tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế bộ điều KHIỂN PHẢN hồi TRẠNG THÁI DÙNG bộ QUAN sát LUENBERGER CHO hệ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP nối mềm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - ĐẶNG NGUYÊN BÌNH ĐẶNG NGUYÊN BÌNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO CHO HỆ DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI NỐI MỀM TRUYỀN ĐỘNG KHỚP MỀM Chuyên ngành : Tự Động Hóa Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số Mã số : : TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 THÁI NGUYÊN-2010 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Luận văn hồn thành trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Cán HDKH : TS BÙI CHÍNH MINH Phản biện : TS PHẠM HỮU ĐỨC DỤC Phản biện : TS TRẦN XUÂN MINH Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 14 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010 Có thể tìm hiển luận văn Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa MỞ ĐẦU Trong hệ thống sản xuất công nghiệp, để truyền mô men từ động đến cấu sản xuất người ta phải sử dụng khớp nối Các khớp nối thường sử dụng hộp số, dây đai trục nối Tuy nhiên không cứng vững thành phần khớp nối gây dao động cộng hưởng làm hệ thống ổn định, phát tiếng ồn phá hỏng kết cấu khí Vấn đề đặt hệ thống điều khiển phải áp dụng luật điều khiển cho tốc độ tải bám sát tốc độ đặt phải loại trừ tượng cộng hưởng học.Có nhiều thuật tốn điều khiển tối ưu, thích nghi khác thuật tốn Gen, thuật tốn thích nghi tự chỉnh dùng phương pháp áp đặt cực, điều khiển PID, dùng điều khiển mờ Tuy nhiên việc điều khiển thực có đầy đủ số lượng cảm biến (sensor) để đo lường trạng thái hệ, chí có trạng thái hệ đo lường cảm biến Để giải vấn đề cần phải sử dụng quan sát để ước lượng trạng thái hệ Đó lý chọn đề tài "Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm" Luận văn được chia thành chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ truyền động khớp nối mềm Chương 2: Giải pháp mặt điều khiển cho hệ truyền động khớp nối mềm Chương 3: Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm Chương 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực mơ hình truyền động khớp nối mềm PP400 Các kết luận kiến nghị Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Bùi Chính Minh đã hướng dẫn tận tình, bảo cặn kẽ để hoàn thành luận văn này CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô Khoa điện, Khoa sau Đại học Ban Giám Hiệu đóng góp nhiều ý kiến tạo điều kiện thuận lợi mặt để tơi hồn thành khóa học Thái Ngun, ngày 06 tháng 11 năm 2010 Tác giả luận văn Đặng Ngun Bình CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 1.1 Khái niệm khớp nối khớp nối mềm: 1.1.1 Khớp nối 1.1.2 Khớp nối mềm Khi nói đến khớp nối người ta thường coi khớp nối cứng hoàn toàn Nhưng thực tế hai phần khớp nối tồn vài sai lệch gây phản lực phát tiếng ồn, rung động, chí gẫy trục Khớp nối gọi khớp nối mềm 1.2 Đặc điểm số loại khớp nối 1.2.1 Khớp nối kiểu đai truyền 1.2.2 Khớp nối kiểu xích 1.2.3 Khớp nối kiểu bánh ăn khớp 1.3 Độ cứng khớp nối 1.4 Hiện tượng cộng hưởng hệ thống truyền động khớp nối mềm Hiện tượng cộng hưởng xuất hệ thống hoạt động tạo âm giống âm từ âm thoa, số máy móc phát tiếng gầm Ngun nhân tượng cộng hưởng mềm dẻo đàn hồi phận nối động tải Khi tần số dao động cưỡng tần số dao động riêng tượng cộng hưởng xảy 1.5 Các giải pháp mặt học khắc phục tượng cộng hưởng 1.5.1 Tăng độ cứng phận nối từ động đến tải 1.5.2 Thay đổi tỷ lệ quán tính tải động 1.6 Kết luận chương CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa CHƯƠNG GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 2.1 Mơ tả tốn học hệ truyền động khớp nối mềm Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp nối mềm bỏ qua bS 2.2 Bộ điều khiển PID Hình 2.4 Bộ điều khiển PI áp dụng cho hệ truyền động khớp nối mềm 2.3 Sử dụng lọc 2.3.1 Bộ lọc thông thấp 2.3.2 Bộ lọc dải hẹp 2.3.3 Bộ lọc bậc hai 2.4 Điều khiển PI kết hợp phản hồi mômen xoắn 2.5 Phương pháp dùng biến thể PID 2.5.1 Bộ điều khiển I-P 2.5.2 Bộ điều khiển I-PD 2.6 Hệ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Trên hình vẽ 2.12 2.13 sơ đồ phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger để quan sát trạng thái: góc lệch vị trí tải-vị trí động cơ, tốc độ CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa tải, tốc độ động lọc Kalman để quan sát trạng thái: mô men tải, mô men xoắn trục động cơ, tốc độ tải, tốc độ động Hình 2.12 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm Với quan sát trạng thái Luenberger, phải sau khoảng thời gian định T phát thay đổi trạng thái đối tượng Điều có nghĩa sử dụng nhiễu tác động vào hệ thống nhiễu tức thời khoảng thời gian hai lần nhiễu tác động không nhỏ T Bộ lọc Kalman khắc phục nhược điểm việc xây dựng lọc có tính đến nhiễu ngẫu nhiên tác động vào hệ thống Tuy nhiên việc thiết kế quan sát Luenberger tương đối đơn giản so với quan sát Kalman Hình 2.13 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm 2.7 Kết luận chương CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 3.1 Thiết kế khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực 3.1.1 Điều khiển hồi tiếp trạng thái Hệ thống có điều khiển hồi tiếp trạng thái hệ có phản hồi âm biến trạng thái thông qua điều khiển K Xét đối tượng mô tả dạng phương trình trạng thái sau:   X = A X + B.u  Y = C X + D.u (3.1) Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái mơ tả hình 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái 3.1.2 Phương pháp áp đặt cực cho hệ điều khiển hồi tiếp trạng thái • Xác định ma trận hồi tiếp trạng thái K : + Tính K cách cân hệ số phương trình đặc trưng Trình tự thiết kế: - Bước 1: Thành lập ma trận điều khiển P=[ B AB A2B … An-1 B ] (3.9) - Bước : Viết phương trình đặc trưng hệ thống hồi tiếp trạng thái: Det [sI – A + BK ] = ; CBHDKH: TS Bùi Chính Minh (3.10) Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Bước : viết phương trình đặc trưng mong muốn: - n ∏ (s − p ) = (3.11) i i =1 Cân hệ số phương trình đặc trưng (3.10) (3.11) tìm vector tiếp trạng thái K + Tính K cách áp dụng công thức Ackermann - Bước : Thành lập ma trận điều khiển P=[ B AB A2B … An-1 B ] (3.12) Bước : Viết đa thức đặc trưng mong muốn - n Φ ( s) = ∏ ( s − pi ) = s n + a1 s n−1 + + an−1 s + an (3.13) i =1 Trong pi (i= n ) điểm cực mong muốn - Bước : Tính K cơng thức Ackermann K = [0 … 1] P-1 Φ (A) (3.14) • Sơ đồ tín hiệu cơng thức Mason • Các vùng điểm cực Những điểm cực nằm gần trục ảo bên nửa trái mặt phẳng phức s có tính chất định tới đặc tính độ hệ thống Trái lại, điểm cực xa trục ảo suy giảm nhanh không ảnh hưởng lớn đến trình độ 3.1.3 Các chuẩn tối ưu hố đáp ứng q độ • Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) • Tiêu chuẩn tích phân tích số thời gian giá trị tuyệt đối sai lệch ( ITAE ) Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh tối ưu làm cực tiểu tích phân sau đây: ∞ ∫ t e(t ) dt CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Để đáp ứng độ hệ thống bậc n tối ưu theo tiêu chuẩn ITAE mẫu số hàm truyền kín hệ thống bậc n phải có dạng : Bậc Mẫu số hàm truyền s + ωn s + 1,414.ω n s + ω n s + 1,75.ω n s + 2,15.ω n s + ω n s + 2,1.ω n s + 3,4.ω n s + 2,7.ω n s + ω n Bảng 3.1 Dạng tối ưu hàm truyền mạch kín dựa tiêu chuẩn ITAE Nếu mẫu số hàm truyền hệ kín có dạng tử số hàm truyền hệ kín n ωn đáp ứng độ hệ thống tối ưu sai số xác lập 3.1.4 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực cho hệ truyền động khớp nối mềm - Phương trình trạng thái hệ thống: • X (t ) = A X (t ) + B.TM (t ) + E.TL (t ) (3.17) Y (t ) = C X (t ) Trong vectơ đầu Y= ωM Vectơ trạng thái X = [ ϖ M ϖ L θ12 ] T Với θ12 = θ M − θ L KS    0 − J  M J   KS   M A = 0 ; B=  JL   1 −            ;    CBHDKH: TS Bùi Chính Minh     E = −  ; C = [1 0]  JL      (3.18) Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10 Chun ngành tự động hóa Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái áp đặt cực cho hệ truyền động khớp nối mềm Vấn đề đặt tìm K1, K2, K3, KI: Xác định hàm truyền tốc độ động với tốc độ đặt theo công thức Mason: Hàm truyền tốc độ tải so với tốc độ đặt: K I Kt ω a ωL JM = KK K K + K K t + J M ω0 K1 K t + K K t K K ω ωr s + t s + I t s + s + I t a JM JM JM JM (3.19) Phương trình đặc tính hệ thống: s4 + K1 K t K I K t + K K t + J M ω0 K1 K t + K K t K K ω s + s + s + I t a = JM JM JM JM (3.20) Giả sử ta áp đặt nghiệm s = s1; s = s2; s = s3; s = s4 ⇒ ( s − s1 )( s − s2 )( s − s3 )( s − s4 ) = ⇒ s + a1.s + a2 s + a3 s + a4 = (3.21) Cân (3.20) (3.21) ta được: KI = J M a4 ωa K t (3.22) K1 = a1 J M Kt (3.23) K2 = a3 J M a1.J M − K tωa Kt (3.24) CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 11 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật K3 = Chuyên ngành tự động hóa 2 a2 J M ω a − a4 J M − J M ω0 ω a a1.J M ω a (3.25) Phương trình (3.19) có dạng: W = a4 s + a1.s + a2 s + a3 s + a4 Theo tiêu chuẩn tối ưu ITAE hệ thống tối ưu mẫu số hàm truyền kín hệ phải có dạng: s + 2,1.ω n s + 3,4.ω n s + 2,7.ω n s + ω n (3.26) Từ (3.21) (3.26) suy : a1 = 2,1.ω n (3.27) a = 3,4.ω n (3.28) a3 = 2,7.ω n (3.29) a4 = ωn (3.30) Từ ωn tính a1, a2, a3, a4 qua (3.27), (3.28), (3.29) , (3.30) Từ xác định Ki, K1, K2, K3 qua (3.22), (3.23), (3.24), (3.25) Tuy nhiên sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển phản hồi trạng thái hình 3.6 thực có đầy đủ cảm biến xác định ba trạng thái tốc độ động cơ, tốc độ tải sai lệch vị trí động tải Trong thực tế, người ta thường gắn cảm biến tốc độ trục động cơ, cảm biến xác định tốc độ tải sai lệch vị trí động tải khó khăn Vì quan sát Luenberger đưa có khả quan sát trạng thái hệ qua tốc độ mô men động 3.2 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực dùng quan sát Luenberger 3.2.1 Bộ quan sát Luenberger Xét đối tượng có mơ hình:   X = A X + B.u   y = C X D=0 (3.31) Phương pháp thiết kế quan sát Luenberger sử dụng mơ hình tương đương đối tượng ma trận L phản hồi sai lệch đầu thật với đầu CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 12 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chun ngành tự động hóa mơ hình, có nhiệm vụ hiệu chỉnh đặc tính mơ hình cho phù hợp với đặc tính đối tượng Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc quan sát Luenberger Phương trình trạng thái quan sát: ˆ  dX ˆ  ˆ = A X + B.u + L( y − y )  dt ˆ  y = C X  ˆ (3.32) Xét sai lệch: ˆ e = (X − X ) (3.33) ˆ Với mong muốn e(t) → để có X ≈ X sau khoảng thời gian đủ ngắn T Phương trình trạng thái mới: ˆ  ˆ ˆ ˆ X = A X + B.u + L.( y − C X ) = ( A − L.C ) X + B.u + L y (3.34) Từ (3.33) (3.34) suy ra: ( ) ( ) ˆ de d X − X ˆ = = A.e − L C X − C X = ( A − L.C ).e dt dt (3.35) Để e(t) → (A-L.C) phải ổn định Để sai lệch e(t) tiến nhanh (tức thời gian cần thiết cho việc thiết kế quan sát tín hiệu vào nhỏ ) giá trị riêng (A-L.C) nằm xa trục ảo Do chủ động tìm L với tốc độ tiến e(t) chọn trước cách xác định L cho (AL.C) có giá trị riêng phù hợp với giá trị Phương pháp xác định L giống phương pháp xác định K L xác định theo phương pháp áp đặt CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 13 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa nghiệm cho nghiệm nằm bên trái nghiệm K nghiệm điều chỉnh phải nghiệm trội, định động học hệ 3.2.2 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger Hình 3.8 Hệ thống phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger • Phương pháp tính ma trận phản hồi trạng thái K: Sử dụng phương pháp áp đặt cực để tính ma trận K, tức phải thiết kế cho ma trận (A-BK) nhận giá trị cho trước s 1, s2, s3,…sn cho trước làm giá trị riêng Các giá trị s1, s2, s3,…sn chọn từ yêu cầu chất lượng cần có hệ thống Để xác định ma trận K cần cân phương trình : n det[ sI − ( A − BK ) ] = ∏ ( s − si ) (3.39) i =0 • Phương pháp tính ma trận L phản hồi sai lệch quan sát trạng thái: Chọn trước n giá trị s1, s2, s3,…sn có phần thực âm ứng với thời gian T mong muốn để quan sát tín hiệu vào Các giá trị s 1, s2, s3,…sn chọn nằm xa trục ảo phía tay trái so với giá trị riêng A, thời gian T ngắn sai lệch e(t) nhanh tiến khơng Sau thực bước giống xác định K 3.2.3 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm phương pháp áp đặt cực theo tiêu chuẩn tối ưu ITAE Việc tính tốn hệ số K 1, K2 ,K3 giống mục 3.1.4 Ở ta xác định ma trận L Ta có : CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14 Chuyên ngành tự động hóa ˆ  ˆ ˆ X = A X + B.TM + L.(ω M − C X ) ; Với  L1  L = L2     L3     ˆ    x1   ˆ   ⇒ x2  = 0  ˆ x     3       ⇒     (3.41) ; KS JM KS JL − −1    ˆ  x1   J  M  * x  +  ˆ  2     x3   ˆ         L1        * TM + L2  * ωx − [1  L3        K T ˆ  ˆ ˆ x1 = − S x3 + M + L1 (ωM − x1 ) JM JM K ˆ  ˆ ˆ x2 = S x3 + L2 (ωM − x1 ) JL ˆ  ˆ ˆ ˆ x3 = x1 − x2 + L3 (ωM − x1 ) ˆ  x1  x  0] *  ˆ   x3   ˆ  (3.42) Từ ta thành lập sơ đồ cấu trúc hình 3.9 Hình 3.9 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm - Xác định ma trận L: Xét phương trình đặc tính quan sát : λ I − ( A − L.C ) = (3.43) Với I ma trận đơn vị CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 15 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa   K   0 − S   JM  1 0    L1     KS    ⇒ λ 0 0 −  0 −  L2 .[1 0]  =    JL   0         −1   L3           K  K K K ⇒ λ3 + L1λ2 +  S − S ( L3 − 1) .λ + L1 S + L2 S = J  JL JM  L JM  (3.44) Giả sử phương trình đặc tính mong muốn : λ3 + b1λ2 + b2 λ + b3 = (3.45) Cân (3.44) (3.45):          L1 = b1  K J L2 = b3 − b1 S  M  JL  KS    KS  JM L3 =   J − b2  K +1   L  S (3.46) 3.3 Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm kết mơ phỏng: 3.3.1 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm MO HINH HOA HE THONG TRUYEN DONG KHOP NOI MEM SO SANH TOC DO TAI VOI BO DIEU KHIEN PI DONG CO - KHOP NOI MEM - TAI TLdat = 0.35(NM ) T = 0.5 (Sec) TL (Tai) S.Lech wdat =700(v/p) T = (Sec) Wn Kt D.Khien Saturation BO DIEU KHIEN PI TM (Tmotor) WLoad Scope1 n Workspace Hình 3.16 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển PI cho hệ truyền động khớp nối mềm CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 16 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa MO HINH HOA HE THONG TRUYEN DONG KHOP NOI MEM DUNG BO DIEU KHIEN PI-LUENBERGER OBSERVER TLdat = 0.35(NM) T= 0.5 (Sec) Scope DONG CO - KHOP NOI M EM - TAI n1 Wm TL (Tai) S.Lech D.Khie n Kt BO DIEU KHIEN PI Workspace1 WLoad Tm* TM (Tmotor) Tshaft.Ob Saturation Scope5 SS_n3 He so K1 W orkspace5 wdat =700(v/p) T= (Sec) K1 BO QUAN SAT LUENBERGER He so K3 K3 K3 He so K2 Scope2 SS_n2 Wm(motor) W orkspace2 K2 K2 WDcQsTm(motor) Scope3 SS_n W orkspace3 Hình 3.17 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm 3.3.2 Kết mơ phỏng: • Kết mơ sử dụng điều khiển PI kết hợp với phản hồi momen xoắn cho khớp nối mềm: SO SANH TOC DO TAI VA DO CO CUA BO DIEU KHIEN PI 900 800 700 Toc dat Toc n ( vong/phut ) 600 Toc tai voi bo dieu khien PI 500 n-PI-D.Co n-PI-Tai n-dat 400 300 Toc Dong co voi bo dieu khien PI 200 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Thoi Gian t ( s ) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.18 So sánh tốc độ tải tốc độ động hệ khớp nối mềm sử dụng điều khiển PI kết hợp với phản hồi momen xoắn CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17 Chuyên ngành tự động hóa Nhận xét: Khi sử dụng điều khiển PI kết hợp với khâu phản hồi momen xoắn cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy thời kỳ độ độ điều chỉnh tốc độ hệ tương đối lớn nhiên đến thời điểm xác lập tốc độ động cơ, tốc độ tải bám sát bám sát giá trị đặt • Kết mơ sử dụng điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm: SO SANH TOC DO TAI VA DO CO CUA BO DIEU KHIEN PI-LUENBERGER OBSERVER 800 Toc dat 700 600 Toc n ( vong/phut ) Tốc độ động Tốc độ tải 500 Tốc độ đặt Tốc độ tải với điều khiển phản hồi trạng Toc tai voi bo dieu khien PI - Luenberger thái dùng quan sát Luenberger 400 300 200 Tốc độ động với điều khiển phản hồi Toc Dong co voi bo dieu khien PI - Luenberger trạng thái dùng quan sát Luenberger 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Thoi Gian t ( s ) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.22 So sánh tốc độ tải tốc độ động ứng với điều khiển phản hồi trạng thái dùng dùng quan sát Luenberger Nhận xét: Khi sử dụng điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy tốc độ động bám sát tốc độ tải với độ điều chỉnh bé, thời gian xác lập ngắn CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18 Chun ngành tự động hóa • Kết mô so sánh điều khiển PI điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm SO SANH TOC DO TAI BO DIEU KHIEN PI VA PI-LUENBERGER 900 800 Tốc độ tải với điều khiển PI Toc tai voi bo dieu khien PI-Luenberger 700 Toc n ( vong/phut ) 600 Toc dat 500 Tốc tai voi bo dieu khien PI-Luenberger Toc độ tải với điều khiển phản hồi 400 trạng thái dùng quan sát Luenberger 300 200 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Thoi Gian t ( s ) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.23 So sánh tốc độ tải ứng với điều khiển PI điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger Nhận xét: Qua tiêu chất lượng thu từ hai điều khiển ta thấy điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm có đáp ứng tốc độ tải tốt nhiều so với sử dụng điều khiển PI CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19 Chuyên ngành tự động hóa CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THÍ NGHIỆM THỰC TRÊN MƠ HÌNH TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM PP400 4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 Hệ thống truyền động khớp mềm PP400 hãng KentRidge Instruments sản xuất Bộ PP400 hình vẽ 4.1 bao gồm: Hình 4.1 Hệ truyền động PP400 - Động servo chiều sinh mơ men động T m có mơ men quán tính JM - Khới nối mềm hợp kim khơng cứng tuyệt đối có độ cứng K s, nối trục động trục tải - Tải đĩa kim loại có gắn vành khuyên kim loại để thay đổi mô men quán tính tải JL - Hệ thống tạo lực ma sát gắn trục tải để tạo mô men tải TL - Ngồi hệ thống cịn có encoder động máy phát tốc(Tacho) để đo tốc độ động cơ, encoder tải để đo tốc độ tải Phần thực nghiệm luận văn không dùng card chuyên dụng, mà dùng Card NI6014 hãng National Instruments ghép vào cổng PCI máy tính mạch lực tự thiết kế Sau nêu thông số phần tử thiết bị: • Động servo chiều: CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 20 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa Nhãn hiệu: MTK-2250-BLBAN Điện áp cực đại : 40Vdc Tốc độ cực đại : 5000 vịng/phút Mơ men định mức : 0,35 Nm Mơ men cực đại : 2,12 Nm Dịng định mức : 5,5 A Dòng cực đại : 30 A Điện trở phần ứng : 0,9 Ω Điện cảm : 2,5mH Mơ men qn tính : 7,455.10-5kgm2 • Khớp nối mềm: hợp kim có độ cứng Ks=0,28 N/rad • Tải: Đĩa kim loại có mơ men qn tính JL=8,878.10-5kgm2 • Máy phát tốc chiều (Tacho) • Encoder động encoder tải 4.2 Card NI6014 Hình 4.2 Sơ đồ khối phần tử Card NI6014 CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình 21 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa 4.2.1.Đầu vào tương tự(AI) 4.2.2.Đầu tương tự (AO) 4.2.3.Cổng vào số (DIO) 4.2.4 Counter 4.2.5.Các đầu vào chức khả trình (Programmable Function InterfacePFI) 4.3 Thiết kế mạch lực mạch điều khiển 4.3.1 Thiết kế mạch lực Hình 4.4 Sơ đồ mạch cầu băm xung áp chiều Điều khiển động chiều mạch băm xung áp chiều, sơ đồ cầu Đây sơ đồ mạch băm xung đảo chiều tốc độ động 4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển • Mạch tạo xung điều khiển Hình 4.8 Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đóng mở van bán dẫn CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 22 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa 4.4 Sơ đồ tổng thể thiết bị thí nghiệm Máy Tính (Simulink) PCI bus Card NI6014 Tốc độ phản hồi, dòng điện phản hồi udk Mạch lực mạch điều khiển Điện áp đặt lên động Động cơ, khớp nối tải(PP400) encoder, Shun Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm Máy tính giao tiếp với Card NI6014 qua bus PCI, phần mềm SimulinkMatlab Tín hiệu đặt tốc độ đặt máy tính Tín hiệu đo tốc độ động cơ, tốc độ tải, dòng điện động Dòng điện đo cách đo điện áp phản hồi điện trở Shun sau qua khâu khuếch đại.Tín hiệu vào đầu AI Card NI614 chuyển thành tín hiệu số, đưa lên máy tính, làm tín hiệu vào cho lọc ước lượng trạng thái Vịng điều chỉnh tốc độ tính tốn máy tính thơng qua chương trình realtime workshop Simulink, đưa tín hiệu điều khiển đến Card nhờ biến đổi DAC Card tín hiệu điều khiển đưa xuống dạng tương tự Tín hiệu so sánh với tín hiệu xung cưa mạch điều khiển Qua khâu so sánh tín hiệu có dạng xung đóng mở van bán dẫn thực băm xung điện áp CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 23 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa 4.5 Các sơ đồ Simulink hệ thí nghiệm thực mơ hình truyền động khớp nối mềm PP400 Ki 100 700 Đặt tốc độ Khõu s PI Gain4 Khâu I Counter Input Encoder T¶i Bï K2 K2 K3 K3 K1 National Instruments National Instruments PCI-6014 [auto] PCI-6014 [auto] TÝnh to¸n tèc ®é Scope Scope Wm Out1 KP = 0,1 ; KP = 0,8486 K3 dc Counter Input Encoder ®éng c¬ In1 Out1 National Instruments PCI-6014 [auto] K2 Analog Output Saturation TÝn hiƯu Kt In1 TÝnh to¸n tèc độ Tm Bộ quan sát luenberger K1 Analog Input Mô men Scope K Gain National Instruments PCI-6014 [auto] Hình 4.12 Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 thuật toán điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger 4.6 Kết luận chương Chương nghiên cứu thiết kế hệ thống thí nghiệm thực mơ hình truyền động khớp nối mềm PP400 gồm động servo, khớp mềm tải Sử dụng Card NI6014 để thu thập tín hiệu từ hệ thống máy tính đưa tín hiệu từ máy tính điều khiển động Thiết kế mạch lực liên kết Card NI6014 với hệ thống khớp mềm PP400 để tạo thành hệ thống điều khiển hoàn chỉnh Trên sở hệ thống cho phép thực thí nghiệm hệ truyền động khớp nối mềm PP400 với thuật toán điều khiển khác tiện lợi CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình 24 Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua phân tích lý thuyết, thiết kế mơ với điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy điều khiển giải vấn đề giảm bớt số lượng sensor ước lượng trạng thái hệ không đo lường cảm biến mà cịn cho đường đặc tính tốt.Mặt khác phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát giúp người thiết kế biết hướng điều chỉnh thông số theo tiêu đặt Từ thấy vai trò quan trọng quan sát Luenberger điều khiển KIẾN NGHỊ Trên sở mô chương thiết kế hệ thí nghiệm thực mơ hình truyền động khớp nối mềm PP400 để từ tiếp tục xây dựng hệ thí nghiệm thực nhằm đánh giá lại lại kết mô thực Tiếp tục nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có xét đến tính phi tuyến khớp nối mềm CBHDKH: TS Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Ngun Bình ... khớp nối mềm Chương 3: Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm Chương 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực mơ hình truyền động khớp nối mềm PP400... Ngun Bình Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18 Chun ngành tự động hóa • Kết mô so sánh điều khiển PI điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm SO SANH... THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 3.1 Thiết kế khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực 3.1.1 Điều khiển hồi tiếp trạng thái Hệ thống có điều khiển hồi tiếp