Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu phương pháp điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực

Đối với hệ thống giảm chấn loại này, trong quá trình sử dụngcần phải bảo dưỡng lão hóa gioăng phớt, thay thế dầu, khả năng giảm chấnphụ thuộc vào nhiệt độ dầu giãn nở, mặt khác khả năng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

-Hệ thống giảm chấn (Suspension System) là hệ thống có nhiệm vụ dập

tắt các dao động nhằm chống sóc 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) Trước đây trong các hệ thống giảm chấn người ta

thường sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động sử dụng thủy lực, các hệthống này có nhược điểm là sử dụng lực cản dịu do pit tông chuyển độngtrong 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 dụngcần phải bảo dưỡng (lão hóa gioăng phớt, thay thế dầu), khả năng giảm chấnphụ 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 daođộng không thể điều chỉnh được vì không thể đưa thêm nguồn năng lượngbên ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu này được, chính vì vậy nó đượcgọi là giảm chấn thụ động Để khắc phục nhược điểm đó người ta phát triển

hệ thống giảm chấn thủy lực tích cực, 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 làcần thêm máy bơm dầu, các van điều chỉnh áp lực dầu và bộ điều khiển áp lựcdầu trong quá trình làm việc sẽ dẫn tới đáp ứng động học của hệ chậm vànhiều khi ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ

-Trong những năm gần đây xu hướng sử dụng hệ thống giảm chấn tíchcực điện từ thay thế cho các hệ thống giảm chấn thủy lực đang được nghiêncứu và triển khai Thay vì sử dụng hệ thống xi lanh và pit tông dầu để tạo ra

và điều chỉnh lực cản dịu nhằm dập tắt dao động thì người ta sử dụng động cơ

để điều chỉnh lực cản dịu[2] Để điều chỉnh lực cản dịu một cách linh hoạt vềchiều, cường độ và thời gian dập tắt dao động người ta có thể dùng động cơ

để tạo chuyển động quay, ví dụ như có thể sử dụng động cơ xoay chiều đồng

bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM permanent magnet synchronous machine) [5].Bên cạnh đó, xu hướng sử dụng động cơ tuyến tính để tạo lực thẳng một cáchtrực tiếp cũng đã và đang được nghiên cứu

Việc sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực điện từ đã khắc phục đượccác ưu nhược điểm của hệ thống giảm chấn thủy lực và mang lại những ưuđiểm như sau:

 Kích thuớc nhỏ gọn

 Khả năng đáp ứng nhanh về chiều và cường độ khi tạo lực cản dịu

 Độ bền cao hơn so với các hệ thống giảm chấn thủy lực

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

Nhược điểm: Để điều khiển linh hoạt về chiều và cường độ thì thuậttoán điều khiển phức tạp, cần sử dụng thêm cảm biến vị trí và cảm biến giatốc để xác định lực cản dịu trong quá trình dập tắt dao động

Chính vì vậy trong các nghiên cứu gần đây các nhà khoa học đã vàđang tập trung tìm kiếm các giải pháp điều khiển với mục đích điều chỉnh linhhoạt về chiều, cường độ và thời gian dập tắt dao động nhằm đáp ứng yêu cầuđặt ra đối với các hệ thống giảm chấn tích cực áp dụng trong từng ứng dụngkhác nhau[3][4][5] Trong luận văn này tác giả dự định sẽ nghiên cứu phươngpháp điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấntích cực sử dụng động cơ tuyến tính theo năng lượng yêu cầu Hệ thống giảmchấn tích cực được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt là trên cácphương tiện vận tải, cho các hệ thống bệ đỡ cho các thiết bị tránh rung độngnhư 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 với mục đích điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắtdao động cho hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính theonăng lượng yêu cầu

- 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 để điều khiển linh hoạtlực cản dịu về chiều và độ lớn để dập tắt dao động theo yêucầu

 Mô phỏng và đánh giá

 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 tíchcực sử dụng động cơ tuyến tính

 Thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điềukhiển PD mờ thích nghi

 Thiết kế các bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho động cơtuyến tính tạo lực giảm chấn

 Xây dựng được mô hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụngđộng 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 hệthống 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 dụngcủa động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực Nộidung này trình bày trong chương 1 của luận văn

b Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định cácthông số ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống giảm chấn Xâydựng mô hình liên quan giữa lực đẩy của động cơ và dòng điệncủa động cơ tuyến tính Xây dựng mô hình tổng quát của hệ thốnggiảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính Nội dung nàyđược 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 PD mờ thích nghi Tác động điều khiển được thựchiện tính toán thông qua các sai lệch đo được để cho ra tín hiệuđưa tới động cơ nhằm thực hiện lực giảm chấn sao cho thời giandập tắt dao động là nhanh nhất Bộ điều khiển được mô phỏng

trên Matlab/Simulink Nội dung này được thực hiện ở chương 3của luận văn.

d Xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực tế tại phòngthí nghiệm bộ môn Đo lường – Điều khiển, khoa điện tử Hệthống được điều khiển bằng Matlab/Simulink điều khiển thực,thuật toán điều khiển được viết và cài đặt trên nền simulink Cáckết quả thí nghiệm phản ánh tính đúng đắn của thuật toán và môhình hệ thống giảm chấn tích cực đã xây dựng

Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chương với bố cục nhưsau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giảm chấnChương 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cựcChương 3: Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động cho hệthống giảm chấn tích cực

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

Phần cuối là kết luận chung của đề tài.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống giảm chấn

1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn ,

Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động vànhanh chóng duy trì ổn định của hệ thống Trong các phương tiện vận tải, ví

dụ như ôtô, hệ thống giảm chấn người ta còn gọi là hệ thống treo, hệ thốngnày có nhiệm vụ làm giảm ảnh hưởng của lực tác động ở bề mặt đường lênsàn và thân xe, giúp duy trì thân xe và sàn xe cân bằng, giảm bớt sự khó chịucho con người khỏi những chấn động và những va chạm không biết trước từmặt đường tác động lên xe qua lốp xe Mô hình hệ thống giảm chấn điển hìnhđược mô tả như hình vẽ sau đây:

1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn

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 đượcmiêu tả như sau:

động điều chỉnh được 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

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 bánchủ động Hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động là hệ thống giảm chấnthụ động có sử dụng thêm một phần tử cản dịu chủ động như minh họa ởhình vẽ sau, phần tử cản dịu chủ động thường là cơ cấu điện từ Hệ thống nàythường dùng cho các hệ thống lớn cần tăng tốc độ đáp ứng của lực cản dịu

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

 Lực cản dịu để dập tắt dao động được tạo ra trực tiếp từ nguồnđiện mà không qua một khâu trung gian truyền dẫn cơ khí nênđáp 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 ứngđộng học của hệ thống được nâng cao, đáp ứng được với các daođộng với các dải tần rộng

 Có khả năng điều chỉnh chính xác các lực cản dịu với đáp ứngyêu 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 cácthiết bị

 Tuổi thọ và độ bền cao, giảm thiểu nhu cầu cần bảo dưỡng trongquá trình sử dụng

1.4 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 chuyểnđộng lên xuống, động cơ quay đó có thể là động cơ servor tuy nhiên nhượcđiểm của phương pháp này là tồn tại ma sát giữa các bánh răng, tốc độ chậm

và kém linh hoạt Hiện nay xu hướng xử dụng động cơ tuyến tính tạo chuyểnđộng 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 điềukhiển bằng các thuật toán điều khiển cho phép dập tắt các dao động của hệthống một cách có hiệu quả

1.5 Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực, các xu hướng thiết kế

bộ điều khiển

Hệ thống giảm chấn tích cực có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, và

đa số xuất hiện trong các ứng dụng ở phương tiện vận tải như:

- Hệ thống treo của oto và cân bằng sàn xe hệ thống treo của ôtô hay là

hệ thống giảm sóc nhằm ổn định cân bằng sàn xe và loại bỏ sự ảnhhưởng của lực tác động từ mặt đường lên sàn xe khi xe đang chuyểnđộng

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ưu điểmcủa hệ thống giảm chấn tích cực và hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơcấu điện từ Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực trong thực tế Từcác 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 hệthống giảm chấn tích cực hiện nay Qua đó trình bày về tính cấp thiết vềnghiên cứu điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyếntính 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 Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực

2.1 Phương trình động học hệ thống giảm chấn tích cực

Hình 0-1 Mô hình hệ thống giảm chấn thụ động

Gọi kt là độ cứng của của phần tử lò xo liên hệ giữa bề mặt tạo daođộng và khối treo, mus là khối lượng của khối treo, k bs, s lần lượt là độ cứng

của phần tử lò xo và hệ số cản dịu của khối cản dịu, ms là khối lượng củakhối thân trên

Đặt các biến trạng thái: d là nhiễu tác động từ bên ngoài vào gây radao động, xus là khoảng dịch chuyển của khối treo và xs là khoảng dịchchuyển của khối thân trên Phương trình động học của hệ thống giảm chấnthụ động được mô tả như sau:

Trong phương trình ta vẫn để nguyên hệ số cản dịu bs, khi phân tích đối với

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

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

 Khối lượng khối treo: m us 50kg

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

 Hệ số cản dịu của khối cản dịu: b s 1000 /N m s/

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

Sử dụng Matlab/simulink để mô phỏng, các khối bên trong và các tham

số của của hệ thống giảm chấn tích cực như trên các hình sau

Các hình vẽ sau mô tả đáp ứng của hệ với các nhiễu loạn khác nhautrong 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

-0.02 0 0.02

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04

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

Hình 2-6 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) thànhphần xus(t) dao động có dạng gần giống với dạng dao động của d(t), dạng gầngiống 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 tửcản 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 chấnkhi 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

-0.1 -0.05

0 0.05 0.1

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

Hình 2-7 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động có dạng

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:

2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống

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 uốncong tạo thành hình tròn, do vậy các dòng điện trong stator sẽ sinh ra một từtrường dịch chuyển làm di chuyển rotor theo phương ngang, qua đó tạochuyển động thẳng

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 trínào của phần di chuyển

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

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

Uabc

Ft

Teta i_abc Phi_abc Fe x idq udq

Mô hình của động cơ tuyến tính như hình vẽ sau, trong đó đầu vào Uabc

là điện áp pha A, B, C cấp cho LBM, Ft là mô men cản (gây ra do khối lượngcủa khối treo), các đầu ra là các dòng điện iabc, abc, lực do LBM tạo ra Fe,chiều dài di chuyển của rotor x, các dòng điện và điện áp trên hệ tọa độ dq

,

dq dq

i u và góc quay quy đổi

Hình 2-13 Mô hình LBM thực hiện bằng Matlab/Simulink

Kết quả mô phỏng phản ứng của LBM với điện áp

Uabc đưa vào các cuộn dây stator, bảng tham số vật lý của

động cơ như bảng sau: