Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của luận văn đã trình bày một cách tổng quan ảnh hưởng của mô men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát vị trí. Xây dựng mô hình đánh giá mô men cản sinh ra do ma sát. Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá thích nghi thành phần mô men cản. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm Matlab-Simulink.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHỊNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN 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 Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Hà Nội Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHỊNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN 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 Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Thanh Tiên Hà Nội Năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ Cán bộ chấm phản biện 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán bộ chấm phản biện 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Luận văn thạc sĩ được 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 do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và 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 trên cơ sở đánh giá mơ men cản Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tiên Tác giả, cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… .………… với các nội dung sau: ………………………………………………………………………………… .……………… ………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… ………… ……… …………………………………………………………… ……………………………………… ……………………………………… Ngày tháng năm 20 Cán bộ hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) Tác giả luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) CHỦ TỊCH HOẶC THƯ KÝ HỘI ĐỒNG (Kỹ và ghi rõ họ tên) Tơi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hồn tồn trung thực, của tơi, khơng vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và 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 8 Trang 8 Trang phụ bìa 8 Bản xác nhận chỉnh sửa luận văn 8 Bản cam đoan 8 Mục lục 8 8 Tóm tắt luận văn 8 Danh mục các hình vẽ 8 TÓM TẮT LUẬN VĂN 10 Chương 1. MÔ MEN CẢN NHIỄU TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM SÁT VỊ TRÍ; BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI TRONG CHẾ ĐỘ TRƯỢT 4 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 bộ quan sát trạng thái 13 1.4.3 Bộ quan sát khi hệ thống có nhiễu loạn bất định – Bộ quan sát trượt 17 Kết luận chương 30 Chương 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ MƠ MEN CẢN SINH RA DO MA SÁT TRÊN CƠ SỞ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT 32 2.3 Tổng hợp quan sát trạng thái, đánh giá mô men cản .40 2.4 Xây dựng mơ hình mơ 45 Chương 3. NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ THÍCH NGHI THÀNH PHẦN MƠ MEN CẢN 52 3.3 Đánh giá mô men ma sát 57 3.4 Tổng hợp điều khiển đánh giá số ma sát 58 3.5 Xây dựng mơ hình mơ 64 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 71 Kết luận chung 71 Khuyến nghị 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 TĨM TẮT LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Vũ Thái Hà + Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Khố: 26 + Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tiên + Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá mơ men cản + Tóm tắt: Nội dung của luận văn đã trình bày một cách tổng quan ảnh hưởng của mơ men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát vị trí. Xây dựng mơ hình đánh giá mơ men cản sinh ra do ma sát. Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá thích nghi thành phần mơ men cản Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mơ phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm MatlabSimulink σˆ = − ze2 σˆ = − ze σˆ = − x2e2 vz = −σˆ 0e2 − α ( x2 ) x2 z% e3 = −c12c2e1 − (c2 − c1 )c2e2 + c2e3 + Φ(.) + bu Trong hệ mới này động học hệ thống được phân chia ra các quá trình: e3 t3 e2 t2 e1 t1 (3.28) Khi thiết kế hệ thống ta đưa ra u cầu xác định về thời gian đáp, tức là sau khoảng thời gian xác định thì sai số bám sát phải trong giới hạn cho phép Lựa chọn biến điều khiển u có dạng: ˆ (.) − c sgn(e ) bu = −Φ 3 (3.29) Trong đó Φˆ (.) là ước lượng của Φ (.) Đảm bảo xuất hiện chế độ trượt trên đường trượt e3 = Khi lựa chọn ˆ (.) c3 > Φ (.) − Φ (3.30) thì e3e3 < Khi đó sẽ xuất hiện chế độ trượt thì sai số e3 t t3 sau khoảng thời gian Kết luận: Xét hệ động học (3.6)(3.9), với điều khiển (3.29), điều kiện (3.30) và bộ quan sát ma sát (3.11), luật cập nhật các hằng số khơng xác định và thành phần của mơ hình qna sát ma sát (3.24) thì sau khoảng thời gian xác định t t1 > t2 > t3 > thì thỏa mãn (3.10), nghĩa là bài tốn bám sát được giải hồn tồn 3.5. Xây dựng mơ hình mơ phỏng Mơ hình mơ phỏng được xây dựng trong MATLABSIMULINK, với các tham số khảo sát như sau: Động cơ điện là loại động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu kết hợp mơ hình trục vít tuyến tính Hình 3.2. Kích thước của động cơ tuyến tính IMD3 của SuperJack Với các thơng số kỹ thuật: Tốc độ 012mm/s, tải trọng 70KgN Khẩu độ dài cố định: L1 = 158mm Cự ly di chuyển: L3 = 50mm Chiều dài cực đại chưa kể đến các 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 K các tham số: Ru = 10W, Lu = 10 mH , J eq = 1387.63( N / A) / ( kgm ) Cơ cấu cơng tác với mơ men qn tính quy đổi J eq = 0.1 kgm2 Mơ hình ma sát với các 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 phỏng được xây dựng trong MATLABSIMULINK Xây dựng mơ hình khảo sát: Hình 3.3. Xây dựng hàm a ( x2 ) trong SIMULINK Hình 3.4. Mơ hình mơ men ma sát theo (17),(18), (19) Hình 3.5. Kết quả mơ phỏng 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 quả mơ phỏng có dạng sau: Hình 3.9. Điện áp điều khiển đặt vào phần ứng của động cơ chấp hành Hình 3.10. Sai số hội tụ theo dạng hàm mũ Sau khi xây dựng mơ hình mơ phỏng offline trong MatlabSimulink ta nhận được kết quả minh chứng cho phần phân tích trên H ình 3.9. Sai số bám sát hội tụ dạng hàm mũ. Kết quả bám sát bền vững khi thay đổi các tham số của 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 như sau: Hình 3.11. Hệ thống anten định hướng Viba Trên cơ sở lý thuyết đã đưa ra, ta tiến hành thực nghiệm với hệ truyền động bám sát làm việc tốc độ chậm là mơ hình hệ thống anten Viba làm nhiệm vụ thu phát tín hiệu trong qn sự, xây dựng hệ truyền động bám sát này với các thiết bị đo lường và điều khiển trên mơ hình vật lý. Cần minh chứng đúng đắn của thuật tốn vừa tổng hợp, trên cơ sở đánh giá chất lượng mơ hình: Với cơ cấu chấp hành được tính đến là động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu được điều khiển thơng qua bộ đổi tốc, có kết hợp với hệ thống đo lường, lọc tín hiệu nhiễu và nhiều thiết bị hiện đại khác Sau kết nối thiết bị điều khiển với hệ thống điều chỉnh định hướng anten Viba, ta nhận được một số kết quả khả quan. Tuy nhiên để có các ứng dụng trong thực tế cần phải thử nghiệm qua nhiều bước: Thử nghiệm đo đạc sai số, thử nghiệm tính bền vững dưới tác động của nhiễu, ma sát Kết luận chương 3 Các nội dung đã trình bày các bước tổng hợp luật điều khiển hệ truyền động bám góc có tính đến thành phần khơng xác định chính xác của mơ hình ma sát. Luật điều khiển được tổng hợp trong chế độ trượt dựa trên việc tính tốn mặt trượt xác định theo (31) bao gồm dòng điện, tốc độ quay và các thành phần đánh giá của mơ men ma sát. Kết quả mơ phỏng chứng minh tính bền vững của luật điều khiển. Với kết quả này, đã ứng dụng xây dựng thiết bị thực trên an ten Viba tổ hợp ra đa MonolitB cho kết quả tốt. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 1. Kết luận chung Sau thời gian thực hiện luân văn với nhiều cố gắng và nỗ lực của bản thân cùng với hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Thanh Tiên và các thầy trong bộ mơn kỹ thuật điều khiển. Luận văn “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá mơ men cản” đã hồn thành đúng thời gian quy định theo u cầu đặt ra Những cơng việc đã hồn thành trong luận văn là: Phân tích các dạng tải của hệ truyền động điện, đặc biệt hệ truyền động bám sát làm việc trong chế độ chịu ảnh hưởng của thành phần cản khơng xác định thì nhất thiết phải đánh giá được thành phần cản khơng xác định. Để đánh giá được thành phần cản khơng xác định này ta xây dựng bộ quan sát, cho phép đánh giá nó. Đồng thời nội dung chương này cũng trình bày một cách khái qt về bộ quan sát trạng thái cho hệ khơng có nhiễu và hệ chịu tác động của nhiễu Kết quả của đã chỉ ra cấu trúc bộ quan sát trong chế độ trượt, bộ quan sát mơ men ma sát làm định hướng cho thiết kế thiết bị để nhận được đánh giá mơ men xoắn. Mơ hình kiểm chứng thơng qua mơ phỏng offline trong MATLABSIMULINK, thể hiện tính đúng đắn mặt lý thuyết. Thơng qua kết quả này ta có thể xây dựng vòng điều chỉnh mơ men xoắn của động cơ trong các chế độ tải khác nhau Các nội dung đã trình bày các bước tổng hợp luật điều khiển hệ truyền động bám góc có tính đến thành phần khơng xác định chính xác của mơ hình ma sát. Luật điều khiển được tổng hợp trong chế độ trượt dựa trên việc tính tốn mặt trượt xác định theo bao gồm dòng điện, tốc độ quay và các thành phần đánh giá của mơ men ma sát. Kết quả mơ phỏng chứng minh tính bền vững của luật điều khiển. Với kết quả này, đã ứng dụng xây dựng thiết bị thực trên an ten Viba tổ hợp ra đa MonolitB cho kết quả tốt. Các kết quả đã đạt được của luận văn hồn tồn có thể phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng về hệ truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao ứng dụng trong khí tài qn sự và dân sinh Tuy nhiên do thời gian có hạn và khả năng cũng như trình độ của bản thân có hạn nên khơng khỏi có những thiếu sót. Vì vậy tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các bạn đồng nghiệp để đề tài này càng được hồn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Thanh Tiên, và các thầy trong khoa đã giúp em hồn thành tốt luận văn này 2. Khuyến nghị Hướng phát triển của đề tài: Luận văn làm cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu cải tiến hệ thống truyền động của súng pháo phòng khơng đặt trên xe cơ động nói riêng và các hệ bám nói chung. Tiến tới làm chủ thiết kế và đưa vào thử nghiệm trên thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bui Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn; Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB KHKT2008 2. Nguyễn Thanh Tiên, Lê Văn Duyên, Dương Ngọc Khang; Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ truyền động con lắc với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên cơ sở phương pháp điều khiển trượt, Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 – 2012 3. Nguyễn Thanh Tiên, Lê Văn Duyên, Dương Ngọc Khang Tổng hợp bộ điều khiển bám sát cho hệ truyền động súng pháo với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên cơ sở phương pháp phân khối và điều khiển trượt, VCCA 2013 4. 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 7. 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; LuGreModelBased 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 và tên: Vũ Thái Hà Ngày tháng năm sinh: 23/08/1988 Nơi sinh: Đồng Hỷ Thái Ngun Địa chỉ liên lạc: Sơn Giao – Ngọc Sơn – Hiệp Hòa – Bắc Giang Q trình đào tạo: Từ 20072012: Sinh viên trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Q trình cơng tác: Từ 6/2012 đến nay: Nhân viên Cơng ty TNHH Samsung Electronics Việt Nam XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN BẢO VỆ Họ và 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 trên cơ sở đánh giá mơ men cản Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 Cán bộ 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 và ghi rõ họ tên) (Ký và 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 và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) ... hưởng của mơ men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát vị trí. Xây dựng mơ hình đánh giá mơ men cản sinh ra do ma sát. Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá thích nghi thành phần mơ men cản Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mơ phỏng hệ thống điều khiển trên. .. Chương 3. NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ THÍCH NGHI THÀNH PHẦN MƠ MEN CẢN 52 3.3 Đánh giá mô men ma sát 57 3.4 Tổng hợp điều khiển đánh giá. .. Chương 1: Mơ men cản – Nhiễu trong hệ truyền động bám sát vị trí; bộ quan sát trượt Chương 2: Xây dựng mơ hình đánh giá mơ men cản sinh ra do ma sát Chương 3: Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ