởi n phương trình vi phân phi tuyến sau:

= (x ,x ) + (x ,x ) + (x, t)dt

dx

= (x , ,x ) + (x , ,x ) + (x, t), 1 i n - 1 dt

dx

= (x) + (x) [B (x) + b B(x)]u + (x, t)dt

x x ; n: véc tơ thứ n của các hàm phi tuyến trơn của x1xn; B : véc tơ của

các hàm phi tuyến trơn của x1xn;  và b : các véc tơ của các tham số hằng số

không biết trước có số chiều phù hợp; i( , )x t các hàm nhiễu phi tuyến không môhình hóa được hoặc bỏ qua trong quá trình mô hình hóa với giả thiết là các hàm này

có giới hạn, và u là tín hiệu điều khiển

3.2.2 Quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp điều khiển được bắt đầu từ hai phương trình đầu của bằngviệc định nghĩa tín hiệu mong muốn cho hai trạng thái đầu Tín hiệu mong muốncho trạng thái đầu chính là tín hiệu mong muốn yr Tín hiệu mong muốn cho trạngthái thứ hai được chọn sao cho nếu sai số của trạng thái thứ nhất hội tụ đến không,sai số nhận dạng tiến đến không thì trạng thái này tiến đến tín hiệu mong muốn.Trong khi thiết kế tín hiệu mong muốn, ta đưa vào hàm bền vững hoá,

( , , , , , )

  , để cho hệ điều khiển bền vững đối với nhiễu i(x, t).

Bước 1: Định nghĩa sai số cho trạng thái thứ nhất:

z = x - y Định nghĩa tín hiệu mong muốn cho trạng thái thứ hai.

việc chọn tín hiệu tham khảo trên là nếu x2 bám xr2 và nhận dạng tham số ˆ bám  ,

thì z1 có giới hạn Định nghĩa sai số cho trạng thái thứ hai.

với ki là hằng số dương bất kỳ, âi là nhận dạng của ai và (x , , x ,a , , a )i1i+1 ˆ1 ˆi làhàm bền vững hoá để xét đến ảnh hưởng của i(x, t) Định nghĩa sai số của trạngthái thứ i + 1 là:

z = x - xi+1i+1r(i+1)

nghĩa là các sai số z sẽ tiến tới lân cận của 0 Cụ thể lân cận đó là một cầu có tâmi

tại 0 và có bán kính nhỏ hơn hoặc bằng / max(2 )ki Chú ý rằng luật điều khiển được xác định khi và chỉ khi

n  ( ) ˆT ( ) 0

on

Điều này có nghĩa là hệ chỉ có thể ổn định trong không gian mà điều kiện trên thỏamãn.

Phần này đã trình bày cụ thể một phương pháp mới để thiết kế bộ điều khiểnthích nghi bền vững cho hệ tam giác dưới chịu ảnh hưởng của nhiễu dựa trên cơ sởcủa phương pháp đã được đưa ra bởi K.D Do và Deboer Bộ điều khiển thích nghibền vững nâng cao chất lượng cho các hệ mà có thể mô hình hóa là dạng tam giácdưới chứa cả các tham số không biết và chịu ảnh hưởng của nhiễu hoặc chứa cácphần tử không thể hoặc rất khó hoặc bỏ qua trong mô hình hóa hệ bằng các phươngtrình vi phân Bộ điều khiển đã được thiết kế ở phần này sẽ được ứng dụng vào việcthiết kế bộ điều khiển bền vững, thích nghi bền vững cho hệ truyền động có khớpnối mềm ở các phần tiếp theo.

3.3 Áp dụng vào điều khiển thích nghi hệ khớp nối mềm

Mục này trình bày ứng dụng của phương pháp điều khiển phi tuyến đã pháttriển trong Mục 3.2 để tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến thích nghi và bền vững chohệ khớp mềm Bộ điều khiển phi tuyến được tổng hợp trong mục này sẽ đảm bảotốc độ của tải bám theo một tốc độ đặt Tốc độ đặt này có thể là hằng số hoặc thayđổi từng đoạn theo thời gian Tính phi tuyến của khớp mềm được xét trực tiếp chứkhông phải qua phép tuyến tính hóa trong lân cận bất cứ một điểm làm việc nào.Các bộ điều khiển được tổng hợp trong mục này sẽ đảm bảo hệ là bền vững đối vớitải, nghĩa là sai số điều khiển giữa tốc độ của tải và tốc độ đặt không phụ thuộc vàolượng tải thay đổi và thích nghi với các tham số của hệ khớp mềm (là những hằngsố không biết trước, hoặc thay đổi rất chậm theo thời gian).

3.3.1 Mô hình toán học của khớp mềm

Mô hình toán học của khớp mềm đã được trình bày trong chương 1:

1( )

trong đó x1=L, x2=1 2, x3=M là các biến trạng thái, TM là tín hiệu đầu vào, d(t)

là thành phần bất định và

3521 23 25 2

3521 23 25 2

( )( )

1( )

1( )

trong mục 3.1 để tổng hợp tín hiệu điều khiển TM sao cho tốc độ tải L bám tốc độ

đặt x1 r=L r với L r là tốc độ tải đặt Giả thiết rằng tốc độ tải đặt L r có đạo hàmđến bậc 3 là liên tục, nghĩa là tồn tại các hằng không âm 0,1,2,3 sao cho

hợp bộ điều khiển bền vững nhưng do các tham số của hệ khớp mềm không biết

trước (trừ JM), nên luật thích nghi cho các tham số này cần được tổng hợp

3.3.2.2 Quá trình tổng hợp

Bước 1 Trong bước đầu tiên này, xét phương trình đầu tiên của hệ và định nghĩa

các véctơ của mô hình , :

nghĩa là ˆL là giá trị chỉnh định của L, và Fˆ ( )Lx2 là giá trị chỉnh định của

FL(x2) Với các ký hiệu trên, có thể viết lại phương trình đầu tiên của hệ như sau:

Trong bước này coi hàm phi tuyến Fˆ ( )Lx2 như là tín hiệu điều khiển và tổng hợp

tín hiệu điều khiển này sao cho tốc độ tải x1 bám bền vững tốc độ tải đặt x1 r Khi

này d(t) được coi là nhiễu tác động lên hệ Định nghĩa:

Bước 2 Trong bước này, xét phương trình thứ 2 của hệ khớp mềm và coi biến

trạng thái x3 là tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển này sẽ được tổng hợp để ổn

định x2 e tại gốc Định nghĩa

x3 e= x32

trong đó 2 là tín hiệu điều khiển ảo của biến trạng thái x3 Xét hàm Lyapunov

V V  x

Sử dụng , và , có