Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền khớp nối mềm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ®¹i häc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ LỌC KALMAN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 605260 Ngƣời thực : NGÔ VIẾT SONG Cán HD khoa học : TS BÙI CHÍNH MINH THÁI NGUYÊN-NĂM 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự – Hạnh phúc ***** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ LỌC KALMAN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Học viên : Ngô Viết Song Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH : TS Bùi Chính Minh CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Bùi Chính Minh BAN GIÁM HIỆU Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HỌC VIÊN Ngô Viết Song KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tổng hợp cá nhân hướng dẫn TS Bùi Chính Minh tham khảo tài liệu liệt kê Tôi không chép công trình cá nhân khác hình thức Nếu có xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Người cam đoan Ngô Viết Song Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan Danh mục đồ thị, hình vẽ Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan hệ truyền động khớp nối mềm 1.1 Giới thiệu 12 1.2 Khớp nối khớp nối mềm truyền động 13 1.2.1 Khớp nối 13 1.2.2 Khớp nối mềm 14 1.2.3 Phân loại khớp nối 16 1.2.4 Độ cứng chi tiết trục 17 1.2.5 Độ cứng khớp truyền động bánh 17 1.2.6 Độ cứng truyền động đai da bánh xích 18 1.2.7 Độ cứng thu gọn cấu truyền nhiều khớp nối 19 1.3 Hiện tượng cộng hưởng học truyền động có khớp nối mềm 20 1.4 Các giải pháp khắc phục tượng cộng hưởng học 24 1.4.1 Các giải pháp học 24 1.4.2 Các giải pháp điều khiển 26 1.5 Kết luận chương 26 Chƣơng 2: Các giải pháp điều khiển khắc phục tƣợng cộng hƣởng hệ truyền động khớp nối mềm 2.1 Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp mềm 27 2.1.1 Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp mềm 27 2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái hệ điều khiển khớp nối mềm 29 2.1.3 Ảnh hưởng Ks đến cộng hưởng học 31 2.1.4 Ảnh hưởng bs đến cộng hưởng học 33 2.1.5 Ảnh hưởng tỷ số mô men quán tính tải quán tính động cơ: JL/JM 34 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động nối khớp mềm 35 2.3 Các giải pháp mặt điều khiển khắc phục tượng cộng hưởng 36 2.3.1 Bộ điều khiển PI 36 2.3.2 Lọc thông thấp 37 2.3.3 Lọc dải hẹp (notch) 38 2.3.4 Lọc trùng phương (bi-quad) 40 2.3.5 Hệ phản hồi mô men xoắn 41 2.3.6 Phương pháp dùng điều khiển biến thể PID 45 2.3.7 Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát trạng thái 49 2.4 Kết luận chương 54 Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm 3.1 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái LQR (Linear Quadratic Regulator - Bộ điều khiển bình phương tuyến tính) 55 3.1.1 Hệ thống điều khiển tối ưu 56 3.1.2 Xây dựng phương trình Riccati 57 3.2 Thiết kế quan sát trạng thái Kalman 60 3.2.1 Bộ quan sát trạng thái 60 3.2.2 Bộ lọc kalman 62 3.2.3 Thiết kế quan sát trạng thái Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm 66 3.3 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái phương pháp tối ưu hàm mục tiêu dùng lọc Kalman (LQG- Linear Quadratic Gaussian) điều khiển khớp mềm 3.3.1 Giải thuật thiết kế LQG 69 3.3.2 Thiết kế điều chỉnh phản hồi trạng thái LQR sử dụng ước lượng trạng thái Kalman điều khiển khớp mềm 70 3.3.3Thực mô điều khiển thiết kế 75 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4 Kết luận chương 86 Chƣơng 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực mô hình truyền động khớp nối mềm PP400 4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 88 4.2 Card NI6014 91 4.3 Thiết kế mạch lực mạch điều khiển 95 4.3.1 Thiết kế mạch lực 95 4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 98 4.4 Sơ đồ tổng thể thiết bị thí nghiệm 100 4.5 Các sơ đồ Simulink hệ thí nghiệm thực mô hình truyền động khớp nối mềm PP400 101 4.5.1 Dùng PI để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm 101 4.5.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng lọc Kalman điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm 102 4.6 Kết luận chương 102 Kết luận kiến nghị 105 Phụ lục Tài liệu tham khảo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Nội dung Trang Chƣơng Hình 1.1 Khớp nối 13 Hình 1.2 Mô tả khớp mềm 14 Hình 1.3 Các sai lệch khớp nối 14 Hình 1.4 Chi tiết trục 17 Hình 1.5 Truyền động bánh 17 Hình1.6 Truyền động đai, xích 18 Hình 1.7 Cơ cấu truyền động thu trục động 19 Hình 1.7a Sơ đồ thay khớp nối mềm 21 Hình1.7b Mô hình thay hệ khớp nối mềm 21 Hình 1.8 Mô hình toán học khớp mềm 22 Hình 1.9 Đặc tính biên-pha hệ đối tượng khớp mềm 23 Chƣơng Hình 2.1 Mô hình khớp mềm hệ thống khối 27 Hình 2.2 Mô hình toán học khớp mềm 28 Hình 2.3 Mô tả toán học đối tượng khớp mềm 30 Hình 2.4 Đặc tính biên- pha Ks thay đổi 32 Hình 2.5 Đáp ứng tốc độ động tải thay đổi Ks 32 Hình 2.6 Ảnh hưởng bs đến tượng cộng hưởng học 33 Hình 2.7 Đáp ứng tốc độ động tải thay đổi hệ số cản bs 34 Hình 2.8 Đáp ứng tốc độ động tải thay đổi tỷ lệ k=JL/JM 34 Hình 2.9 Cấu trúc điều khiển thông thường cho khớp mềm 35 Hình 2.10 Sơ đồ điều khiển khớp mềm dùng điều khiển PI thông thường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung Trang Hình 2.11 Đáp ứng độ tốc độ động tải dùng PI thông 37 thường Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khớp mềm dùng lọc 38 Hình 2.13 Đáp ứng tốc độ động tải dùng lọc thông 38 thấp(g=1000, Kp=0,0786; KI=0,6) Hình 2.14 Đáp ứng độ dùng lọc dải hẹp 39 (notch)(  N   R  83rad / s ,   0,3 ) Hình 2.15 Đáp ứng tốc độ động tải dùng lọc bi-quard 40 (Kp=0,0393, i=0,6) Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý quan sát mô men xoắn 41 Hình 2.17 Sơ đồ hệ điều khiển phản hồi mô men xoắn ước lượng 42 Hình 2.18 Điều khiển tốc độ khớp mềm sử dụng quan sát mômen 43 xoắn Ts kết hợp với lọc thông cao Hình 2.19 Đáp ứng độ tốc độ tải động sử dụng điều 43 khiển P kết hợp với phản hồi mô men xoắn Hình 2.20 Hệ điều khiển phản hồi vi phân mô men xoắn 44 Hình 2.21 Đáp ứng tốc độ động dùng điều khiển phản hồi 45 đạo hàm mô men xoắn Hình 2.22 Bộ điều khiển I_P 45 Hình 2.23 Sơ đồ điều khiển khớp mềm điều khiển I_P 46 Hình 2.24 Đáp ứng tốc độ động tải sử dụng điều khiển I_P 47 Hình 1.25 Bộ điều khiển I_PD 47 Hình 2.26 Sơ đồ điều khiển khớp mềm điều khiển I_PD 48 Hình 2.27 Đáp ứng độ tốc độ động tải dùng điều khiển 49 I_PD Hình 2.28 Nguyên lý lọc Lueberger ước lượng trạng thái 50 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung Trang Hình 2.29 Hệ thống điều khiển khớp mềm dùng quan sát trạng thái Luenberger 51 Hình 2.30 Sơ đồ quan sát Luenberger cho hệ thống khớp mềm 51 Hình 2.31 Đặc tính tốc độ động tải hệ thống khớp mềm dùng điều chỉnh phản hồi trạng thái dùng quan sát Luengberger 52 Hình 2.32 Sơ đồ hệ hệ truyền động khớp nối mềm dùng quan sát 53 Kalman Chƣơng Hình 3.1 Nguyên lý thiết kế điều khiển phản hồi âm trạng thái 57 Hình 3.2 Kết thiết kế điều khiển phản hồi âm trạng thái theo tiêu 59 chuẩn tối ưu hàm mục tiêu tuyến tính bình phương(LQ) Hình 3.3 Bộ quan sát hệ thống điều khiển hồi tiếp trạng thái 61 Hình 3.4 Bộ quan sát trạng thái 61 Hình 3.5 Mô hình quan sát Kalman 63 Hình 3.6 Mô tả toán học đối tượng khớp mềm 66 Hình 3.7 Sơ đồ quan sát trạng thái Kalman 67 Hình 3.8 Sơ đồ mô lọc Kalman 68 Hình 3.9 Thiết kế điều khiển LQG 69 Hình 3.10 Bộ điều khiển LQG 71 Hình 3.11 Hệ điều khiển LQG để điều khiển hệ truyền động khớp nối 72 mềm Hình 3.12 Sơ đồ Simulink mô hệ thống điều khiển LQG cho hệ 76 truyền động khớp nối mềm Hình 3.13 Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm 76 Hình 3.14 Sơ đồ Simulink mô lọc Kalman ước lượng trạng thái 77 Hình 3.15 Đặc tính tốc độ động thực tốc độ động quan sát 78 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nội dung Trang Hình 3.16 Đặc tính tốc độ tải thực tốc độ tải quan sát 78 Hình 3.17 Đặc tính mô men xoắn thực mô men xoắn quan sát 79 Hình 3.18 Đặc tính mô men tải thực mô men tải quan sát 80 Hình 3.19 Đáp ứng tốc độ tải tốc độ động hệ điều khiển phản hồi trạng thái dùng lọc Kalman theo tiêu chuẩn tối ưu hàm mục tiêu Hình 3.20 Sơ đồ hệ thống mô khớp mềm dùng điều khiển PI 80 81 Hình 3.21 Đáp ứng tốc độ tải tốc độ động hệ điều chỉnh PI thông 82 thường Kp=0.0786; Ki=0.6; Hình 3.22a Bộ điều khiển PI thường 83 Hình 3.22b Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQG 83 Hình 3.23a Bộ điều khiển PI thường 83 Hình 3.23b Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQG 83 Hình 3.24a (=0,1; =1.35; =750; =1) 84 Hình 3.24b (=0,55; =1.35; =750 ; =1) 84 Hình 3.25a với (=0,55; =0.65; =750 ; =1) 85 Hình 3.25b với (=0,55; =1.35; =750 ; =1) 85 Hình 3.26a với (=0,55; =1.35; =300 ; =1) 86 Hình 3.26b với =0,55; =1.35; =750 ; =1) 86 Chƣơng Hình 4.1 Hệ truyền động PP400 89 Hình 4.2 Sơ đồ khối phần tử Card NI6014 92 Hình 4.3 Dạng counter 94 Hình 4.4 Sơ đồ mạch cầu băm xung áp chiều 95 Hình 4.5 Đồ thị điện áp động phương pháp băm xung đối xứng 96 Hình 4.6 Đồ thị điện áp động phương pháp băm xung không đối xứng (T4 mở T3 khoá) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... truyền động khớp nối mềm PP400 101 4.5.1 Dùng PI để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm 101 4.5.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng lọc Kalman điều khiển hệ truyền động khớp. .. pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát trạng thái 49 2.4 Kết luận chương 54 Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng lọc Kalman cho hệ truyền động khớp. .. 3.2 Thiết kế quan sát trạng thái Kalman 60 3.2.1 Bộ quan sát trạng thái 60 3.2.2 Bộ lọc kalman 62 3.2.3 Thiết kế quan sát trạng thái Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm