Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi cho hệ truyền động có khe hở

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - DƢƠNG ĐĂNG PHONG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MỤC LỤC MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .3 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Giới thiệu 1.1 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 1.1.1 Truyền động xác 1.1.2 Truyền động tốc độ cao 1.1.3 Truyền động công suất lớn 1.1.4 Độ hở mặt bên 1.2 NHỮNG ẢNH HƢỞNG TÁC ĐỘNG ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 1.2.1 Ảnh hƣởng đàn hồi đến phần hệ thống truyền động 13 1.2.2 Ảnh hƣởng ma sát hệ thống truyền động 14 1.2.3 Ảnh hƣởng khe hở hệ thống truyền động .15 1.3 NHỮNG ĐẶC TRƢNG ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG 18 1.3.1 Điều kiện ăn khớp 19 1.3.2 Điều kiện ăn khớp trùng .19 1.3.3 Điều kiện ăn khớp khít 20 1.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC 22 1.4.1 Xây dựng mô hình toán học theo đặc trƣng ăn khớp cặp bánh 22 1.4.2 Xây dựng mô hình toán xét tới yếu tố đàn hồi c momen ma sát Mms 24 Kết luận chƣơng .28 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 29 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 29 2.1.1 Cấu trúc chung hệ thống điều khiển 29 2.1.2 Các tiêu đánh giá chất lƣợng hệ điều khiển 30 2.1.3 Các hệ điều khiển kinh điển 32 2.2 ĐIỀU KHIỂN PID TUYẾN TÍNH 35 2.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân 35 2.2.2 Các điều khiển tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân, tỷ lệ vi tích phân 39 2.2.3 Các điều khiển PID số 44 2.3 Điều khiển PID phi tuyến .46 2.3.1 Mô tả hệ phi tuyến 46 2.3.2 Đặc điểm hệ phi tuyến 46 2.3.3 Các khâu phi tuyến điển hình .48 2.4 ĐIỀU KHIỂN MỜ KINH ĐIỂN VÀ LOGIC MỜ 57 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2.4.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ 57 2.4.2 Định nghĩa tập mờ 58 2.4.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ .60 2.4.4 Suy luận mờ luật hợp thành 60 2.4.5 Cấu trúc điều khiển mờ 62 2.4.6 Phân loại điều khiển mờ mờ .69 2.5 ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 70 2.5.1 Hệ điều khiển thích nghi mờ 70 2.5.2 Hệ điều khiển mờ lai 71 2.5.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PD .73 2.5.4 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 73 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ .75 3.1 KHÁI QUÁT .75 3.2 ẢNH HƢỞNG CỦA BÁNH RĂNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYẾN ĐỘNG 75 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh 75 3.2.2 Mô hoạt động bánh 76 3.2.3 Mô quan hệ mô men hệ bánh 78 3.3 THIẾT KẾ PID KINH ĐIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 79 3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 79 3.3.2 Mô hình toán học động điện chiều kích từ độc lập 80 3.3.3 Bộ chỉnh lƣu 82 3.3.4 Máy phát tốc 83 3.3.5 Biến dòng .83 3.3.6 Thiết kế mạch vòng dòng điện 83 3.3.7 Thiết kế mạch vòng tốc độ 85 3.3.8 Kết mô 86 3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 87 3.4.1 Cấu trúc điều khiển thích nghi mờ 87 3.4.2 Kết mô 88 3.5 Nhận Xét 90 CHƢƠNG 4: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 91 4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm: 91 Máy tính Pentum IV- phần mềm Matlab 7.04 phần mềm ControlDesk Verson 5.0 91 Card DSPACE 1104 92 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Driver servo motor Midi-Maestro 140x14/28 92 Cặp bánh tự chế tạo: 93 Động điện chiều kích từ độc lập : .93 Tải: động dị pha làm việc chế độ hãm .94 Hai sensơ tốc độ (Encoder): loại 1000 xung/vòng đƣợc gắn với trục chủ động bị động .94 4.2 Kết thực nghiệm nhƣ sau: 96 4.2.1 Kết thí nghiệm với điều khiển PID 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .99 Kết luận 99 Kiến nghị .99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Một số hệ truyền động có khe hở Hình 1.2 Mô hình hai khối lƣợng có liên hệ đàn hồi Hình 1.3 a,b Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lƣợng có liên hệ đàn hồi Hình 1.4 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động 11 Hình 1.5 Đặc tính logarit hệ thống 12 Hình 1.6 Mối quan hệ ma sát khô vận tốc 14 Hình 1.7 Mô hình vật lý khe hở 15 Hình 1.8 Đặc tính Deadzone 16 Hình 1.9 Mô hình ăn khớp bánh 18 Hình 1.10: Mô hình cặp bánh ăn khớp 19 Hình 1.11: Mô hình cặp bánh ăn khớp trùng 20 Hình 1.12 Mô hình cặp bánh ăn khớp tâm ăn khớp P 21 Hình 1.13: Mô hình truyền động bánh phẳng 22 Hình 1.14 Sơ đồ truyền động 24 Hình 1.15 Sơ đồ tính toán động lực học 25 Hình 1.16: Sơ đồ động lực học 27 Hình 2.1 Cấu trúc chung hệ thông điều khiển 30 Hình 2.2: Thể đặc tính sai số xác lập 31 Hình 2.3 Đặc tính lƣợng điều chỉnh 31 Hình 2.4 Thể đặc tính thời gian độ 32 Hình 2.5 Thể đặc tính số lần dao động 32 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỷ lệ Kp 36 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tích phân Ki 37 Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vi phân Kd 39 Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 42 Hình 2.10 Khâu có vùng nhạy 49 Hình 2.11 Khâu hạn chế (bão hòa) 49 Hình 2.12 Khâu hạn chế có vùng nhạy 50 Hình 2.13 Khâu kiểu rơ le hai vị trí 50 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 2.14 Khâu kiểu rơ le ba vị trí 51 Hình 2.15 Khâu biến đổi A-D 51 Hình 2.16 Khâu kiểu rơ le hai vị trí có trễ 51 Hình 2.17 Khâu kiểu rơ le ba vị trí có trễ 52 Hình 2.18a;b Khâu kiểu khe hở 53 Hình 2.18c;d Khâu kiểu khe hở 54 Hình 2.18e Khâu kiểu khe hở 55 Hình 2.19a;b;c Khâu kiểu gối tỳ 55 Hình 2.19d;e Khâu kiểu gối tỳ 56 Hình 2.20: Khâu kiểu từ trễ 57 Hình 2.21: Một số dạng hàm liên thuộc 58 Hình 2.23 Quan hệ điểu khiển Y X 60 Hình 2.24 Hàm khoảng giá trị 60 Hình 2.25: Sơ đồ khối điều khiển mờ 62 Hình 2.26: Hàm liên thuộc luật hợp thành 65 Hình 2.27: Giải mờ phƣơng pháp cực đại 67 Hình 2.28: Giải mờ theo nguyên tắc trung bình 67 Hình 2.29: Giải mờ theo nguyên tắc cận trái 68 Hình 2.30: Giải mờ theo phƣơng pháp cận phải 68 Hình 2.31: Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 68 Hình 2.32: Sơ đồ cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 70 Hình 2.33: Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi 71 Hình 2.34: Mô hình điều khiển mờ lai kinh điển 72 Hình 2.35: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 73 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh 76 Hình 3.2 Hệ truyền động qua bánh thực tế 76 Hình 3.3: Sơ đồ mô hệ truyền động bánh 77 Hình 3.4: Đặc tính tốc độ bánh chủ động bị động 77 Hình 3.5: Sơ đồ mô quan hệ mô men cặp bánh 78 Hình 3.6 Cấu trúc chung hệ điều chỉnh tốc độ sử dụng hệ chấp hành T-Đ 79 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động 79 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 3.8 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 81 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 84 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Ea = 0) 85 Hình 3.11: Sơ đồ mô hệ truyền động qua bánh sử dụng PID kinh điển 86 Hình 3.12: Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng PID kinh điển 86 Hình 3.13: a) Cấu trúc hệ thống điều khiển; b) Cấu trúc điều khiển cấu thích nghi 88 Hình 3.14: Hàm liên thuộc đầu vào đầu điều khiển mờ 88 Hình 3.15: Quan hệ vào – điều khiển mờ 89 Hình 3.16: Sơ đồ mô hệ truyền động bánh sữ dụng điều khiển mờ thích nghi 89 Hình 3.17: Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng điều khiển mờ thich nghi 90 Hình 3.18: Đặc tính tốc độ hệ truyền động qua bánh sử dụng PID kinh điển sử dụng điều khiển mờ thích nghi 90 Hình 4.1 Máy tính Pentum IV 91 Hình 4.2: Card DSPACE 1104 92 Hình 4.3: Bộ biến đổi công suất Driver DC Servo motor 93 Hình 4.4: Cặp bánh tự chế tạo 93 Hình 4.6: Tải 94 Hình 4.7: Sensơ tốc độ 94 Hình 4.8 Bàn thí nghiệm, phần nguồn, kết nối máy tính điều khiển 95 Hình 4.8: Sơ đồ khối hệ thống thực 95 Hình 4.9 Mô hình thực nghiệm có điều khiển PID 96 Hình 4.10: Đặc tính tốc độ trục bị động dùng điều khiển PID kinh điển 97 Hình 4.11: Đặc tính tốc độ trục bị động sử dụng điều khiển thích nghi mờ 98 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MỞ ĐẦU Nƣớc ta thời kỳ đẩy nhanh tốc độ công nghiệp hoá – Hiện đại hoá đất nƣớc, với phát triển lĩnh vực khoa học kỷ thuật, kinh tế… Trong xã hội, phát triển kỷ thuật điều khiển tự động hoá ngày đƣợc nâng cao hoàn thiện mặt Đối với hệ truyền động có khe hở hệ truyền động phi tuyến (nhƣ truyền động có bánh răng, truyền động đai…) đƣợc sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất chúng có ƣu điểm nhƣ khả truyền lực, hệ số có ích lớn truyền động êm Truyền động bánh ( đại diện điển hình cho truyền động có khe hở )là nhƣng cấu quan trọng máy móc, phạm vi tốc độ truyền lực bánh lớn Các giảm tốc vòng bánh có khả truyền công suất tới hàng chục nghìn KW Tốc độ cao đạt tới 150m/s Sử dụng bánh truyền đƣợc chuyển động quay trục song song với nhau, chéo vuông góc với Tuy nhiên truyền động bánh có nhƣợc điểm chịu ảnh hƣởng: tồn khe hở, chịu tác dụng lực đàn hồi bị mài mòn ma sát khô phi tuyến, làm xấu đặc tính động hệ thống điều khiển tự động truyền động điện, tác động ảnh hƣởng lớn, hệ thống dao động mạnh gây ổn định hệ thống Chính đặc điểm Qua nghiên cứu cho nhìn cách tổng quan hệ truyền động có khe hở nói chung hay truyền động có bánh thƣờng gặp Và đề tài nghiên cứu truyền động có bánh nhƣ truyền động đại diện cho truyền động có khe hở Điều khiển trình sản xuất mũi nhọn then chốt để giải vấn đề nâng cao suất chất lƣợng sản phẩm Một vấn đề quan trọng điều khiển hệ thống việc tự động điều chỉnh độ ổn định, sai số nhỏ khoảng thời gian nhỏ Về lĩnh vực điều khiển, nói điều khiển PID đƣợc xem nhƣ giải pháp đa cho ứng dụng điều khiển có ƣu điểm vƣợt trội so với phƣơng pháp điều khiển kinh điển khác Tuy nhiên, điều khiển PID hạn chế nhƣ: Chất lƣợng phụ thuộc nhiều vào tham số điều khiển (Kp, TI, TD) nên có sai số điều khiển, đặc biệt đối tƣợng điều khiển hệ truyền động khe hở nói chung hệ truyền động có bánh nói riêng, thuộc hệ thống phi tuyến, có tham số thay đổi (có nhƣợc điểm nêu trên) áp dụng PID có tham số không đổi cho chất lƣợng không đảm bảo GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Trong phƣơng pháp điều khiển đại, logic mờ điều khiển mờ, đặc biệt điều khiển mờ nâng cao đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống cách nhìn mới, cho phép điều khiển đƣợc hiệu đối tƣợng không rõ ràng, đối tƣợng phi tuyến Điều khiển mờ, mờ lai đƣợc sũ dụng ngày nhiều có ƣu điểm bật so với hệ thông thƣờng, với khả tự chỉnh định lại thông số điều chỉnh cho phù hợp với đối tƣợng chƣa biết rõ đƣa hệ thích nghi, mờ lai trở thành hệ điều khiển thông minh Việc áp dụng điều khiển mờ thích nghi mờ lai cho hệ góp phần nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển , áp dụng cho điều khiển hệ truyền động có khe hở (đại điện truyền động có bánh răng) cho hệ truyền động bánh cho ta chất lƣợng động hệ thống tăng lên, hệ thống làm việc ổn định, nâng cao suất lao động chất lƣợng sản xuất Xuất phát từ luận điểm nêu trên, ta thấy việc “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ” Là vấn đề cần thiết, đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm Phần nội dung luận văn gồm chƣơng: - CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ - CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN - CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ - CHƢƠNG 4: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM Mặc dù thân có nhiều cố gắng trình nghiên cứu, với hƣớng dẫn tận tình thầy giáo: PGS.TS.Lại Khắc Lãi, song điều kiện khả thân tác giả có hạn chế định nên luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc góp ý, nhận xét để luận văn đƣợc hoàn thiện Thái Nguyên, ngày 22 tháng 04 năm 2014 Tác giả luận văn Dƣơng Đăng Phong GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Ngày kỹ thuật điều khiển tốc độ động điện đạt đƣợc tiến đáng kể, song thay đƣợc cấu bánh chức điều chỉnh tốc độ cấu bánh đảm nhận vài chức khác nhƣ thay đổi chiều chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến, tăng mô men quay để kéo máy sản xuất… Hệ truyền động qua bánh đƣợc ứng dụng rộng rãi thực tế, chúng phận quan trọng thuộc phần thiết bị, máy móc, dây truyền sản xuất công nghiệp, loại máy sản xuất nói chung nói phân thiếu đa số loại máy móc dây truyền sản xuất tự động, dân dụng ngành: Y tế, thí nghiệm, khoa học kỹ thuật, quân chúng đơn giản phận nhỏ nằm phận công tác nằm hệ thống điện phức tạp dây truyền tự động lớn nằm hệ thống truyền động bao gồm nhiều khối chuyển động có liên quan với nhƣ: Động cơ, hộp số, truyền Đặc điểm hệ truyền động có bánh hệ phi tuyến với tham số thay đổi không đƣợc biết trƣớc Các tham số xác định bất định chịu ảnh hƣởng nhiễu tác động Trong hệ truyền động bánh răng, truyền động đƣợc thực nhờ ăn khớp bánh bánh Truyền động bánh đƣợc sử dụng nhiều loại máy cấu khác để truyền chuyển động quay từ trục sang trục khác để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến ngƣợc lại, chúng có ƣu điểm nhƣ khả truyền lực lớn, hệ số có ích lớn truyền động êm Truyền động bánh cấu quan trọng ôtô, máy kéo, động đốt trong, máy công cụ, máy nông nghiệp, ngƣời máy, cần cẩu nhiều thiết bị khác…Phạm vi tốc độ truyền lực bánh lớn Các giảm tốc bánh có khả truyền công suất tới hàng chục nghìn KW Tốc độ vòng bánh cấu truyền chuyển động tốc độ cao đạt tới 150m/s Trong truyền động bánh thƣờng có bánh chủ động, bánh bị động vài bánh trung gian Sử dụng bánh truyền đƣợc chuyển động quay trục song song với nhau, chéo vuông góc với tùy theo yêu cầu hệ, máy sản xuất GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 3.13 Hình 3.13: a) Cấu trúc hệ thống điều khiển; b) Cấu trúc điều khiển cấu thích nghi 3.4.2 Kết mô Hình 3.14: Hàm liên thuộc đầu vào đầu điều khiển mờ GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 88 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 3.15: Quan hệ vào – điều khiển mờ Sau thiết kế xong điều khiển mờ, kết nối vào đối tƣợng ta có sơ đồ mô nhƣ hình 3.16 kết mô đƣợc hình 3.17 hình 3.18 Trong hình 3.17 đƣờng đặc tính động sử dụng điều khiển mờ thích nghi; hình 3.18 kết so sánh đặc tính động sử dụng điều khiển PID kinh điển va sử dụng điều khiển mờ Hình 3.16: Sơ đồ mô hệ truyền động bánh sữ dụng điều khiển mờ thích nghi GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 89 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 3.17: Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng điều khiển mờ thich nghi Hình 3.18: Đặc tính tốc độ hệ truyền động qua bánh sử dụng PID kinh điển sử dụng điều khiển mờ thích nghi GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 90 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 3.5 Nhận Xét Từ kết mô cho thấy với điều khiển PID kinh điển thời gian độ, biên độ, rung, độ va đập tốc độ phía trục bị động tăng lên; Khi đƣa điều khiển mờ thích nghi vào thay thế, điều khiển mờ thích nghi khắc phục đƣợc tồn trên, chất lƣợng động tăng lên rõ rệt, thời gian độ giảm, trình làm việc hệ thống ổn định CHƢƠNG 4: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm: Thiết bị phần cứng: Máy tính Pentum IV- phần mềm Matlab 7.04 phần mềm ControlDesk Verson 5.0 Hình 4.1 Máy tính Pentum IV Toàn thuật toán nhận dạng điều khiển đƣợc thực thông qua phần mềm sau đƣợc dịch nạp vào card điều khiển DSP 1104 Các phần mềm bao GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 91 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA gồm phần mềm lập trình C, phần mềm Matlab 7.04, phần mềm tạp giao diện hiển thị Control Desk Tất phần mềm đƣợc đặt máy tính Card DSPACE 1104 Đƣợc gá lắp Mainboard máy tính qua khe PCI Card DSPACE 1104 card điều khiển số, đƣợc thiết kế đặc biệt để phát triển điều khiển số đa biến tốc độ cao mô thời gian thực - Các chân tín hiệu vào nguồn Card DSP 1104 đƣợc nối đến đối tƣợng cấp PIA PIB - Kênh chuyển đổi số - tƣơng tự DACH6 đƣa tín hiệu điều khiển đến Driver - Kênh chuyển đổi tƣơng tự - số ADCH6 nhận tín hiệu dòng điện - Kênh chuyển đổi tƣơng tự - số ADCH8 nhận tín hiệu từ encoder Hình 4.2: Card DSPACE 1104 Driver servo motor Midi-Maestro 140x14/28 - Bộ biến đổi công suất biến đổi xung áp có đảo chiều dòng, mạch lực dùng tranzitor IGBT - Điện áp đặt váo phần ứng động Uđm=140v - Dòng điện định mức Iđm=4A - Nhận tín hiệu điều khiển tƣơng tự (-10v đến 10v) GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 92 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - Cho tín hiệu tỷ lệ với dòng điện - Có thể thực thuật toán điều khiển PID tuỳ theo cấu trúc Daughter board Hình 4.3: Bộ biến đổi công suất Driver DC Servo motor Cặp bánh tự chế tạo: Hình 4.4: Cặp bánh tự chế tạo Động điện chiều kích từ độc lập : Động điện chiều kích từ độc lập nối với trục chủ động Công suất động = 1,5kw GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 93 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 4.5: Động điện chiều kích từ độc lập Tải: động dị pha làm việc chế độ hãm Hình 4.6: Tải Hai sensơ tốc độ (Encoder): loại 1000 xung/vòng đƣợc gắn với trục chủ động bị động Hình 4.7: Sensơ tốc độ GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 94 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 4.8 Bàn thí nghiệm, phần nguồn, kết nối máy tính điều khiển Sơ đồ khối hệ thống thực nhƣ sau: Hình 4.8: Sơ đồ khối hệ thống thực GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 95 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hệ thống truyền động có bánh thực 4.2 Kết thực nghiệm nhƣ sau: 4.2.1 Kết thí nghiệm với điều khiển PID Hình 4.9 Mô hình thực nghiệm có điều khiển PID -Đặc tính tốc độ trục bị động dùng điều khiển PID kinh điển GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 96 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 4.10: Đặc tính tốc độ trục bị động dùng điều khiển PID kinh điển 4.2.2 Kết thí nghiệm với điều khiển mờ thích nghi -Đặc tính tốc độ trục bị động sử dụng điều khiển thích nghi mờ GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 97 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hình 4.11: Đặc tính tốc độ trục bị động sử dụng điều khiển thích nghi mờ Kết Luận : Từ kết mô thực nghiệm ta thấy sử dụng điều khiển mờ thích nghi cho hệ thống truyền động có tham gia bánh cho phép ta giảm đáng kể dao động gây nên khe hở, đàn hồi ma sát báng so với sử dụng điều khiển PID kinh điển Kết khẳng định tính đắn thuật toán cho phép áp dụng vào điều khiển hệ thống truyền động thực tế GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 98 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau tháng nghiên cứu tài liệu nhƣ tìm hiểu thực tế đƣợc hƣớng dẫn nhiệt tình từ PGS.TS LẠI KHẮC LÃI, tác giả hoàn thành luận văn với nội dung cụ thể nhƣ sau: - Khảo sát phân tích nêu đƣợc ảnh hƣởng ngẫu nhiên tác động lên hệ thống, nhƣợc điểm hệ truyền động có bánh - Xây dựng đƣợc mô hình toán học hệ truyền động có bánh răng: Mô hình theo đặc trƣng ăn khớp cặp bánh răng; mô hình xét tới hệ số đàn hồi c mô men ma sát Mms - Thiết kế đƣợc điều k h i ể n PID kinh điển điều khiển mờ thích nghi t h e o m ô h ì n h m ẫ u cho hệ truyền động qua bánh - Kết mô làm thực nghiệm trung tâm thí nghiệm trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên cho thấy sử dụng điều khiển mờ thích nghi cho chất lƣợng động hệ thống tăng lên rõ rệt, hệ thống làm việc ổn định Vì việc áp dụng điều khiển mờ thích nghi cho hệ truyền động có bánh góp phần nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống, nâng cao suất lao động, nâng cao chất lƣợng sản phẩm - Kết nghiên cứu áp dụng thực tế để điều khiển hệ thống nhƣ dây truyền công nghệ có yêu cầu chất lƣợng cao nhƣ điều khiển robot, điều khiển đa - Các kết cho thấy tính khả thi việc tiếp tục triển khai nghiên cứu phát triển để ứng dụng điều khiển đại vào điều khiển nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển tự động thực tiễn sản xuất, góp phần nâng cao suất lao động chất lƣợng sản phẩm Kiến nghị Việc ứng dụng điều khiển để nâng cao chất lƣợng hệ thống truyền động qua bánh ta sử dụng nhiều phƣơng pháp điều khiển với điều khiển khác nhau, nhiên hiệu đạt đƣợc nhận đƣợc chất lƣợng khác Ở luận văn tác giả lựa chọn sử dụng điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu để nâng cao chất lƣợng hệ thống truyền động Qua phân tích nghiên cứu nhận thấy sử dụng điều khiển khắc phục đƣợc nhƣợc điểm cấu GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 99 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA bánh so với điều khiển PID kinh điển Để ngày hoàn thiện nâng cao chất lƣợng vấn đề điều khiển hệ truyền động qua bánh răng, tác giả có số kiến nghị sau: - Nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện lý thuyết, tiến hành nghiên cứu thiết kế ứng dụng phát triển điều khiển đại khác GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 100 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lại Khắc Lãi, Lê Thị Thu Hà; "Một phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng hệ truyền động qua báng răng"; Tuyển tập hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử., Nhà xuất Khoa học tự nhiên Công nghệ; Trang 134-137; (10/2010) [2] Đinh Gia Tƣờng, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến; “Nguyên Lý máy”; NXB Giáo dục, 2003 [3] Lại Khắc Lãi, Lê Thị Thu Hà; "Hai giải pháp nâng cao chất lƣợng hệ truyền động có khe hở" Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên; số (2009) [4] Lê Thị Thu Hà; "Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ truyền động có khe hở” Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ 2009 MS: BN2009- TN02-09 [5] Lại Khắc Lãi, Lê Thu Hà, Lê Thị Nguyệt; "Khảo sát chất lƣợng hệ điều khiển có khe hở” Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên; số (2009) [6] Huỳnh Văn Đông; "Tổng hợp điều khiển thích nghi dựa phƣơng pháp backstepping cho hệ truyền động có đàn hồi, khe hở ma sát khô phi tuyến"; Luận án tiến sĩ kỹ thuật (2009) [7] Nguyễn nhƣ Hiển, Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ nơron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội [8] Lại Khắc Lãi (2007), Ứng dụng hệ mờ - nơron để nhận dạng hệ phi tuyến nhiều chiều, Tạp chí Khoa học & Công nghệ trƣờng Đại học kỹ thuật (số 60) [9] Nguyễn Thƣơng Ngô (2006), “Lý thuyết điều khiển tự động - Quyển 3”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [10] Đỗ Trung Hải (2006), “Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ mạng nơron ứng dụng giải toán phi tuyến hệ truyền động điện”, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên [11] Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phƣớc (2006), “Lý thuyết điều khiển mờ” , nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [12] Lại Khắc Lãi "Một thuật toán thiết kế điều khiển thông minh ứng dụng" Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị toàn quốc lần thứ tự động hoá; trang 306-311 (2005) [13] Bùi Chính Minh, “Nghiên cứu điều khiển chuyển động cho hệ có xét đến ảnh hƣởng khớp nối mềm với hệ điều khiển phản hồi trạng thái”, Báo cáo NCKH GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 101 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA cấp năm 2005, mã số CB2005-07 [14] Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh & Hán Thành Trung (2003),“Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [15] Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông minh để điều khiển đối tƣợng phi tuyến khó mô hình hoá”, Đề tài NCKH cấp năm 2002; Mã số: B2002.02.03 [16] Lassaad Walha, Tahar Fakhfakh, Mohamed Haddar; "Nonlinear dynamics of a two-stage gear system with mesh stiffness fluctuation, bearing flexibility and backlash"; Mechanism and Machine Theory 44 (2009) 1058-1069 GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 102 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG [...]... QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Giới thiệu Hệ truyền động có khe hở là một hệ truyền động phi tuyến đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế nhƣ các truyền động có bánh răng, truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít – đai ốc, truyền động trục vít - bánh răng, vv…… Trong hệ bánh răng, sự truyền động đƣợc thực hiện nhờ ăn khớp của các bánh răng trên bánh răng hoặc thanh răng Truyền động bánh... cứu điều khiển chuyển động cho hệ truyền động khớp nối mềm với hệ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ lọc thông thấp, lọc khe hẹp, lọc trùng bậc hai của tác giả Bùi Chính Minh nhằm hạn chế dao động cộng hƣởng; nghi n cứu tổng hợp điều khiển thích nghi dựa trên phƣơng pháp backstepping cho hệ truyền động có đàn hồi, khe hở và ma sát khô phi tuyến của tác giả Huỳnh Văn Đông [6] nhằm đảm bảo cho hệ. .. sữ dụng nhiều trong các hệ thống Công suất truyền có thể đạt tới 3000KW, vận tốc của đai có thể đạt v = 100m/s và tỉ số truyền động i có thể tới 10 Truyền động xích đƣợc sữ dụng ít hơn do có nhiều nhƣợc điểm có khe hở lớn và phát ra tiếng ồn lớn trong quá trình làm việc Hình 1.1: Một số hệ truyền động có khe hở Sau đây tôi sẽ nghi n cứu về hệ truyền động qua bánh răng 1.1 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA HỆ TRUYỀN... giá hệ thống có thể làm việc đƣợc hay không, trong đó chất lƣợng động là một yếu tố ảnh hƣởng lớn đến hệ thống điều khiển tự động Việc lựa chọn phƣơng pháp điều khiển phù hợp sẽ nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID là một cơ chế diều khiển lặp hồi tiếp đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghi p do dễ áp dụng và dễ sử dụng Một bộ điều khiển PID cố gắng điều. .. số là bất định; các nghi n cứu nhằm nâng cao chất lƣợng hệ truyền động có khe hở của các tác giả Lại khắc Lãi, Lê Thị Thu Hà, Lê Thị Minh Nguyệt [1],[3],[4],[5] Các nghi n cứu của Kahraman, Singh nhằm mô tả trạng thái động lực học phi tuyến của hệ thống bánh răng thẳng và giải thích sự hƣ hỏng cục bộ của chúng bởi tác động (kích thích) bên ngoài Nghi n cứu thiết kế bộ điều khiển áp dụng riêng một cách... hệ thống truyền động Về vấn đề này, trên thế giới nói chung và ở nƣớc ta nói riêng đã có một số nghi n cứu và đã đạt đƣợc những thành quả đáng kể nhƣ có thể thấy trong các tài liệu [1],[3],[4],[6],[8],[13] Trong đó tập trung giải quyết ảnh hƣởng của đàn hồi, ảnh hƣởng của khe hở, ma sát khô phi tuyến đến hệ thống; tài liệu [13] nghi n cứu điều khiển thích nghi bền vững cho hệ khớp nối mềm, nghi n cứu. .. mất ổn định Ở luận văn này tác giả nghi n cứu và mô tả các ảnh hƣởng ngẫu nhiên của cơ cấu bánh răng (đại diện cho truyền động có khe hở) đến chất lƣợng của hệ thống truyền động điện, đồng thời đề xuất các phƣơng pháp sử dụng bộ điều GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 5 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA khiển mờ thích nghi góp phần khắc phục những ảnh... Tác động này làm cho khả năng lặp lại của hệ cơ điện 1.2.3 Ảnh hƣởng của khe hở trong hệ thống truyền động Đối với hệ thống truyền động qua bánh răng, ngoài sự ảnh hƣởng của đàn hồi, ma sát đã đƣợc đề cập ở trên còn phải kể đến sự ảnh hƣởng của khe hở bởi lẽ giữa bộ phận chủ động và bộ phận bị động giữa các bánh răng luôn tồn tại một khe hở nhất định Khi xuất hiện các khe hở, nói cách khác là có độ... SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Trong những năm gần đây, các giải pháp về điện đã đƣợc các nhà khoa học quan tâm đến trên quan điểm áp dụng những quy luật điều khiển phi tuyến để điều khiển phối hợp giữa bộ phận chủ động và bộ phận bị động trong hệ Nghi n cứu về hệ thống truyền động có tính đến các yếu tố nhƣ biến dạng đàn hồi, vùng không nhạy, góc khe hở, ma sát khô phi tuyến là... HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG Theo chức năng sử dụng truyền động hệ bánh răng có các yêu cầu khác nhau, cụ thể nhƣ sau: GVHD: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI 7 HỌC VIÊN: DƢƠNG ĐĂNG PHONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 1.1.1 Truyền động chính xác Trong xích động học của máy cắt kim loại và dụng cụ đo truyền động bánh răng cần có độ chính xác động học cao Ví dụ nhƣ truyền động bánh