Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng của đàn hồi và khe hở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o - NGUYỄN NGỌC TÚ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VỚI ẢNH HƯỞNG CỦA ĐÀN HỒI VÀ KHE HỞ CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN HỌC KỸ THUẬT MÃ SỐ NGÀNH : 2.05.01 LUẬN ÁN THẠC SỸ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Tiến só Nguyễn Đức Thành Cán chấm nhận xét : ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… Cán chấm nhận xét : ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Ngày …… tháng…… năm 2003 Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN ÁN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Ngọc Tú Phái : Nam Ngày tháng năm sinh : 04 – 09 – 1978 Nơi sinh : Hà Nam Chuyên ngành : Điều khiển học kỹ thuật ITÊN ĐỀ TÀI : Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở IINHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Điều khiển động DC Servo có xét đến ảnh hưởng đàn hồi khe hở Mô thực nghiệm III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : VHỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : …………………………………………………………………………… VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT : …………………………………………………………………………… VII- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT : …………………………………………………………………………… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT CÁN BỘ NHẬN XÉT Ts Nguyễn Đức Thành Nội dung đề cương luận án thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG QLKH-SĐH Ngày tháng năm 2003 CHỦ NHIỆM NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ hỗ trợ Thầy, Cô Bộ môn Thiết bị, Tự động Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM thời gian thực đề tài Xin cảm ơn Thầy cô truyền đạt kiến thức kinh nghiệm thời gian qua Xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Thành tận tình hướng dẫn Xin cảm ơn tất bạn bè gia đình, đặc biệt bạn học khóa Cao học Điều khiển học kỹ thuật K12 quan tâm, khuyến khích để hoàn thành luận văn TÓM TẮT Trong luận văn đề cập đến việc điều khiển truyền động điện với đàn hồi khe hở sử dụng Matlab/Simulink để mô thực nghiệm (thông qua công cụ Realtime Windows Target Matlab) Một số vấn đề nhận dạng mô hình dùng thuật toán nhận dạng bình phương tối thiểu (RLS) khảo sát trước đưa thuật toán cuối để thiết lập Sử dụng thuật toán nhận dạng phục vụ cho việc thiết lập điều khiển dự đoán tổng quát, dẫn tới lời giải cuối cho toán điều khiển thích nghi Mô điều khiển thực hoạt động đối tượng điều khiển động DC Servo có kết hợp ảnh hưởng đàn hồi khe hở dùng thuật toán điều khiển (điều khiển tốc độ) So sánh phương pháp điều khiển PID phương pháp điều khiển dự đoán tổng quát việc điều khiển hệ truyền động Abstract This thesis presents control of electrical drives with backlash and elasticity using Matlab/Simulink to simulate and experiment (utilizing Matlab’s Realtime Windows Target Toolbox) Some problems with model identification in RLS (Recursive Least Square) algorithm are studied before the presentation of the final algorithms are implemented Using this identification algorithm to the implementation of the Generalized Predictive Controller, leading to the final solution of the control problem Simulation and realtime control of DC Servo motor affected by backlash and elasticity use the above control algorithms ( speed control) This thesis also compares two approaches : PID Controller and GPC (Generalized Predictive Controller) MỤC LỤC Chương Giới thiệu…………………………………………………… Chương Nhận dạng hệ thống …………………………… ………….6 Giới thiệu …….…………………………………………………… Thủ tục nhận dạng hệ thống ……….…………….…….….……… a Kế hoạch thực nghiệm ………………………………………………9 b Các cấu trúc mô hình ……………………………………………… c Các phương pháp ước lượng thông số ………….………………… 10 d Tiêu chuẩn ………………………………………………………… 11 e Kiểm tra mô hình ……………………………………………………12 Nguyên lý bình phương tối thiểu ……………………………… 13 Các tính toán đệ quy ………………………………………… …….17 Nhận dạng đệ quy bền vững ……………….……….…… …… ….21 Thiết lập ……………………………………….…….…….…… ….26 Chương Điều khiển thích nghi……………………………….………29 Giới thiệu ……………………………………………………… ….30 Thiết lập toán điều khiển dự đoán tổng quát ……………… …31 Dữ liệu ban đầu ………………………………………………… ….32 Thuật toán điều khiển …………………………………………… 32 a Thiết lập vòng hở …………………………………………….32 i Mô hình đối tượng điều khiển ……………………………32 ii Hàm mục tiêu điều khiển …………….…….….…………33 iii Thiết lập dự báo đầu ………………………………… 34 iv Tìm đa thức ẩn phương trình Diophantine …….36 v Thiết lập dự đoán …………….…….…….…….…………39 b Hệ thống vòng kín ……………………………… ……….….43 c Các bước thực thuật toán ………….………….……… 45 Thiết lập ………………………………………………….………….46 Chương Matlab vaø Simulink …… ….…… ….….… …….… ….49 Matlab vaø Simulink ………………………….………………………49 Matlab S – function ………………………………………………….51 Điều khiển thời gian thực ……… ….….….………….….….………56 Chương Mô ……………………………………………………59 Xây dựng mô hình toán học ……………………………………… 59 a Mô hình tuyến tính ………………………………………… 59 b Mô hình phi tuyến ………………………………………… 61 Mô hệ truyền động………………….………….………… 62 a Trường hợp mô hình tuyến tính…………………………… 63 b Trường hợp mô hình phi tuyến …………….……………… 67 Mô trường hợp hồi tiếp tốc độ tải ………………………… 68 Mô trường hợp hồi tiếp tốc độ động ………………….…76 So sánh kết mô thuật toán điều khiển PID thuật toán GPC …………………………………………………… 79 Chương Các thử nghiệm thời gian thực ……….……….….………84 Dùng thuật toán điều khiển PID ……………… ….….…….… 86 Dùng thuật toán điều khiển dự đoán tổng quát …………….…… 90 a Điều khiển với đầu vào hàm xung vuông ………………………………… ……….….……… 91 b Điều khiển với đầu vào hàm bước ………………….… 94 Chương Kết luận ……………………….…….…….……………….100 Tài liệu tham khảo ………………………………………………………102 Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở CHƯƠNG GIỚI THIỆU Ba yếu tố gây phi tuyến truyền động : ma sát, khe hở đàn hồi Thuật ngữ ma sát dùng để tiêu phí lượng lực hay tốc độ gây máy Khe hở có nghóa trễ khí va đập Đàn hồi có nghóa đối lập với độ cứng, mềm dẻo truyền động Trong đề tài điều khiển truyền động có tác động đàn hồi khe hở Backlash (khe hở) tượng va chạm trễ khí hai bề mặt cứng tiếp xúc Cả hai đặc tính dễ dàng tìm thấy hệ thống bánh kiểu cũ, không khít với làm kim loại cứng Các bánh đại làm từ chất dẻo nên mềm lực va chạm nhỏ làm kim loại Khe hở tượng nghiên cứu kỹ điều chỉnh Khe hở tác nhân có độ phi tuyến cao tạo hệ bậc cao truyền động, kết khả điều khiển truyền động khó khăn tạo không xác hay khả không điều khiển cấu Một số mô hình tương đương khe hở đưa ra, nhiên cần có nghiên cứu thêm khe hở Các kỹ thuật điều khiển áp dụng với số thành công vài năm gần đây, nhiên số nhà nghiên cứu theo đuổi cách lý giải tốt khe hở khí Việc sử dụng cấu bánh việc truyền tải công suất , trang bị máy móc phận tích hợp dụng cụ xác định vị trí trở Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở nên phổ biến Vì sai lệch việc truyền động bánh ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống Những sai lệch làm chệch hướng tùy thuộc vào trường hợp ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hệ thống Tương tự, đàn hồi truyền động ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hệ thống Các trình công nghiệp thường đòi hỏi truyền động điện với chất lượng động cao Tuy nhiên độ cứng cấu truyền động khí làm giới hạn nhiều tới chất lượng động mà hệ thống điều khiển đạt Trường hợp xảy có trục truyền động đủ dài điều khiển tải Trong trường hợp xuất chấn động xoắn làm mòn hộp số làm giảm chất lượng trình làm việc Chất lượng hệ thống điều khiển tốc độ cho thiết bị truyền động điện bị giảm đáng kể có đàn hồi khe hở truyền động việc áp dụng thuật toán điều khiển thích hợp Về tổng quan thấy thiết bị truyền động điện có đàn hồi truyền tải có khuynh hướng tạo chấn động xoắn tắt dần mômen truyền mà biểu thị dao động tắt dần không tốt tốc độ tải Mặt khác khe hở đặc trưng chất không liên tục mômen truyền đi, làm thay đổi cấu trúc thông số hệ thống khí Các hệ thống truyền động điện có kết nối đàn hồi sử dụng rộng rãi nhiều lónh vực khác : robot, máy công cụ, hệ thống truyền động với trục dài,… Đáp ứng động hệ thống điều khiển tốc độ vị trí giảm tác động đàn hồi khe hở Việc bù cho đàn hồi truyền động thường thực việc đưa thêm đường tín hiệu hồi tiếp tới điều khiển tốc độ PI cổ điển, hay Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 90 Ta nhận thấy tín hiệu tốc độ ngõ (tải) có thời gian xác lập lớn (16 giây) Tín hiệu tốc độ có dạng tương tự mô Tín hiệu điện áp điều khiển có dạng xấu Để thấy rõ khác biệt chất lượng hệ thống sử dụng hai thuật toán PID thuật toán dự đoán tổng quát , ta tiếp tục thực thí nghiệm với hệ truyền động sử dụng thuật toán điều khiển dự đoán tổng quát Dùng thuật toán điều khiển dự đoán tổng quát : Trong trường hợp ta điều khiển hệ truyền động với thí nghiệm có tín hiệu đầu vào khác : tín hiệu xung vuông tín hiệu hàm bước Trong trường hợp ta quan sát tín hiệu tốc độ tải tín hiệu điện áp điều khiển ta thay đổi hệ số trọng lượng đầu điều khiển sau quan sát đáp ứng hệ thống Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở a Điều khiển với đầu vào hàm xung vuông : Hình 6.7 : Sơ đồ điều khiển với tín hiệu đặt dạng xung vuông 91 Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 92 Các thông số điều khiển : N1 = 1, N2 = 10, Nu = 3, hệ số trọng lượng đầu λ = 0.25 Bậc hệ thống bậc 5, thời gian lấy mẫu T = 0.01 giây Thời gian điều khiển 100 giây Dạng sóng chuẩn đầu vào có dạng đồ thị : Hình 6.8 : Dạng sóng tín hiệu đặt Tín hiệu đặt xung vuông với chu kỳ 20 giây, độ rộng xung 10 giây có biên độ 400 vòng/phút Các dạng sóng đầu : tốc độ w tín hiệu điều khiển u quan sát việc sử dụng khối Scope sơ đồ Simulink Tín hiệu tốc độ tải có dạng tốt kể từ chu kỳ thứ hai với độ vọt lố chu kỳ đầu khoảng % Trong chu kỳ tốc độ tải bám sát theo giá trị đặt Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 93 Tốc độ w2 (x400 vòng/phút) Hình 6.9 : Tín hiệu tốc độ ngõ với hệ số trọng lượng 0.25 Tín hiệu điều khiển u (V) Hình 6.10 : Tín hiệu điều khiển Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 94 b Điều khiển với đầu vào dạng hàm bước : Sơ đồ Simulink điều khiển hệ truyền động với đầu vào hàm bước : wr = u(t-20) Hình 6.11 : Sơ đồ điều khiển tín hiệu đặt dạng hàm bước Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 95 Các thông số điều khiển : N1 = 1, N2 = 10, Nu = Bậc hệ thống bậc 5, thời gian lấy mẫu T = 0.01 giây Thời gian điều khiển 50 giây Hình 6.12 : Dạng sóng tín hiệu đặt Tín hiệu đặt r = u(t-20) với biên độ 400 vòng/phút Các dạng sóng đầu : tốc độ w tín hiệu điều khiển u với hệ số trọng lượng đầu khác λ = 0.25 , λ = 0.2 , λ = 0.1 Các dạng sóng quan sát khối Scope sơ đồ Simulink Ta nhận thấy với hệ số trọng lượng đầu nhỏ thời gian xác lập tốc độ tải nhỏ Tuy nhiên giá trị giảm đến giá trị gây dao động vọt lố Với hệ số trọng lượng ngõ kết cho tốt, thời gian xác lập đủ nhỏ độ vọt lố gần Các dạng tín hiệu đo thay đổi hệ số trọng lượng ngõ : Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 96 Tốc độ w2 (x400 vòng/phút) Hình 6.13 : Tín hiệu tốc độ ngõ với hệ số trọng lượng 0.25 Tín hiệu điều khiển u (V) Hình 6.14 : Tín hiệu điều khiển Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 97 Tốc độ w2 (x400 vòng/phút) Hình 6.15 : Tín hiệu tốc độ ngõ với hệ số trọng lượng 0.2 Tín hiệu điều khiển u (V) Hình 6.16 : Tín hiệu điều khiển Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 98 Tốc độ w2 (x400 vòng/phút) Hình 6.17 : Tín hiệu tốc độ ngõ với hệ số trọng lượng 0.1 Tín hiệu điều khiển u (V) Hình 6.18 : Tín hiệu điều khiển Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 99 Từ kết ta thấy chất lượng hệ thống nâng hẳn lên dùng thuật toán điều khiển dự đoán tổng quát so với sử dụng thuật toán điều khiển PID Bằng việc sử dụng thuật toán điều khiển dự đoán tổng quát đáp ứng hệ truyền động tốt với thời gian xác lập nhỏ độ vọt lố không đáng kể Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 100 CHƯƠNG KẾT LUẬN Thuật toán ước lượng tương quan Bierman UDUT thiết lập để đạt nhận dạng bình phương tối thiểu đệ quy RLS, thuật toán hoạt động tốt cho cấu trúc mô hình ARX không tốt trường hợp liệu vào xấu Hướng phát triển trình nhận dạng phải xây dựng thuật toán nhận dạng cấu trúc mô hình khác mà không cho mô hình ARX Simulink công cụ mạnh dễ sử dụng cho việc thiết kế thuật toán cấp cao thời gian thực Tuy nhiên việc điều khiển thời gian thực Simulink có bất lợi xây dựng hàm S – function M – file để tận dụng hàm sẵn có Matlab mà phải viết C – mex file, loại ngôn ngữ C không tổ chức tốt khó đọc Việc điều khiển truyền động hệ DC servo với đàn hồi khe hở sử dụng điều khiển dự đoán tổng quát sở nhận dạng bình phương tối thiểu có đáp ứng tốt Độ vọt lố điều khiển nhỏ Bằng việc điều chỉnh hệ số trọng lượng đầu ta điều chỉnh đáp ứng hệ thống Với giá trị trọng số thích hợp ta đạt tới chất lượng mong muốn Trong trường hợp hồi tiếp tốc độ động việc xây dựng mô hình toán học hệ truyền động phi tuyến (do ảnh hưởng khe hở) khó Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 101 khăn Điều làm cho việc thiết kế ước lượng tốc độ tải trở nên khó khăn, luận văn đề giải pháp dùng ước lượng offline để tính toán tốc độ tải từ tốc độ động Tuy nhiên giải pháp mô mà chưa có điều kiện áp dụng cho việc điều khiển thực Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở 102 TÀI LIỆU THAM KHAÛO [1] SIMULINK Version 5.0 The MathWorks Inc 2002 Writing S – functions, Using Simulink, Simulink Reference [2] MATLAB : Real-time Workshop: User’s Guide , Getting Started The MathWorks Inc 2002 [3] MATLAB : Real-time Windows Target : User’s Guide The MathWorks Inc 2002 [4] MATLAB : External Interfaces, External Interfaces Reference The MathWorks Inc 2002 [5] K J Astrom, B Wittenmark Adaptive Control Addison – Wesley, 1989 [6] Thomas Svantesson Real-time Implementation of Adaptive algorithms using dSPACE and SIMULINK Report – 1997 [7] Generalized Predictive Controller Thesis 2002 Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở [8] 103 Danijel Pavkovic, Ivan Petrovic, Nedjeljko Peric Fuzzy Model Predictive Control of Electrical Drives with Transmission Elasticity and Backlash IEEE [9] Josko Deur, Nedjeljko Peric Analysis of Speed Control System for Electrical Drives with Elastic Transmission IEEE [10] Dusko Stajic, Nedjeljko Peric, Josko Deur Friction Compensation Methods in Position and Speed Control System IEEE [11] Danijel Pavkovic, Nedjeljko Peric, Josko Deur Speed Control of Electrical Drives with Elastic Transmission Utilizing State Estimators and Controllers IEEE [12] Josko Deur, Nedjeljko Peric Design of Polynomial Controller for Electrical Drives with Elastic Transmission IEEE [13] Angela Porumb Position Control of an Elastic Two-mass Driving System with Backlash and Friction, using a Sliding Mode Controller Journal , series : Mechanics, Automatic, Control and Robotics Vol 2, No 7, 1997 pp 285 – 290 [14] Kennel R., Linder A., Linke M Generalized Predictive Control (GPC) – Ready for Use in Drive Applications ? IEEE Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở [15] 104 Ch Salzmann, D Gillet, P Huguenin Introduction to Real-time Control usingLabViewTM with an Application to Distance Learning Swiss Federal Institute of Technology Lausanse, Switzerland [16] Jonas Balderud Modelling and Control of a Toy-Helicopter Master’s Thesis, Karlstad University January 2002 ... ngành : Điều khiển học kỹ thuật ITÊN ĐỀ TÀI : Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở IINHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : Điều khiển động DC Servo có xét đến ảnh hưởng đàn hồi khe hở Mô thực... động đàn hồi khe hở Việc bù cho đàn hồi truyền động thường thực việc đưa thêm đường tín hiệu hồi tiếp tới điều khiển tốc độ PI cổ điển, hay Điều khiển truyền động điện với ảnh hưởng đàn hồi khe hở. .. tích kỹ ảnh hưởng khe hở đàn hồi truyền động động để phương pháp khác để bù tác động việc điều khiển tốc độ truyền động Trong phạm vi luận văn điều khiển hệ thống truyền động điện dùng động DC