Điều khiển thích nghi cho hệ truyền động có khe hở trên cơ sở trí tuệ nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÙY DUNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ TRÊN CƠ SỞ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2015 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thùy Dung Sinh ngày 06 tháng 11 năm 1989 Học viên lớp cao học điều khiển tự động hóa 2013B – Trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội Xin cam đoan đề tài “Điều khiển thích nghi cho hệ truyền động có khe hở sở trí tuệ nhân tạo ” cô giáo GS.TS.Phan Xuân Minh hƣớng dẫn riêng “Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ kết tham khảo từ công trình khác nhƣ ghi rõ luận văn, công việc trình bày luận văn thực chƣa có phần nội dung luận văn đƣợc nộp để lấy cấp trƣờng trƣờng khác” Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 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 .5 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 .11 1.2.2 Ảnh hƣởng ma sát hệ thống truyền động 12 1.2.3 Ảnh hƣởng khe hở hệ thống truyền động .12 1.3 NHỮNG ĐẶC TRƢNG ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG 16 1.3.1 Điều kiện ăn khớp 17 1.3.2 Điều kiện ăn khớp trùng 18 1.3.3 Điều kiện ăn khớp khít 19 1.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC 20 1.4.1 Xây dựng mô hình toán học theo đặc trƣng ăn khớp cặp bánh 20 1.4.2 Xây dựng mô hình toán xét tới yếu tố đàn hồi c momen ma sát Mms 23 1.5 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở 28 Kết luận chƣơng 29 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 30 2.1 ĐIỀU KHIỂN PID TUYẾN TÍNH 30 2.1.1 Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân 30 2.2.2 Các điều khiển tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân, tỷ lệ vi tích phân 35 2.1.3 Các điều khiển PID số 40 2.2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 42 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa 2.2.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ .42 2.2.2 Định nghĩa tập mờ 42 2.2.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ 45 2.2.4 Suy luận mờ luật hợp thành 45 2.2.5 Cấu trúc điều khiển mờ 47 2.2.6 Phân loại điều khiển mờ mờ .55 2.3 ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 56 2.3.1 Hệ điều khiển thích nghi mờ 56 2.3.2 Hệ điều khiển mờ lai .57 2.3.3 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển .58 2.3.4 Bộ điều khiển mờ lai cascade 59 2.3.5 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 59 2.3.6 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 60 Kết luận chƣơng 60 CHƢƠNG 62 THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ CHO 62 HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 62 3.1 KHÁI QUÁT 62 3.2 ẢNH HƢỞNG CỦA BÁNH RĂNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYẾN ĐỘNG 62 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh 62 3.2.2 Mô hoạt động bánh 63 3.2.3 Mô quan hệ mô men hệ bánh 65 3.3 THIẾT KẾ PID KINH ĐIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 66 3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống: 66 3.3.2 Mô hình toán học động điện chiều kích từ độc lập .67 3.3.3 Bộ chỉnh lƣu 69 3.3.4 Máy phát tốc: 70 3.3.5 Biến dòng: .70 3.3.6 Thiết kế mạch vòng dòng điện 71 3.3.7 Thiết kế mạch vòng tốc độ 72 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa 3.3.8 Kết mô 73 3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 74 3.4.1 Cấu trúc điều khiển thích nghi mờ .74 3.4.2 Kết mô 76 3.5 Nhận Xét 78 KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………………….79 1.Kết luận 79 Kiến nghị 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………… 80 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa DANH MỤC 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 Hình 1.5: Đặc tính logarit hệ thống Hình 1.6: Mối quan hệ ma sát khô vận tốc 12 Hình 1.7: Mô hình vật lý khe hở .13 Hình 1.8: Đặc tính Deadzone .14 Hình 1.9: Mô hình ăn khớp bánh 16 Hình 1.10: Mô hình cặp bánh ăn khớp 17 Hình 1.11: Mô hình cặp bánh ăn khớp trùng 18 Hình 1.12: Mô hình cặp bánh ăn khớp tâm ăn khớp P 19 Hình 1.13: Mô hình truyền động bánh phẳng 20 Hình 1.14 Sơ đồ truyền động 24 Hình 1.15a Hình 1.15b .24 Hình 1.16: Sơ đồ động lực học 26 Hình 1.17: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động bánh 28 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỷ lệ Kp .31 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tích phân Ki 33 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vi phân Kd 34 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID .38 Hình 2.5: Một số dạng hàm liên thuộc 43 Hình 2.6: Hình 2.7 45 Hình 2.8: Sơ đồ khối điều khiển mờ 47 Hình 2.9: Hàm liên thuộc luật hợp thành 50 Hình 2.10: Giải mờ phƣơng pháp cực đại 53 Hình 2.11: Giải mờ theo nguyên tắc trung bình 53 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Hình 2.12: Giải mờ theo nguyên tắc cận trái 53 Hình 2.13: Giải mờ theo phƣơng pháp cận phải .54 Hình 2.14: Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 54 Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 56 Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi 57 Hình 2.17: Mô hình điều khiển mờ lai kinh điển 59 Hình 2.18: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade .59 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh 63 Hình 3.2 Hệ truyền động qua bánh thực tế .63 Hình 3.3: Sơ đồ mô hệ truyền động bánh 64 Hình 3.4: Đặc tính tốc độ bánh chủ động bị động 64 Hình 3.5: Sơ đồ mô quan hệ mô men cặp bánh 65 Hình 3.6 Cấu trúc chung hệ điều chỉnh tốc độ sử dụng hệ chấp hành T-Đ .66 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động 66 Hình 3.8 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 68 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 71 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Ea = 0) .72 Hình 3.11: Sơ đồ mô hệ truyền động qua bánh sử dụng 73 PID kinh điển 73 Hình 3.12: Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng PID kinh điển 74 Hình 3.13 75 Hình 3.13: a) Cấu trúc hệ thống điều khiển; .75 b) Cấu trúc điều khiển cấu thích nghi .75 Hình 3.14: Hàm liên thuộc đầu vào đầu điều khiển mờ .76 Hình 3.15: Quan hệ vào – điều khiển mờ 76 Hình 3.16: Sơ đồ mô hệ truyền động bánh sữ dụng điều khiển mờ thích nghi 77 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Hình 3.17: Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng điều khiển mờ thich nghi 77 Hình 3.18: Đặc tính tốc độ hệ truyền động qua bánh sử dụng PID kinh điển sử dụng điều khiển mờ thích nghi 78 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày kỹ thuật điều khiển tốc độ động điện đạt đƣợc tiến đáng kể xong 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 phận 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 Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa 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 Tuy nhiên thực tế hệ thống truyền động có bánh tồn nhƣợc điểm phận chủ động phận bị động tồn khe hở định (có độ dơ, trễ chuyển động) lỗi chế tạo ma sát bị mài mòn trình làm việc; bề mặt chịu lực va đập, chịu tác dụng lực đàn hồi…Các nguyên nhân dẫn đến bánh không đảm bảo điều kiện ăn khớp nêu trên, làm giảm chất lƣợng hệ, có sai lệch truyền động, giảm độ xác hệ điều khiển vị trí Đặc biệt tồn khe hở làm giảm tuổi thọ chi tiết khí, phát tiếng ồn, gây rung động, ổn định hiệu suất hệ thống bị thay đổi Để khắc phục nhƣợc điểm trƣớc ngƣời ta thƣờng dùng biện pháp học nhƣ nâng cao độ xác chế tạo bánh răng, sử dụng bánh có biên dạng phù hợp… Các giải pháp cần chi phí lớn khắc phục hết đƣợc Để hạn chế ảnh hƣởng khắc phục nhƣợc điểm này, trƣớc ngƣời ta thƣờng dùng biện pháp học nhƣ nâng cao độ xác chế tạo bánh răng, sử dụng bánh có biên dạng phù hợp, tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay cấu bị mài mòn, dơ cấu mới… Các giải pháp cần chi phí lớn khắc phục hết đƣợc Ví dụ nhƣ kể đến việc thu hẹp khe hở đầu cánh tuabin cách giảm khoảng dự phòng dành cho dãn nở trình máy nóng lên Việc chủ động điều chỉnh khe hở (active clearance control ACC) đƣợc công ty MHI (Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.) áp dụng cho tuabin M701G1 G2 công ty GE áp dụng cho tuabin H System họ, tất dựa kỹ thuật nhiệt; sử dụng giải pháp khí, Siemens đề trình thử nghiệm tổ máy nhà máy Kraftwerke Mainz - Wiesbaden (KMW) Tổ máy vận hành nhƣ tuabin khí chu trình hỗn hợp (combined cycle gas Nguyễn Thùy Dung Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa 3.3.2 Mô hình toán học động điện chiều kích từ độc lập Trên thực tế đặc tính động điện chiều kích từ độc lập kích từ song song giống nên cần công suất lớn ngƣời ta thƣờng dùng động kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích đƣợc thuận tiện mà điều chỉnh tốc độ dẽ dàng kinh tế đòi hỏi phải có dòng bên Vậy đề tài tác giả xét đến động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập đƣợc chọn có thông số cho bảng sau: Ký hiệu Thông số Giá trị Đơn vị tính Pdm Công suất định mức 1,5 Kw U dm Điện áp định mức 220 V Idm Dòng điện định mức A n dm Tốc độ định mức 1500 Vòng/phút dm Hiệu suất định mức 90 % J Mô men quán tính 0,005 kg.m2 Kb Hằng số sức phản điện động 0,174 V.s/rad Ka Hằng số từ thông động 0,176 N.m/A Rƣ Điện trở phần ứng 1,8  Lƣ Điện cảm phần ứng 0,09 H Nguyễn Thùy Dung 67 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Ta có sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập Hình 3.8 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập Trong đó: Uk : Điện áp kích từ (V); Ik : Dòng kích từ (A); Rk; Lk : Điện trở điện cảm kích từ (Ω;H); Uƣ : Điện áp phần ứng (V) Iƣ : Dòng điện phần ứng (A) Rƣ, Lƣ :Điện trở điện cảm phần ứng (Ω;H) M: Mô men quay trục động (kg.m2); Mc : Mô men cản (tải) (kg.m2); ω : Vận tốc góc trục động (rad/s); Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp Uk tạo dây quấn kích từ dòng điện ik mạch từ máy có từ thông Φ Tiếp đó, đặt giá trị điện áp Ua lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dòng điện ia chạy qua Tƣơng tác dòng điện phần ứng từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ Các phƣơng trình toán học mô tả động điện chiều nhƣ sau : Phƣơng trình điện áp phần ứng : u u = eu + R u i u + Lu Nguyễn Thùy Dung di u dt M = ka.iu (3.6) (3.7) 68 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa eu= kb (3.8) Ở chế độ xác lập, tốc độ động đƣợc tính qua phƣơng trình điện áp:  U u  R u Iu ka (3.9) Phƣơng trình chuyển động động là: M  Mc  j d dt (3.10) Phƣơng trình chuyển động động miền laplace M(p)  Mc (p)  Jp (3.11) Trong tính toán, ta giả thiết M c ( M c tổng mô men tải mô men ma sát) biến đổi Laplace (3.11), ta đƣợc M(p)  Jp  k a iu , p toán tử Laplace (3.12) Từ (3.12), (3.6), (3.7) (3.9), sau biến đổi Laplace, ta có: Jp Jp U u (p)  R u (p)  Lu (p)  k b (p) ka ka Hay kd (p)  U u (p) Tu Tc p  Tc p  Trong đó: Tu  Lu JR u , Tc  Ru ka kb : Hằng số thời gian điện (s) số thời gian động (s) , k d  1/ k b số động (s) 3.3.3 Bộ chỉnh lưu Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động điện chiều (qua điều chỉnh tốc độ động cơ) cần có biến đổi Ở đây, ta sử dụng biến đổi chỉnh lƣu cầu pha điều khiển đối xứng với tham số sau: Uđk: Điện áp điều khiển đầu vào; Ud: Điện áp chiều đầu để đƣa vào phần ứng động (Uƣ) Nguyễn Thùy Dung 69 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Uđk có nhiệm vụ thay đổi góc mở  van tiristo có gisá trị bé so với Ud, nên chỉnh lƣu khuếch đại với hệ số khuếch đại Kcl Chọn K cl  Udm Udm   14.6 Udk 15 Theo ta biết Uđm = 220 (V) Kcl = 14.6 Ngoài ra, chỉnh lƣu có tính trễ với thời gian trễ  (Trong đó: f = 50Hz tần số điện áp lƣới; P số xung đập mạch) Do thời gian trễ T