Hai giải pháp nâng cao hiệu quả chất lượng hệ truyền động có khe hở

Hệ truyền động có khe hở là một hệ cơ - điện tử có tính phi tuyến mạnh và đang được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Khi khe hở xuất hiện sẽ làm sai lệch truyền động, làm giảm độ bền của hệ thống, phát ra tiếng ồn, gây rung động và hiệu suất của hệ thống bị thay đổi. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở, đó là giải pháp dùng bộ điều khiển mờ và giải pháp dùng bộ điều khiển thông minh.

52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ - 2009 HAI GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Lại Khắc Lãi (Đại học Thái Nguyên), Lê Thị Thu Hà – (Trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp – ĐH Thái Ngun) Tóm tắt Hệ truyền động có khe hở hệ - điện tử có tính phi tuyến mạnh sử dụng rộng rãi thực tế Khi khe hở xuất làm sai lệch truyền động, làm giảm độ bền hệ thống, phát tiếng ồn, gây rung động hiệu suất hệ thống bị thay đổi Trong báo này, đề xuất giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở, giải pháp dùng điều khiển mờ giải pháp dùng điều khiển thơng minh I.Mở đầu Hệ truyền động có khe hở (TĐCKH) hệ truyền động phi tuyến sử dụng rộng rãi thực tế truyền động bánh răng, truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít - đai ốc, truyền động trục vít - bánh vít, vv… Trong hệ thống truyền động trên, phận chủ động phân bị động tồn khe hở, làm sai lệch truyền động, giảm độ xác hệ điều khiển vị trí, khe hở làm giảm tuổi thọ chi tiết khí, phát tiếng ồn, gây rung động, ổn định hiệu suất hệ thống bị thay đổi Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho hệ điều khiển truyền động có khe hở yêu cầu quan trọng để thiết lập hệ điều khiển xác nhằm nâng cao suất lao động chất lượng sản phẩm Trước đây, để hạn chế ảnh hưởng khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động người ta thường quan tâm đến biện pháp khí tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay đổi biên dạng bánh răng… Trong năm gần đây, nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến giải pháp điện quan điểm phối hợp điều khiển phận chủ động phân bị động hệ thống nhằm giảm ảnh hưởng xấu khe hở hệ thống Trên giới có nhiều nghiên cứu vấn đề đạt số thành đáng kể Song Việt Nam vấn đề mẻ, gần xuất vài nghiên cứu hệ nối khớp mềm Trong [1] nhược điểm hệ thống truyền động có khe hở sử dụng điều khiển kinh điển theo qui luật tỉ lệ (hình 1) theo qui luật PID (hình 2) Ta thấy rằng, sử dụng điều khiển kinh điển chất lượng động hệ thống ln tồn dao động tính phi tuyến ke hở gây nên Để khắc phục nhược điểm đó, chúng tơi đề xuất hai phương pháp sử dụng điều khiển mờ điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở điều khiển phù hợp với đối tượng có tính phi tuyến mạnh nâng cao chất lượng hệ thống Khong co data2 co khe ho -2 -4 -6 -8 0.5 1.5 2.5 Hình 1: Đặc tính động hệ truyền động có khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ [1] 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 10 12 Hình 2: Đặc tính động hệ thống truyền động có khe hở điều khiển theo luật PID [1] II Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động có khe hở Sơ đồ khối hệ hệ truyền động có khe hở hình Trong trục động điện (trục dẫn động) trục tải (trục bị dẫn) không nối cứng với mà nối thông qua hệ thống bánh răng, dây xích, dây đai, … Nói cách khác trục dẫn trục bị dẫn tồn khe hở Do có khe hở nên mối liên hệ vị 34 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 52(4): 34 - 37 trí trục dẫn x trục bị dẫn z không đơn trị Mỗi vị trí x tương ứng với nhiều vị trí z nằm giới hạn từ k(x - xa) đến k(x + xa) tuỳ thuộc vào vị trí cực đại hay cực tiểu z trước đó: x k(x - xa) z k(x + xa) Điều - khiển Động n Khe n' Tải z hở WDC (s) n(s) U(s) WDC (s) 0,80166 0, 0377s 0, 0013s ®Ỉt Đặc tính khâu khe hở mơ tả biểu thức (1) sơ đồ cấu trúc khe hở biểu diễn hình [1] x ; v kx a x ; v kx a x ; - kx a v kx a x ; - kx a v kx a kx k x d dt K TS+1 0,65 0,05S+1 (3) Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động có khe hở hình Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động có khe hở (2) Tải khâu quán tính có hàm số truyền: Đo lường z kD Tms Tm Tes 1, 2474(1 0, 0377s 0, 0377.0, 0347s ) WT (s) = kx - 2009 0.80166 den(s) điều khiển động 0.65 Khe hở 0.05s+1 Tải Ra 0.029 đo l-ờng (1) Hỡnh 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động có khe hở z  v x, PID z Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở Để dễ dàng so sánh chất lượng hệ điều khiển có khe hở sử dụng điều khiển mờ mờ thích nghi so với sử dụng điều khiển kinh điển, lấy thông số hệ truyền động đề cập khảo sát [1] Trong khối dẫn động động chiều kích từ độc lập có thơng số: Cơng suất P =1,5(kW), tốc độ n = 1500(vòng/phút); điện áp định mức Uđm = 220(V), dòng điện định mức: Iđm = 8,7(A), điện trở phần ứng: R = 2,776(Ω), điện cảm phần ứng: L = 0,0961(H), mơ men qn tính: J = 0,085 (KGm2) Hàm truyền đạt động có dạng: III Sử dụng điều khiển mờ điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở Trong phần này, đề xuất giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động có khe hở, dùng điều khiển mờ điều khiển thông minh thiết kế sở hệ mờ Bộ điều khiển mờ: Bộ điều khiển mờ thiết kế để điều khiển hệ truyền động có khe hở điều khiển mờ theo qui luật tỉ lệ tích phân (PI) có thơng số sau: Đầu vào thứ có miền xác định khoảng [-1 1] mờ hóa tập mờ có hàm liên thuộc hình tam giác; Đầu vào thứ xác định khoảng [-2 2] mờ hóa tập mờ có hàm liên thuộc hình tam giác, hệ số tích phân chọn 5,6; Đầu xác định khoảng [-78 78] mờ hóa tập mờ có hàm liên thuộc hình tam giác; luật điều khiển theo qui luật tuyến tính [2]; giải mờ phương pháp điểm trọng tâm Quan hệ vào-ra điều khiển mờ hình 35 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 52(4): 34 - 37 Kết mơ sử dụng điều khiển mờ hình Hình 6: Quan hệ vào-ra điều khiển mờ - 2009 Trong đó: u tín hiệu đặt; e sai lệch đầu hệ thống tín hiệu đặt; số nói lên tốc độ hội tụ thuật tốn thích nghi Kết mơ sử dụng điều khiển thơng minh hình 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 Thoi gian (s) Hình 9: Đặc tính động hệ TĐCKH sử dụng điều khiển thông minh 0.6 Để tiện so sánh chất lượng hệ thống sử dụng điều khiển khác nhau, tiến hành mô vẽ đặc tính động hệ trục tọa độ (hình 10) Hình 11 đặc tính động hệ truyền động có khe hở sử dụng điều khiển khoảng thời gian mô từ giây đến giây 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) Hình 7: Đặc tính động hệ truyền động có khe hở sử dụng điều khiển mờ Bộ điều khiển thông minh: Bộ điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở xây dựng sở hệ mờ có sơ đồ cấu trúc hình Trong điều khiển mờ (ĐKM bản) thiết kế tương tự điều khiển mờ trình bày mục 4.1, khác chỗ miền xác định đầu ĐKM nằm khoảng [-3 3], hệ số khuếch đại đầu điều khiển mờ chỉnh định thích nghi theo qui luật [2]: dK dt ue (4) 62 1 s 0.8 PID kinh điển Điều khiển mờ Điều khiển thông minh 0.6 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) Hình 10: Đặc tính động hệ TĐCKH sử dụng điều khiển PID kinh điển, điều khiển mờ điều khiển thông minh 1.06 1.04 1.02 In1 1 In2 Out1 s K DKM co ban 0.98 0.96 Hình 8: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ thích nghi 3.5 4.5 Hình 11: Đặc tính động hệ ĐKCKH sử dụng điều khiển khảng thời gian mô (3 - 5)s 36 52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ - 2009 Kết luận Từ kết mô ta thấy tồn khe hở làm xấu đặc tính động hệ thống điều khiển tự động truyền động điện Bằng cách sử dụng điều khiển mờ điều khiển thông minh, chất lượng hệ thống TĐCKH nâng lên rõ rệt với điều khiển PID kinh điển hệ thống tồn dao động, xác lập với điều khiển mờ, hệ thống hết dao động sau giây, với điều thơng minh, hệ thống hết dao động sau giây Kết mơ cho thấy tính khả thi việc triển khai ứng dụng điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống thực Tài liệu tham khảo [1] Lê Thị Thu Hà, Lại Khắc Lãi, Lê Thị Nguyệt, "Khảo sát chất lượng hệ truyền động có khe hở" Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số năm 2009, trang 124-130 [2] Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông minh để điều khiển đối tượng phi tuyến khó mơ hình hố” Đề tài NCKH cấp năm 2002; Mã số: B2002.02.03 [3] OdaiM.and HoriY, Speed control of 2-inertia system with gear backlash using gear torque compensator’’ 1998 [4] NakayamaY,FujikawaK.and KobayashiH A torque control method of three-inertia torsional system with backlash 2000 [5] LinC, YuT and FengXu Fuzzy control of a nonlinear pointing test bed with backlash and friction 1996:Kobe [6] SmithM.C Nonlinear and predictive control:Describing functions 2004 DhaouadiR.,KuboK.and TobiseM Analysis and compensation of speed drive systems [7] R.M.R Bruns, J.F.P.B Diepstraten, X.G.P Schuurbiers,J.A.G Wouters “Motion Control of Systems with Backlash” DCT number: 2006.075, August 29, 2006 37 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 52(4): - 12 - 2009 Summary Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash Electric drive systems with backlash belong to a class of non-linear mechatronic systems, which find a number of vital applications Backlash can significantly reduce performance such as instability, and unwanted noise and vibration In this paper, we propose Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash: to use a fuzzy control and to use a intelligent control 38 ... (KGm2) Hàm truyền đạt động có dạng: III Sử dụng điều khiển mờ điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở Trong phần này, chúng tơi đề xuất giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ điều... khiĨn động 0.65 Khe hở 0.05s+1 Tải Ra 0.029 ®o l-êng (1) Hình 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động có khe hở z  v x, PID z Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở Để dễ dàng so sánh chất lượng hệ. .. TS+1 0,65 0,05S+1 (3) Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động có khe hở hình Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động có khe hở (2) Tải khâu qn tính có hàm số truyền: Đo lường z kD Tms Tm Tes 1, 2474(1