Nâng cao chất lương HTĐ điện bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá mô men cản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ THÁI HÀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ MƠ MEN CẢN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Hà Nội - Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ THÁI HÀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ MƠ MEN CẢN Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Cán hướng dẫn chính: TS Nguyễn Thanh Tiên Hà Nội - Năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Cán chấm phản biện 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán chấm phản biện 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày tháng năm 2016 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Thái Hà Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí sở đánh giá mô men cản Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tiên Tác giả, cán hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: ………………………………………………………………………………… .……………… ………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… ………… ……… …………………………………………………………… ……………………………………… ……………………………………… Ngày tháng năm 20 Cán hướng dẫn Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) CHỦ TỊCH HOẶC THƯ KÝ HỘI ĐỒNG (Kỹ ghi rõ họ tên) Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Thái Hà MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Bản xác nhận chỉnh sửa luận văn Bản cam đoan Mục lục Tóm tắt luận văn Danh mục hình vẽ MỤC LỤC Trang .7 Trang phụ bìa Bản xác nhận chỉnh sửa luận văn Bản cam đoan Mục lục Tóm tắt luận văn Danh mục hình vẽ TÓM TẮT LUẬN VĂN Chương MÔ MEN CẢN - NHIỄU TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM SÁT VỊ TRÍ; BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI TRONG CHẾ ĐỘ TRƯỢT 1.1 Phương trình trạng thái truyền động điện 1.2 Đặc tính tải 1.3 Chế độ làm việc hệ truyền động bám 1.4 Quan sát trạng thái hệ thống điều khiển .10 1.4.1 Phản hồi trạng thái 10 1.4.2 Tổng hợp quan sát trạng thái 12 1.4.3 Bộ quan sát hệ thống có nhiễu loạn bất định – Bộ quan sát trượt .15 Kết luận chương 28 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ MƠ MEN CẢN SINH RA DO MA SÁT TRÊN CƠ SỞ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT .29 2.3 Tổng hợp quan sát trạng thái, đánh giá mô men cản .37 2.4 Xây dựng mơ hình mơ 42 Chương NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ THÍCH NGHI THÀNH PHẦN MƠ MEN CẢN 47 3.3 Đánh giá mô men ma sát 52 3.4 Tổng hợp điều khiển đánh giá số ma sát 53 3.5 Xây dựng mơ hình mơ 58 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .65 Kết luận chung 65 Khuyến nghị 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 TÓM TẮT LUẬN VĂN + Họ tên học viên: Vũ Thái Hà + Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Khố: 26 + Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tiên + Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí sở đánh giá mơ men cản + Tóm tắt: Nội dung luận văn trình bày cách tổng quan ảnh hưởng mô men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát vị trí Xây dựng mơ hình đánh giá mô men cản sinh ma sát Nâng cao độ xác bám sát vị trí sở đánh giá thích nghi thành phần mơ men cản Kiểm chứng kết nghiên cứu mô hệ thống điều khiển phần mềm Matlab-Simulink DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2 2 V& = −c1 e1e2 − (c2 − c1 )e2 − 2α ( x2 ) x2 z% − σˆ 0σˆ1e2 + e2e3 Để sai số e2 → sau khoảng thời gian t ³ t2 ta cần đảm bảo e3 ® trước Bước 3: Trong bước ta quan tâm đến tốc độ hội tụ khơng biến e3 ® Từ (3.20) ta có: e3 = K J eq x3 + c2e2 − σˆ zˆ + σˆ1α ( x2 ) x2 zˆ − (3.25) − (σˆ1 + σˆ ) x2 − & x& 1tt − f (t , ζ ,ψ ) Vi phân (3.25) theo thời gian ta có: e&3 = K J eq ˆ zˆ + σ& ˆ1α ( x2 ) x2 zˆ − x&3 + c2e&2 − σ& & & ˆ1 + σ& ˆ ) x2 − & & − (σ& x& 1tt − σˆ zˆ + σˆ1α ( x2 ) x2 zˆ − d d − (σˆ1 + σˆ ) x&2 + σˆ1zˆ α ( x2 ) x2 − f (t , ζ ,ψ ) dt dt Thay phương trình có liên quan vào (3.26), ta thực sau: Trước tiên ta đặt hàm phụ sau: Φ (.) = K R ˆ zˆ + σˆ&1α ( x2 ) x2 zˆ − ( − b x2 − u ) − σ& J eq Lu Lu K & & ˆ1 + σ& ˆ ) x2 − & & − (σ& x& 1tt − σˆ zˆ + σˆ1α ( x2 ) x2 zˆ − d d − (σˆ1 + σˆ ) x&2 + σˆ1zˆ α ( x2 ) x2 − f (t , ζ ,ψ ) dt dt K b= J eq Lu Từ ta nhận được: (3.26) e& = −c1 c2e1 − (c2 − c1 )c2e2 + c2e3 + Φ (.) + bu (3.27) Kết hợp bước ta nhận hệ biến sai số, quy luật hiệu chỉnh hệ số: e& = −c1e1 + e2 e&2 = −c12e1 − (c2 − c1 )e2 + e3 − − σ% z − σ% 1α ( x2 ) x2 z − (σ% + σ% ) x2 − − σˆ z%− σˆ1α ( x2 ) x2 z% σ& ˆ = − ze2  ˆ1 = − ze &2 σ& & σˆ = − x2e2  vz = −σˆ 0e2 − α ( x2 ) x2 z% e& = −c1 c2e1 − (c2 − c1 )c2e2 + c2e3 + Φ (.) + bu Trong hệ động học hệ thống phân chia trình: e3 → e2 → e1  →0 t3 t2 t1 (3.28) Khi thiết kế hệ thống ta đưa yêu cầu xác định thời gian đáp, tức sau khoảng thời gian xác định sai số bám sát phải giới hạn cho phép Lựa chọn biến điều khiển u có dạng: ˆ (.) − c sgn(e ) bu = −Φ 3 (3.29) Trong Φˆ (.) ước lượng Φ (.) Đảm bảo xuất chế độ trượt đường trượt e3 = Khi lựa chọn ˆ (.) c3 > Φ (.) − Φ (3.30) e3e& < Khi xuất chế độ trượt sai số e3 → sau khoảng thời gian t ≥ t3 Kết luận: Xét hệ động học (3.6)-(3.9), với điều khiển (3.29), điều kiện (3.30) quan sát ma sát (3.11), luật cập nhật số không xác định thành phần mơ hình qna sát ma sát (3.24) sau khoảng thời gian xác định t ³ t1 > t2 > t3 > thỏa mãn (3.10), nghĩa toán bám sát giải hồn tồn 3.5 Xây dựng mơ hình mơ Mơ hình mơ xây dựng MATLAB-SIMULINK, với tham số khảo sát sau: - Động điện loại động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu kết hợp mơ hình trục vít tuyến tính Hình 3.2 Kích thước động tuyến tính IMD3 SuperJack Với thông số kỹ thuật: - Tốc độ 0-12mm/s, tải trọng 70KgN - Khẩu độ dài cố định: L1 = 158mm - Cự ly di chuyển: L3 = 50mm - Chiều dài cực đại chưa kể đến khớp nối 208mm, cực tiểu 158mm tính theo tâm lỗ - Thời gian di chuyển hết hành trình với tốc độ cực đại t = 4.17s với tham số: Ru = 10W, Lu = 10 mH , K = 1387.63( N / A) / ( kgm ) J eq Cơ cấu công tác với mô men quán tính quy đổi J eq = 0.1 kgm Mơ hình ma sát với tham số danh định: σ = 421.6 N ;σ1 = 6.738 Nm / (rad / s ); f c = 0.09171N , f s = 0.0255 N Mơ hình mơ xây dựng MATLAB-SIMULINK Xây dựng mơ hình khảo sát: Hình 3.3 Xây dựng hàm a ( x2 ) SIMULINK Hình 3.4 Mơ hình mơ men ma sát theo (17),(18), (19) Hình 3.5 Kết mơ mơ men ma sát Hình 3.6 Mơ hình quan sát mơ men ma sát (18) Hình 3.7 Mơ hình hiệu chỉnh tham số Hình 3.8 Mơ hình tổng hợp với bù mơ men ma sát Kết quả mơ có dạng sau: Hình 3.9 Điện áp điều khiển đặt vào phần ứng động chấp hành Hình 3.10 Sai số hội tụ theo dạng hàm mũ Sau xây dựng mơ hình mơ off-line Matlab-Simulink ta nhận kết minh chứng cho phần phân tích Hình 3.9 Sai số bám sát hội tụ dạng hàm mũ Kết bám sát bền vững thay đổi tham số mơ men ma sát Mơ hình thực nghiệm: Trong nghiên cứu này, đối tượng cụ thể thực nghiệm với hệ thống điều chỉnh định hướng anten Viba sau: Hình 3.11 Hệ thống anten định hướng Viba Trên sở lý thuyết đưa ra, ta tiến hành thực nghiệm với hệ truyền động bám sát làm việc tốc độ chậm mơ hình hệ thống anten Viba làm nhiệm vụ thu phát tín hiệu quân sự, xây dựng hệ truyền động bám sát với thiết bị đo lường điều khiển mơ hình vật lý Cần minh chứng đắn thuật toán vừa tổng hợp, sở đánh giá chất lượng mơ hình: Với cấu chấp hành tính đến động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu điều khiển thông qua đổi tốc, có kết hợp với hệ thống đo lường, lọc tín hiệu nhiễu nhiều thiết bị đại khác Sau kết nối thiết bị điều khiển với hệ thống điều chỉnh định hướng anten Viba, ta nhận số kết khả quan Tuy nhiên để có ứng dụng thực tế cần phải thử nghiệm qua nhiều bước: Thử nghiệm đo đạc sai số, thử nghiệm tính bền vững tác động nhiễu, ma sát Kết luận chương Các nội dung trình bày bước tổng hợp luật điều khiển hệ truyền động bám góc có tính đến thành phần khơng xác định xác mơ hình ma sát Luật điều khiển tổng hợp chế độ trượt dựa việc tính tốn mặt trượt xác định theo (31) bao gồm dòng điện, tốc độ quay thành phần đánh giá mô men ma sát Kết mơ chứng minh tính bền vững luật điều khiển Với kết này, ứng dụng xây dựng thiết bị thực an ten Viba tổ hợp đa Monolit-B cho kết tốt KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận chung Sau thời gian thực luân văn với nhiều cố gắng nỗ lực thân với hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Thanh Tiên thầy môn kỹ thuật điều khiển Luận văn “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí sở đánh giá mơ men cản” hồn thành thời gian quy định theo yêu cầu đặt Những cơng việc hồn thành luận văn là: - Phân tích dạng tải hệ truyền động điện, đặc biệt hệ truyền động bám sát làm việc chế độ chịu ảnh hưởng thành phần cản khơng xác định thiết phải đánh giá thành phần cản không xác định Để đánh giá thành phần cản không xác định ta xây dựng quan sát, cho phép đánh giá Đồng thời nội dung chương trình bày cách khái quát quan sát trạng thái cho hệ khơng có nhiễu hệ chịu tác động nhiễu - Kết cấu trúc quan sát chế độ trượt, quan sát mô men ma sát làm định hướng cho thiết kế thiết bị để nhận đánh giá mô men xoắn Mô hình kiểm chứng thơng qua mơ offline MATLAB-SIMULINK, thể tính đắn mặt lý thuyết Thơng qua kết ta xây dựng vòng điều chỉnh mô men xoắn động chế độ tải khác - Các nội dung trình bày bước tổng hợp luật điều khiển hệ truyền động bám góc có tính đến thành phần khơng xác định xác mơ hình ma sát Luật điều khiển tổng hợp chế độ trượt dựa việc tính tốn mặt trượt xác định theo bao gồm dòng điện, tốc độ quay thành phần đánh giá mô men ma sát Kết mô chứng minh tính bền vững luật điều khiển Với kết này, ứng dụng xây dựng thiết bị thực an ten Viba tổ hợp đa Monolit-B cho kết tốt Các kết đạt luận văn hồn tồn phục vụ cho việc nghiên cứu ứng dụng hệ truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao ứng dụng khí tài quân dân sinh Tuy nhiên thời gian có hạn khả trình độ thân có hạn nên khơng khỏi có thiếu sót Vì tác giả mong đóng góp ý kiến thầy, bạn đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Thanh Tiên, thầy khoa giúp em hoàn thành tốt luận văn Khuyến nghị Hướng phát triển đề tài: Luận văn làm sở cho việc tiếp tục nghiên cứu cải tiến hệ thống truyền động súng pháo phòng khơng đặt xe động nói riêng hệ bám nói chung Tiến tới làm chủ thiết kế đưa vào thử nghiệm thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Bui Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn; Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB KHKT-2008 Nguyễn Thanh Tiên, Lê Văn Duyên, Dương Ngọc Khang; Tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động lắc với động đồng nam châm vĩnh cửu sở phương pháp điều khiển trượt, Hội nghị điện tử toàn quốc lần thứ – 2012 Nguyễn Thanh Tiên, Lê Văn Duyên, Dương Ngọc Khang Tổng hợp điều khiển bám sát cho hệ truyền động súng pháo với động đồng nam châm vĩnh cửu sở phương pháp phân khối điều khiển trượt, VCCA 2013 Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển nâng cao NXB KHKT 2009 Jay A Farrell, Marios M Polycarpou; Adaptive approximation based control : unifying neural, fuzzy and traditional adaptive approximation approaches; John Wiley & Sons, Inc 2006 Jeffrey T Spooner, Manfredi Maggiore, Ra´ul Ord´o˜nez, Kevin M Passino; Stable Adaptive Control and Estimation for Nonlinear Systems: Neural and Fuzzy Approximator Techniques John Wiley & Sons, Inc 2002 Jinkun Liu, Xinhua Wang, Advanced Sliding Mode Control for Mechanical Systems John Chiasson, Modeling and high performance control of electric machines, A John wiley & sons 2005 Krstíc, M.; Kanellakopoulos I.; Kokotovíc, P.: Nonlinear and Adaptive Control Design John Wiley & Sons, Inc., New York 1995 10 H Olsson, K.J Åström, C Canudas de Wit, M Gäfvert, P Lischinsky; Friction Models and Friction Compensation; American Control Conference, pages 1920–1926, San Francisco, California,1993 11 Utkin V., Guldner J, Shi J., Sliding Mode Control in Electromechanical Systems, CRC Press LLC, 1999 12 Leonid Freidovich, et al; LuGre-Model-Based Friction Compensation; IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL 18, NO 1, JANUARY 2010 13 Tong Heng Lee, Kok Kiong Tan, and Sunan Huang; Adaptive Friction Compensation With a Dynamical Friction Model; IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL 16, NO 1, FEBRUARY 2011 14 Zhiping Li, Jie Chen, Guozhu Zhang, and Minggang Gan; Adaptive Robust Control of Servo Mechanisms With Compensation for Nonlinearly Parameterized Dynamic FrictionIEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, VOL 21, NO 1, JANUARY 2013 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Vũ Thái Hà Ngày tháng năm sinh: 23/08/1988 Nơi sinh: Đồng Hỷ - Thái Nguyên Địa liên lạc: Sơn Giao – Ngọc Sơn – Hiệp Hòa – Bắc Giang Q trình đào tạo: Từ 2007-2012: Sinh viên trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun Q trình cơng tác: Từ 6/2012 đến nay: Nhân viên Công ty TNHH Samsung Electronics Việt Nam XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN BẢO VỆ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Thái Hà Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí sở đánh giá mô men cản Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tiên Đã đủ điều kiện bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Thanh Tiên Vũ Thái Hà CHỦ NHIỆM KHOA (BỘ MÔN) CÁN BỘ KIỂM TRA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) ... giá mô men cản .37 2.4 Xây dựng mơ hình mơ 42 Chương NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ THÍCH NGHI THÀNH PHẦN MƠ MEN CẢN 47 3.3 Đánh giá mô men ma sát ... cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí sở đánh giá mơ men cản + Tóm tắt: Nội dung luận văn trình bày cách tổng quan ảnh hưởng mô men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát. .. truyền động bám sát vị trí Xây dựng mơ hình đánh giá mơ men cản sinh ma sát Nâng cao độ xác bám sát vị trí sở đánh giá thích nghi thành phần mơ men cản Kiểm chứng kết nghiên cứu mô hệ thống điều