Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

Trước đây người ta thường sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động Passive suspension Systems, hệ thống này sử dụng lò xo giảm chấn và một cơ cấu cản dịu bằng thủy lực, lò xo có nhiệm vụ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔN G NGHI ỆP

NGUYỄN VĂN CƯỜNG

ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG

GIẢM CHẤN TÍCH CỰC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Cường

Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệpThái Nguyên

Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ

thống giảm chấn tích cực” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là công

trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất

xứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dungtrong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nộidung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Cường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận

tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Áp dụng điều

khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” đã được hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp TháiNguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốtquá trình học tập để hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệmthực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tácgiả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bèđồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Văn Cường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

4

MỤC LỤC

LỜ I C A M Đ O A N

i L Ờ I C Ả M Ơ N i

i i M Ụ C L Ụ C

iv D A N H M Ụ C C Á C C H Ữ V I Ế T T Ắ T

v i L Ờ I N Ó I Đ Ầ U

1 1 T í n h c ấ p t h i ế t c ủ a đ ề t à i

1 C H Ư Ơ N G 1 : G I Ớ I T H I Ệ U V Ề H Ệ T H Ố N G G I Ả M C H Ấ N T Í C H C Ự C 6 1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn 6

1.1.1 Hệ thống giảm chấn 6

1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 8

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ 11

1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 12

1.4 Các ứng dụng và xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 13

1.1.1 Các ứng dụng 13

1.1.2 Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 14

1.5 Kết luận chương 1 14

C H Ư Ơ N G 2 : X Â Y D Ự N G M Ô H Ì N H H Ệ T H Ố N G G I Ả M C H Ấ N T Í C H C Ự C

15 2.1 Phương trình động học hệ thống giảm chấn tích cực 15

2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ 17

2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống 22

2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống 25

2.5 Mô hình của cả hệ thống có kể động cơ tuyến tính 31

2.6 Kết luận chương 2 33

C H Ư Ơ N G 3 : Đ I Ề U K H I Ể N T Ố I Ư U L Q G C H O H Ệ T H Ố N G G I Ả M C H Ấ N T Í C H C Ự C

34

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

5

3.1 Đặt vấn đề 34

3.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực 34

3.2.1 Đặt vấn đề 34

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG 36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

6

3.2.3 Mô phỏng hệ thống 38

3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho LBM 43

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng cho LBM 43

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực 45

3.4 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47

3.4.1 Trường hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông 47

3.4.2 Trường hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên 51

3.4.3 So sánh khi có tác động điều khiển và không có tác động điều khiển 53

3.5 Kết luận chương 3 54

C H Ư Ơ N G 4 : M Ô H Ì N H T H Ự C N G H I Ệ M H Ệ T H Ố N G G I Ả M C H Ấ N T Í C H C Ự C

55 4.1 Giới thiệu mô hình giảm chấn cực 55

4.2 Các thông số hệ thống 57

4.3 Kết quả thực nghiệm 58

4.4 Kết luận chương 4 61

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

D(s) / D(s) /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải 14

Hình 2-2 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực 15

Hình 2-3 Thư viện Simscape của Matlab/Simulink 17

Hình 2-4 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực hiện bằng Matlab/simulink simscape 18

Hình 2-5 Bên trong mô hình hệ thống giảm chấn sử dụng simscape 19

Hình 2-6 Các tham số của hệ thống giảm chấn tích cực 19

Hình 2-7 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động dạng xung vuông 20

Hình 2-8 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động có dạng bất kỳ 21

Hình 2-9 Các hàm truyền của hệ thống giảm chấn 23

Hình 2-10 Quan hệ giữa tần số và tỷ số Hình 2-11 Quan hệ giữa tần số và tỷ số Hình 2-12 Quan hệ giữa tần số và tỷ số X s (s) / D(s) X us (s) X s (s) 24 D(s) 24

D(s) 24

Hình 2-13 Minh họa mặt cắt của LBM, lực được tạo từ rotor dịch chuyển theo phương z 26

Hình 2-14 Mô hình LBM thực hiện bằng Matlab/Simulink 29

Hình 2-15 Các tham số vật lý của động cơ LBM 30

Hình 2-16 Các đáp ứng dòng và áp của động cơ LBM 30 Hình 2-17 Các đáp ứng về K/C dịch chuyển của rotor, lực và giá trị của LBM 31

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

Hình 2-19 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM thực hiện

Hình 3-4 Sơ đồ mô phỏng BĐK dập tắt dao động dùng bộ điều khiển tối ưu

LQG

39 Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu 40

Hình 3-6 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao 41

Hình 3-7 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu 41

Hình 3-8 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao động trong trường hợp nhiễu bất kỳ có kỳ vọng khác 0 43 Hình 3-10 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển dòng cho LBM 44 Hình 3-11 Xác định tham số của bộ điều khiển dòng cho LBM sử dụng công cụ Step Response Specification 44 Hình 3-12 Kết quả điều khiển dòng điện id và iq với dòng điện idref = 0.5A, dòng điện iqref=1.2A 45 Hình 3-13 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển lực 46 Hình 3-14 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển lực, so sánh giữa lực đặt và lực tạo

ra bởi LBM 46 Hình 3-15 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47 Hình 3-16 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động nhiễu có dạng xung vuông 48 Hình 3-17 Các trạng thái của LBM với nhiễu dạng xung vuông 49 Hình 3-18 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM 50 Hình 3-19 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM 50 Hình 3-20 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động nhiễu có dạng bất kỳ 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

Hình 3-21 Các trạng thái của LBM với trường hợp nhiễu bất kỳ 52

Hình 3-22 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM trong trường hợp nhiễu bất kỳ 53

Hình 3-23 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM trong trường hợp nhiễu bất kỳ 53

Hình 3-24 So sánh giữa kết quả giảm chấn trong trường hợp không có giảm chấn tích cực, điều khiển trực tiếp (không qua LBM) và lực được tạo ra bởi LBM 53

Hình 4-1 Mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 55

H ì n h 4 - 2 Đ ộ n g c ơ t ạ o d a o đ ộ n g b ằ n g c á c h q u a y m ộ t t r ụ c c a m 55

Hình 4-3 Card ghép nối Arduino 56

Hình 4-4 Động cơ LBM tự tạo và mạch công suất 56

Hình 4-5 Toàn thể mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực 57

Hình 4-6 Cấu trúc điều khiển của hệ thống trên Matlab/Simulink 57

Hình 4-7 Nhiễu d(t) tác động vào hệ thống giảm chấn được tạo ra từ trục cam 58

Hình 4-8 Lực giảm chấn được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG 58

Hình 4-9 Dao động của khối treo x us (t) 59

Hình 4-10 Dao động của khối thân trên x s (t) 59

Hình 4-11 Sai lệch x s (t) – x us (t) 60 Hình 4-12 So sánh giữa 2 trường hợp có giảm chấn tích cực và không giảm chấn 60

1 Tính cấp thiết của đề tài LỜI NÓI ĐẦU

- Để chống dao động 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),

nhằm mục đích duy trì tình trạng cân bằng và ổn định cho hệ thống người ta sử

dụng hệ thống giảm chấn (Suspension System) Hệ thống giảm chấn là hệ thống có

nhiệm vụ dập tắt các dao động tác động không biết trước từ bên ngoài vào để duy trì

sự cân bằng Trước đây người ta thường sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động

(Passive suspension Systems), hệ thống này sử dụng lò xo giảm chấn và một cơ cấu

cản dịu bằng thủy lực, lò xo có nhiệm vụ chống lại các tác động ở bên ngoài vào hệthống, vì lò xo có quán tính cho nên nó lại gây ra dao động, chính vì vậy người ta sửdụng cơ cấu cản dịu để dập tắt các dao động này Các hệ thống giảm chấn thụ động

có nhược điểm là sử dụng lực cản dịu do pit tông chuyển động trong xi lanh dầu đểdập tắt dao động gây ra do lực bên ngoài tác động vào lo xo giảm chấn Đối với hệthống giảm chấn loại này, trong quá trình sử dụng cần phải bảo dưỡng (lão hóagioăng phớt, thay thế dầu), khả năng giảm chấn phụ thuộc vào nhiệt độ (dầu giãnnở), mặt khác khả năng áp dụng đối với các hệ thống nhỏ là không phù hợp, nhượcđiểm nữa là lực cản dịu để dập tắt dao động không thể điều chỉnh được vì không thểđưa thêm nguồn năng lượng bên ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu nàyđược, chính vì vậy nó được gọi là giảm chấn thụ động Để khắc phục nhược điểm

đó người ta phát triển hệ thống giảm chấn thủy lực tích cực (Hydraulic Active

suspension systems), 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 cảndịu Tuy nhiên ngoài nhược điểm là cồng kềnh là cần thêm máy bơm dầu, các vanđiều chỉnh áp lực dầu và bộ điều khiển áp lực dầu trong quá trình làm việc sẽ dẫntới đáp ứng động học của hệ chậm và nhiều khi ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ

- Xu hướng sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực điện từ (electromagnetic

active suspension systems) thay thế cho các hệ thống giảm chấn thủy lực đang được

nghiên cứu và triển khai trong những năm gần đây Sử dụng động cơ tuyến tính tạolực giảm chấn thay vì sử dụng hệ thống xi lanh và pit tông dầu[2], [5] Việc sử dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

hệ thống giảm chấn tích cực điện từ đã khắc phục được các ưu nhược điểm của hệ thống giảm chấn thủy lực và mang lại những ưu điểm như sau:

hệ thống cần ứng dụng giảm chấn

các hệ thống gioăng, phớt, hạn chế thấp nhất yêu cầu bảo dưỡng

Nhược điểm: Việc tạo ra hệ thống điều khiển linh hoạt về chiều và cường độcủa lực giảm chấn thì đòi hỏi thuật toán điều khiển phức tạp, cần sử dụng thêm cảmbiến vị trí và cảm biến gia tốc để xác định lực cản dịu trong quá trình dập tắt daođộng, tốc độ xử lý của hệ thống điều khiển cần được tăng lên

Chính vì vậy trong các nghiên cứu gần đây các nhà khoa học đã và đang tậptrung tìm kiếm các giải pháp điều khiển với mục đích điều chỉnh linh hoạt về chiều,cường độ và thời gian dập tắt dao động nhằm đáp ứng yêu cầu đặt ra đối với các hệthống giảm chấn tích cực áp dụng trong từng ứng dụng khác nhau[3][4][5] Một sốphương pháp điều khiển dập tắt dao động đã được áp dụng như phương pháp điềukhiển mờ, phương pháp điều khiển tuyến tính hóa v.v Tuy nhiên, với phương phápđiều khiển mờ có một khó khăn là việc lựa chọn tập mờ và luật hợp thành cần phảithử nghiệm khá nhiều, phương pháp tuyến tính hóa chính xác đòi hòi thực hiệnphép biến đổi hệ trục tọa độ phi tuyến cho nên việc lập trình tương đối khó khăn,hạn chế tốc độ đáp ứng của hệ thống điều khiển, mặt khác khi tốc độ dao động củalực với tần số khác nhau, mô hình tuyến tính sẽ khác nhau, đây là một thách thứclớn trong việc thực thi luật điều khiển Trong luận văn này tác giả dự định sẽ nghiêncứu phương pháp điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắt dao động cho hệ thống giảmchấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính theo năng lượng yêu cầu sử dụng phươngpháp điều khiển tối ưu LQG, tác động điều khiển được thực hiện tính toán để đưa ralực cản dịu làm sao cho các dao động nhanh chóng đưa về giá trị 0, phương phápđiều khiển tối ưu LQG có hàm mục tiêu là giảm thiểu sự thay đổi các biến trạng tháitrong hệ cũng như tác động đầu vào của hệ, nhằm nhanh chóng đưa hệ về trạng tháicân bằng Hệ thống giảm chấn tích cực được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

biệt là trên các phương tiện vận tải, cho các hệ thống bệ đỡ cho các thiết bị tránhrung động như trên tàu thủy v.v Sự thành công của phương pháp đã mở ra khảnăng áp dụng hệ thống giảm chấn tích cực cho các hệ thống trên trong thực tế Từcác ứng dụng trên đây cho thấy rằng việc nghiên cứu điều khiển hệ thống giảm chấntích 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 sảnxuất phương tiện vận tải, với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyếntính ta có thể cài đặt vào các phương tiện vận tải hoàn toàn sử dụng năng lượngđiện, dẫn đến khả năng chúng ta có tận dụng khả năng tái tạo năng lượng điện, chếtạo được các phương tiện tiết kiệm năng lượng, không ô nhiễm môi trường phù hợpvới 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 dụngđộng 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 thụđộng, trong khi đó có đáp ứng nhanh hơn, đặc tính động học tốt hơn, kích thước nhỏhơn 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 vàthực thi bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối ưu LQG với mụcđích điều khiển lực cản dịu sao cho hệ thống ít dao động nhất và năng lượng sửdụng cho dập tắt dao động là ít nhất Để làm được điều này luận văn cũng thiết kếcác mạch vòng điều khiển bên trong như điều khiển lực và điều khiển dòng chođộng cơ tuyến tính sao cho tạo ra lực cản dịu giống như yêu cầu từ bộ điều khiểndập tắt dao động ở mạch vòng ngoài thiết lập

- Mục tiêu cụ thể

LQG để điều khiển lực cản dịu saocho hệ thống ít dao động nhất vànăng lượng sử dụng cho dập tắt dao động là ít nhất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

- Các kết quả đạt được trong luận văn

dụng động cơ tuyến tính

ưu LQG cho mạch vòng điều khiển dập tắt dao động bên ngoài

tạo lực giảm chấn ở mạch vòng bên trong

tuyến tính tại phòng 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 hệ thốnggiảm chấn tích cực Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn, phân tích ưuđiểm của động cơ tuyến tính và khả năng ứng dụng của động cơ tuyếntính trong hệ thống giảm chấn tích cực Nội dung này trình bày trongchương 1 của luận văn

b Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định các thông

số ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống giảm chấn Xây dựng mô hìnhliên quan giữa lực đẩy của động cơ và dòng điện của động cơ tuyến tính.Xây dựng mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụngđộng cơ tuyến tính Nội dung này được thực hiện trong chương 2 của luậnvăn

c Từ mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực, sử dụng mô hìnhnày để thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều khiển tối

ưu LQG Tác động điều khiển được thực hiện tính toán thông qua các sailệch đo được để cho ra tín hiệu đưa tới động cơ nhằm thực hiện lực giảmchấn sao cho thời gian dập tắt dao động là nhanh nhất, tác động điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

khiển là ít nhất Bộ điều khiển được mô phỏng trên Matlab/Simulink Nội dung này được thực hiện ở chương 3 của luận văn

d Xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực tế tại phòng thínghiệm bộ môn Đo lường – Điều khiển, khoa điện tử Hệ thống được điềukhiển bằng Matlab/Simulink điều khiển thực, thuật toán điều khiển đượcviết và cài đặt trên nền simulink Các kết quả thí nghiệm phản ánh tínhđúng đắn của thuật toán và mô hình hệ thống giảm chấn tích cực đã xâydựng

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

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống giảm chấn tích cựcChương 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cựcChương 3: Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

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

Phần cuối là kết luận chung của đề tài

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC

1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn

Trong hình vẽ trên, d biểu diễn cho các tác động gây dao động từ bên ngoài

vào hệ thống, không biết trước với một dải tần số xác định, tác động này truyền đến

tính lò xo k t , khối treo khi chịu tác động của d phần tử có đặc tính lò xo k t sẽ bị dao

động của d Trong thực tế điều này không thể thực hiện được, tuy nhiên người ta có

nào đó xác định) đến khối thân trên là nhỏ nhất về biên độ cũng như khoảng thời

gian tác động Phần tử có đặc tính lò xo trong thực tế đó có thể là lốp xe, hoặc lò xov.v Khối cản dịu trong thực tế có thể là xi lanh chuyển động trong pit tông dầu, láthép chuyển động trong từ trường hoặc các cơ cấu cơ điện tử Hình vẽ 1-2 sau đây

trạng thái cân bằng, tại thời điểm từ 1 -2s, d thay đổi dưới dạng lực dạng xung

động của d, chất lượng của hệ thống giảm chấn càng giảm Nếu độ cứng của cácphần tử lò xo càng giảm thì thời gian dao động sẽ tăng lên, chất lượng giảm chấncũng sẽ giảm Khối lượng của các khối treo và khối thân trên cũng ảnh hưởng rất

trở thành một khâu cứng, khi khối lượng giảm thì cả hệ thống sẽ trở thành mộtkhâu dao động v.v

1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn

Hệ thống giảm chấn bao gồm hai loại chính đó là hệ thống giảm chấn thụ động

và hệ thống giảm chấn tích cực

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

F s (0.1)

dt

F s = 0 do đó lực cản dịu không ảnh hưởng đến hệ thống khi hệ ở trạng thái cân

Đặc điểm của hệ thống giảm chấn thụ động là chúng ta không chủ động điều

b Hệ thống giảm chấn tích cực

Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực (hay còn gọi là hệ thống giảm chấn chủ

động) như hình vẽ sau, trong đó khác với hệ thống giảm chấn thụ động là khối cản

dịu có lực cản dịu được sinh ra bằng cách sử dụng một nguồn năng lượng bênngoài Phần tử này có thể thực hiện bằng cơ cấu thủy lực hoặc bằng cơ cấu điện từ.Chính vì ta có thể thay đổi được lực cản dịu một cách chủ động về độ lớn và chiềunên nó được gọi là hệ thống giảm chấn tích cực Do vậy ta có thể điều chỉnh đượclực cản dịu sao cho phù hợp với mục đích giảm chấn của hệ thống một cách linhhoạt

Đối với hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng hệ thống thủy lực, xi lanh sẽchuyển động lên hoặc xuống để tạo ra lực cản dịu bằng một hệ thống bơm dầu chủđộng Đặc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực là có thể tạo ra lựccản dịu lớn, tuy nhiên đáp ứng chậm, do vậy thường ứng dụng cho các hệ thốnglớn, ví dụ như hệ thống tàu hỏa, tàu thủy, hệ thống duy trì cân bằng cho các bệ đỡnòng pháo v.v Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực như hình vẽsau, trong đó 5 là xi lanh và pitong dầu, 7 là van dẫn dầu và 8 là đường ống bơmdầu.

Đối với hệ thống giảm chấn tích cực bằng cơ cấu điện từ, phần tử cản dịuchính là một cơ cấu điện từ có khả năng tạo chuyển động lên xuống bằng cách sửdụng nguồn điện từ bên ngoài đưa vào

Cơ cấu điện từ

Hình vẽ 1-6 minh họa hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ,lực cản dịu được sinh ra do từ trường mang bởi dòng điện đưa từ bên ngoài vào để

tạo ra một nam châm Đặc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấuđiện từ là có thể tạo ra lực cản dịu với tần số rất nhanh, tuy nhiên lực không lớnbằng hệ thống giảm chấn tích cực bằng thủy lực Điều này cho phép ứng dụngtrong các hệ thống có khối lượng vừa và nhỏ một cách linh hoạt.

c Hệ thống giảm chấn bán chủ động

Ngoài hai hệ thống giảm chấn tích cực chủ động và thụ động như trên, mộtgiải pháp kết hợp hai loại này chính là hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động

Hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động là hệ thống giảm chấn thụ động có sửdụng thêm một phần tử cản dịu chủ động như minh họa ở hình vẽ sau, phần tử cảndịu chủ động thường là cơ cấu điện từ Hệ thống này thường dùng cho các hệ thốnglớn cần tăng tốc độ đáp ứng của lực cản dịu

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

Hệ thống giảm chấn có nhiệm vụ dập tắt dao động tác động từ bên ngoài vào

hệ thống và duy trì ổn định của khối thân trên, do vậy hệ thống phải đáp ứng đượcvới dải tần càng rộng càng tốt của dao động Các hệ thống giảm chấn thủy lực tuy

có ưu điểm là có khả năng tạo ra lực giảm chấn lớn tuy nhiên vấn đề thời gian trễ

và chỉ đáp ứng với một dải tần hẹp cho nên nó không được áp dụng cho các hệthống có kích cỡ nhỏ và các dao động có dải tần rộng, chính vì vậy trong cácnghiên cứu gần đây người ta chuyển sang sử dụng các hệ thống giảm chấn điện từ[1] vì chúng có các ưu điểm nổi bật sau đây:

Lực cản dịu để dập tắt dao động được tạo ra trực tiếp từ nguồn điện màkhông qua một khâu trung gian truyền dẫn cơ khí nên đáp ứng nhanhhơn, linh hoạt hơn và không bị ảnh hưởng bởi lực ma sát

của hệ thống được nâng cao, đáp ứng được với các dao động với các dảitần rộng

về mặt thời gian bằng các thuật toán điều khiển

1.3 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 dụngđộng cơ tạo chuyển động quay và hệ thống vit me để tạo chuyển động lên xuống,động cơ quay đó có thể là động cơ servor tuy nhiên nhược điểm của phương phápnày là tồn tại ma sát giữa các bánh răng, tốc độ chậm và kém linh hoạt [3] Hiệnnay xu hướng xử dụng động cơ tuyến tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp có ưuđiểm là lực điện từ được tạo ra trực tiếp mà không có cần sử dụng cơ cấu truyền cơkhí, do đó ma sát thấm, độ chính xác cao, tuổi thọ dài, do đó cho phép tạo ra các hệthống giảm chấn tích cực được điều khiển bằng các thuật toán điều khiển cho phépdập tắt các dao động của hệ thống một cách có hiệu quả [1][2] Một số hình ảnh vềviệc sử dụng động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực

Hình 0-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính

Động cơ tuyến tính có hai dạng đó là động cơ tuyến tính đồng bộ và động cơtuyến tính không đồng bộ So với động cơ quay thông thường, stator và trục dịchchuyển tuyến tính, có thể coi là đường kính stator dài vô hạn Động cơ tuyến tính

có khả năng tạo ra chuyển động dịch chuyển với vận tốc cao lên đến khoảng200m/phút, gia tốc lớn và lực lên đến kN

Như đã đề cập ở trên, lực điện từ có thể được tác dụng trực tiếp vào tải trọng

mà không có sự can thiệp của một cơ cấu truyền tải, dẫn đến hệ thống có độ tin cậycao hơn và tuổi thọ cao hơn

1.4 Các ứng dụng và xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

- Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải [4]

Hình 0-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải

1.1.2 Các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực

Thuật toán điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực là một thuật toán tươngđối phức tạp, trong thuật toán đó cần cân nhắc hài hòa giữa các yếu tố đó là thờigian đáp ứng và gia tốc Hiện đang có những xu hướng thiết kế điều khiển đó là sửdụng bộ điều khiển PI và PID [5], sử dụng bộ điều khiển LQG [6], sử dụng bộ điều

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ưu điểm của hệthống giảm chấn tích cực và hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ.Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực trong thực tế Từ các phân tích ưunhược điểm trên chương 1 trình bày về việc ứng dụng động cơ tuyến tính trong hệthống giảm chấn tích cực, các xu hướng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cựchiện nay Qua đó trình bày về tính cấp thiết về nghiên cứu điều khiển hệ thốnggiảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính hiện nay Từ phân tích đó luận văn

đã lựa chọn các nội dụng nghiên cứu, xây dựng các mục tiêu cần đạt được trongluận văn

là độ cứng của của phần tử lò xo liên hệ giữa bề mặt tạo dao động và

b s

lần lượt là độ cứng của phần tử lò

Đặt các biến trạng thái: d là nhiễu tác động từ bên ngoài vào gây ra dao

khối thân trên Theo [6] phương trình động học của hệ thống giảm chấn thụ độngđược mô tả như sau:

x s x

mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực bằng cách thay thế khối giảm chấn bằng

cơ cấu chấp hành điện từ, cơ cấu này sinh ra một lực giảm chấn tích cực

phương trình động học của hệ thống giảm chấn tích cực trở thành

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

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

 (2.3)

Az BF s

T T

x s x s xus xus 0 0 0 0

4005020000

1000 /180000

Từ mô hình (2.4) ta thấy rằng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực bao gồm

phần

nhiễu loạn tác động từ bên ngoài vào hệ thống (thành phần Ld ) Nhiệm vụ điều

khiển là cần xác định thành phần u sao cho với tác động từ bên ngoài không biết

gốc tọa độ, hay điểm cân bằng của hệ thống là

x   Bài toán điều khiển phụ thuộc

vào đặc tính động học của hệ thống (các ma trận A, B) hay các tham số của hệ.

Phần tiếp sau sẽ nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số hệ thống đến đặc tínhđộng học

của hệ

2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ

Sử dụng Matlab/Simulink với các tham số vật lý giả thiết được cho của hệgiảm chấn thụ động như bảng sau đây

Khối lượng khối thân trên: m s kg

Sau khi sử dụng thư viện simscape của Matlab ta được các khối bên trong và các tham số của của hệ thống giảm chấn tích cực như trên các hình từ 2-4 đến Hình 2-6.

simscape

Ý nghĩa của các khối sử dụng trong mô hình như sau:

Khối Translation Spring là khối đặc trưng cho phần tử lò xo

Khối Mass là khối đặc trưng cho phần tử khối lượng

Khối Translation Damper là khối đặc trưng cho phần tử cản dịu

Khối Mechanical Translation Reference là khối đặc trưng cho điểm quy chiếu vật lý trong hệ, hay còn gọi là điểm gốc

Khối Ideal Force Source là khối tạo ra lực vật lý

Khối Ideal Translational Motion Sensor là khối đo các đại lượng vật lý chuyển động như vị trí, vận tốc

Khối Simulink – PS Converter là khối chuyển đổi từ đại lượng không có đơn vị của Simulink sang đại lượng vật lý có đơn vị xác định

Khối PS – Simulink Converter là khối chuyển từ đại lượng vật lý có đơn

vị sang đại lượng không có đơn vị của Simulink

Khối Solver Configuration là khối thực hiện giải nghiệm vật lý trong hệ thống

l Reference 1

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

a) Nhiễu d(t) có dạng xung vuông

Nhieu d(t) tac dong vao he thong giam chan 1

0 5 10 15

0.02 0 -0.02

0 5 10 15

0.02 0 -0.02 -0.04

0 5 10 15

t(s)

Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng khi chịu tác động của nhiễu d(t) thành phần

giống với d(t), khi kt càng nhỏ thì dạng dao động càng mềm và có thời gian tắt lâu

động lên xuống với thời gian tắt lâu hơn Thời gian tắt và dạng dao động phụ thuộc

là các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi phản ứng với d(t) có dạng ngẫu nhiên

xs(t) 0

-0.05 -0.1 -0.15

0 5 10 15 0.05

xus(t) 0

-0.05 -0.1 -0.15

0 5 10 15 0.1

xs(t)-xus(t) 0.05

0 -0.05 -0.1

0 5 10 15

t(s)

Hình 0-8 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động có dạng bất kỳ

2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống

Vì hệ thống giảm chấn làm việc với các tác động lực bên ngoài vào có cáctần số dao động khác nhau, chính vì thế, đáp ứng đối với tần số của hệ thống là mộtđánh giá rất quan trọng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống Để xây dựng hàmtruyền đáp ứng tần số của hệ thống ta cần giả thiết rằng các phần tử trong hệ thốnggiảm chấn là tuyến tính, từ các phương trình chuyển động của khối thân trên và khốitreo ta có thể xác định được các hàm truyền trong hệ, từ các hàm truyền này ta cóthể biết được đáp ứng tần số của hệ thống như thế nào Gọi biến đổi Laplace của cácbiến x s (t ), xus (t ), d

hay là hàm truyền tổng quát của cả hệ giảm chấn là:

này biểu diễn quan hệ giữa tác động dao động đầu vào đến sự biến thiêncủa khối treo so với chính nó

Gdus (s)

D(s) m m s s us

(2.8)

biểu mô tả như sau:

Gsus (s)

D(s) m m s s us

(2.9)

Để khảo sát đặc tính tần số của các hàm truyền trên ta sử dụng các tham số vật lý của hệ giảm chấn như sau đây, dải tần số thay đổi từ 0 đến 15Hz.

Khối lượng khối thân trên: m s kg

Độ cứng của phần tử lò xo: k s N / m

Hệ số cản dịu của khối cản dịu: b s / m

Độ cứng của phần tử lò xo: k t N / m

Vì hệ thống có hai bậc tự do, cho nên nó có hai tần số dao động riêng, các tần

Ta thấy rằng các hàm truyền của hệ thống giảm chấn được xác định trên đây

(s)

hoàn toàn không độc lập với nhau Hay nói cách

khác, chúng quan hệ với nhau các hạn chế lẫn nhau Để thấy điều này ta cộng haiphương trình chuyển động của khối treo và khối thân trên lại, ta được

m s x s



(2.13)

m s2

k G (s) m m s 2

s t dus us s us

G s (s) G dus (s) 1

s s

s

s

Đây là phương trình của mô hình giảm chấn khi không xét đến đến lực cản dịu

là tích cực hay thụ động tác động vào hệ thống Biến đổi Laplatce với điều kiện đầubằng 0 phương trình (2.13) trở thành

2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống

Mô hình (2.2) chứa thành phần lực cản dịu cần điều chỉnh, lực này được tạo

ra bởi động cơ tuyến tính, do vậy ta cần đi xác định mô hình của động cơ tuyến tínhliên hệ giữa điện áp (dòng điện) cấp vào động cơ và lực cản dịu tạo ra

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 uốn cong tạo thành hình

Nam châm

Phần kim loại bằng nhôm

Stator Phần di chuyển (rotor)

Để xây dựng mô hình của LBM, ta có một số giả thiết sau đây:

phần di chuyển

Dựa trên định luật Faraday, phương trình mô tả phần điện của LBM như sau:

dt

(2.19)

dt dt

trong đó , là từ thông liên kết ở các pha A, B, C được biểu diễn bởi

mc m

p 3

cos x cos x

d M s s s i a L di b M di c x

dt

d

M s s s i a M di b L di c x dt

dx 2 m sin

p dt 3

23