Điều khiển chống rung tối ưu thời gian bằng phương pháp tạo đầu vào

NGUYỄN VIỆT KHÁNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== NGUYỄN VIỆT KHÁNH CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN CHỐNG RUNG TỐI ƯU THỜI GIAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO ĐẦU VÀO LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2013B Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== NGUYỄN VIỆT KHÁNH ĐIỀU KHIỂN CHỐNG RUNG TỐI ƯU THỜI GIAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO ĐẦU VÀO Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS DƯƠNG MINH ĐỨC Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: Điều khiển chống rung tối ưu thời gian phương pháp tạo đầu vào tự thiết kế hướng dẫn TS Dương Minh Đức Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2016 Học viên Nguyễn Việt Khánh i Mục lục MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .vii CHƯƠNG 1: NHU CẦU THỰC TIỄN CỦA VIỆC CHỐNG RUNG 1.1 Hiện tượng rung động 1.2 Hiện tượng rung động kỹ thuật 1.2.1 Rung động cánh tay robot 1.2.2 Rung động chuyển động cầu trục 1.2.3 Rung động bề mặt chất lỏng container chở nhiên liệu 1.2.4 Lợi ích việc chống rung 1.3 Một số phương pháp chống rung 1.4 Nội dung luận văn 12 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP TẠO DẠNG TÍN HIỆU ĐẦU VÀO 13 2.1 Ý tưởng phương pháp chống rung hệ cầu trục sử dụng phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào 13 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào 14 2.3 Độ bền vũng phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào 19 2.3.1 Độ bền vững với sai lệch tần số dao động tự nhiên 21 2.3.2 Độ bền vững với hệ số tắt dần 27 2.4 Kết luận 31 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU THỜI GIAN 32 3.1 Ràng buộc độ rung dư với yêu cầu tối ưu thời gian 32 3.2 Ràng buộc biên độ xung 33 3.2.1 Ràng buộc độ lớn (UM) 34 3.2.2 Ràng buộc tổng phần (PS) 34 ii Mục lục 3.3 Ràng buộc tính bền vững 34 3.3.1 Dạng ZV âm 34 3.3.2 Dạng ZVD âm 37 CHƯƠNG : ĐIỀU KHIỂN CHỐNG RUNG CHO CẦU TRỤC 41 4.1 Mơ hình hệ thống cầu trục 41 4.1.1 Phương trìnhh động lực học hệ cầu trục 41 4.1.2 Xây dựng mơ hình hàm truyền cho hệ cầu trục 45 4.2 Mô kiểm nghiệm 47 4.2.1 Mô mô hình tốn học cầu trục 47 4.2.2 Điều khiển xác vị trí x 49 4.2.3 Chống rung cho hệ cầu trục sử dụng thuật tốn tạo dạng tín hiệu đầu vào 50 4.3 Chống rung cầu trục sử dụng thuật toán tối ưu thời gian 54 4.3.1 Trường hợp PS-ZV 55 4.3.2 Trường hợp PS-ZVD 59 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 iii Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Dao động tắt dần lắc đơn Hình 1.2 Dao động ngưỡng tắt dần Hình 1.3 Dao động tắt dần tới hạn Hình 1.4 Dao động ngưỡng tắt dần Hình 1.5 Mơ hình cánh tay robot Hình 1.6 Mơ hình cầu trục Hình 1.7 Bình chứa chất lỏng bị dao động Hình 1.8 Chống rung hệ cầu trục sử dụng điều khiển PID Hình 1.9 Chống rung cho hệ cầu trục sử dụng điều khiển PID làm mềm tín hiệu đặt 10 Hình 1.10 Chống rung sử dụng mơ hình động học ngược 11 Hình 1.11 Chống rung sử dụng phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào 12 Hình 2.1 Vị trí tải trọng vị trí xe đẩy 13 Hình 2.2 Vị trí tải trọng vị trí xe đẩy nhấn nút vị trí thích hợp 14 Hình 2.3 Đáp ứng hệ cho đầu vào 15 Hình 2.4 Đáp ứng hệ cho hai đầu vào 16 Hình 2.5 Độ lớn thời điểm xuất hai xung 19 Hình 2.6 Đáp ứng kết hợp hai xung phát xung khơng xác 20 Hình 2.7 Độ bền vững tần số hệ hai xung đầu vào ứng với giá trị si 21 Hình 2.8 Độ lớn thời điểm xuất ba xung 25 Hình 2.9 Độ bền vững tần số hệ ba xung đầu vào ứng với giá trị si 26 Hình 2.10 Sai lệch dao động ứng với biến thiên hệ số tắt dần 30 Hình 3.1 Độ lớn thời điểm xuất xung 36 Hình 3.2 Độ lớn thời điểm xuất xung 39 Hình 4.1 Mơ hình đơn giản cầu trục 41 Hình 4.2 Mơ hình mô dao động cầu trục 48 iv Danh mục hình vẽ Hình 4.3 Dao động vị trí x, góc  , vận tốc gia tốc 49 Hình 4.4 Mơ hình điều khiển xác vị trí 50 Hình 4.5 Kết mơ điều khiển xác vị trí 50 Hình 4.6 Sơ đồ khối mơ thuật tốn tạo dạng tín hiệu đầu vào chống rung cho hệ cầu trục 52 Hình 4.7 Gia tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp ZV 52 Hình 4.8 Gia tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp ZVD 53 Hình 4.9 Mơ hình cầu trục áp dụng thuật toán tối ưu thời gian 54 Hình 4.10 Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian PS-ZV với P=1 55 Hình 4.11 Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian PS-ZV với P=2 56 Hình 4.12 Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian PS-ZV với P=3 57 Hình 4.13 Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian PS-ZVD với P=1 59 Hình 4.14 Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian PS-ZVD với P=2 60 Hình 4.15 Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian PS-ZVD với P=3 61 v Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1: Thời gian xuất xung dạng PS-ZV 36 Bảng 3.2: Thời gian xuất xung dạng PS-ZVD 39 vi Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ZV ZV-D Không dao động ( xung đầu vào) Không dao động-đạo hàm ( xung) Zero- vibration Zero- vibration- derative vii Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Rung động tượng phổ biến xuất thiết bị hoạt động, làm giảm tuổi thọ, độ bền hiệu suất làm việc thiết bị đơi cịn gây tai nạn lao động đáng tiếc Từ nhu cầu thực tiễn địi hỏi phải nghiên cứu phương pháp chống rung cho thiết bị Đã có nhiều phương pháp chống rung đề xuất, chủ yếu gồm hai lớp điều khiển chống rung vịng kín chống rung vịng hở Phương pháp điều khiển chống rung vịng kín cho đáp ứng tương đối tốt nhiên cần có cảm biến phản hồi làm tăng tính phức tạp hệ thống Chống rung vịng hở khơng cần cảm biến phản hồi nhiên nhạy với nhiễu thay đổi thông số hệ thống Luận văn nghiên cứu phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu phương pháp đơn giản hiệu sử dụng rộng rãi để chống rung cho thiết bị Đã có nhiều phương pháp chống rung vịng hở áp dụng thời gian đáp ứng lâu, luận văn nghiên cứu phương pháp chống rung tạo dạng đầu vào tối ưu thời gian để giảm thời gian đáp ứng hệ, từ nâng cao suất thực tế Các phương pháp sử dụng để chống rung cho hệ cầu trục Luận văn chia làm năm chương Chương 1: Nhu cầu thực tiễn việc chống rung Chương 2: Phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào Chương 3: Phương pháp chống rung tối ưu thời gian Chương 4: Điều khiển chống rung cho hệ cầu trục Chương 5: Kết luận kiến nghị Để hoàn thành luận văn em xin chân thành cảm ơn TS Dương Minh Đức nhiệt tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2016 Học viên thực Nguyễn Việt Khánh Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục K1   0,5 1 K K2  K  0,5 1 K T2  T  0, 413 Dựa vào thông số K , T tính thơng số mơ hình ZVD sau K1   0, 25  2K  K K2  K3  2K  0,5  2K  K K2  0, 25  2K  K T2  T  0, 413 T3  2* T  0,826 Từ xây dưng mơ hình mơ chống rung cho hệ cầu trục sử dụng hai mơ hình ZV ZVD hình 4.6 Hình 4.6 Sơ đồ khối mơ thuật tốn tạo dạng tín hiệu đầu vào chống rung cho hệ cầu trục 51 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục Hình 4.7 Gia tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp ZV 52 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục Hình 4.8 Gia tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp ZVD Kết mô hai phương pháp mơ hình ZV mơ hình ZVD mơ tả hình 4.7 4.8 Kết mơ hình 4.7 4.8 cho thấy gia tốc sau qua tạo dạng tín hiệu sử dụng phương pháp ZV ZVD bị thay đổi Sự thay đổi gia tốc tác dụng đến dao động vị trí x góc lệch  thể qua kết mô Trên biểu đồ ta thấy sử dụng hai phương pháp chống rung dao động vị trí X bị triệt tiêu so với dao động không sử dụng biện pháp chống rung Tuy nhiên sử dụng phương pháp ZV cho đáp ứng vị trí nhanh phương pháp ZVD, 53 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục mơ hình ZV cịn xuất dao động nhỏ xung quanh vị trí X mơ hình ZVD dao động bị triệt tiêu hoàn toàn Khi sử dụng hai phương pháp ZV ZVD để chống rung dao động góc  dập tắt Tuy nhiên đáp ứng sử dụng phương pháp ZV nhanh phương pháp ZVD, sử dụng thuật tốn ZV cịn dao động nhỏ góc  cịn tồn tại, dao động nhỏ bị giảm nhiều sử dụng ZVD Kết luận: Từ kết mô thu ta thấy hai phương pháp chống rung tạo dạng tín hiệu đầu vào ZV ZVD dập tắt dao động x  xuất cầu trục hoạt động Tuy nhiên phương pháp ZV có đáp ứng nhanh tồn dao động dư nhỏ, phương pháp ZVD có đáp ứng chậm dao động dư nhỏ bị triệt tiêu hoàn toàn 4.3 Chống rung cầu trục sử dụng thuật tốn tối ưu thời gian Hình 4.19 Mơ hình cầu trục áp dụng thuật tốn tối ưu thời gian Với thuật toán tối ưu thời gian cách thay đổi xung đầu vào vị trí thời gian xung Ta có hai trường hợp: ZV với xung đầu vào có biên độ [P,-2P,P+1] với P=1,2,3 ZV-D với xung đầu vào có biên độ [P,-2P,2P,-2P,P+1] với P=1,2,3 Ta kết hợp hai điều kiện ràng buộc độ lớn (UM) tổng phần (PS) với hai ràng buộc tính bền vững bên để mơ thuật tốn tối ưu thời gian 54 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục 4.3.1 Trường hợp PS-ZV: - P=1 Hình 4.10: Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian 55 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục - P=2 Hình 4.11: Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian 56 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục - P=3 Hình 4.12: Gia tốc, vận tốc, vị trí quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian 57 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục Nhận xét: Từ kết mơ phỏng, ta có nhận xét: Vị trí sau sử dụng thuật toán điều khiển triệt tiêu dao động Thời gian xuất xung đầu vào giảm P tăng Thuật toán tối ưu thời gian tốt 58 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục 4.3.2 Trường hợp PS-ZVD: - P=1 Hình 4.13: Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian 59 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục - P=2 Hình 4.14: Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian 60 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục - P=3 Hình 4.15: Gia tốc, vận tốc, vị trí quỹ đạo 2-1-2 phương pháp inputshaping tối ưu thời gian 61 Chương 4: Điều khiển chống rung cho cầu trục Nhận xét: Từ kết mơ phỏng, ta có nhận xét: Dạng PS-ZVD làm việc tốt hệ thống so với dạng PS-ZV Khả tối ưu thời gian dạng PS-ZV bền vững 62 Chương 5: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu phương pháp chống rung kỹ thuật, đối tượng cụ thể cầu trục Luận văn xây dựng mơ hình cầu trục hai bậc tự chứng minh tượng rung động xuất cầu trục làm việc gây tác hại khơng mong muốn cần thiết phải chống rung cho hệ cầu trục Ngoài ra, luận văn cịn phân tích số phương pháp chống rung thường sử dụng hệ kỹ thuật hai lớp phương pháp điều khiển chống rung vịng kín chống rung vòng hở Mỗi lớp phương pháp có ưu nhược điểm riêng Luận văn nghiên cứu phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào phương pháp đơn giản hiệu thuộc lớp phương pháp chống rung vòng hở phương pháp tạo dạng đầu vào, nhiên thời gian đáp ứng chưa nhanh Để tăng thời gian đáp ứng, luận văn nghiên cứu thêm phương pháp chống rung tối ưu thời gian phương pháp tạo dạng đầu vào Bên cạnh việc nghiên cứu phương pháp, luận văn áp dụng vào mơ hình cụ thể, hệ thống cầu trục, kết mơ thu hồn tồn phù hợp với lý thuyết đề KIẾN NGHỊ Luận văn dừng lại việc nghiên cứu phương pháp chống rung hệ cầu trục lý thuyết mơ hình mơ Matlab/Simulink Vì đề tài tiếp tục phát triển cách xây dựng hệ cầu trục phịng nghiệm để kiểm chứng thuật tốn chống rung vừa xây dựng 63 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M A Ahmad, Z Mohamad and Z H Ismail, Hybrid input shaping and PID control of a flexible robot manipulator, Journal – The Institution of Enginers, Malaysia, Vol 72, No.3, September 2009 [2] Naif B Almutairi, Mohamad Zribi, Sliding mode control of a three – dimensional overhead crane, Journal of Vibration and control, Vol 15, No 1679, 2009 [3] Akira Abe, Anti – Sway control for overhead crane using neural netword, Department of Information System Engineering Asahikawa National College of technology, November 2010 [4] P Acarnley, Stepping Motor: a guide to theory and practice, The Institution of Engineering and Technology, 2007 [5] D Austin, (2005, Jan.), “Generate stepper-motor speed profile in real time”, EE Times- India[online] [6] Azdiana BT MD Yusop, Input shaping for vibration – free positioning of flexible systems, Universiti Teknology Malaysia, 2007 [7] M D Duong, K Terashima, T Kamigaki, H Kawamura, “ Development of A Vibration Suppression Water Transfer Robot”, Internaltional Journal of Automation Technology, Vol.2, No.6, 2008, pp 479-485 [8] R.L Haupt, S E Haupt, Practical Genetic Algorithms, John Wiley & Sons, Inc, 2004 [9] T Kenjo, Steppming motor and their microprocessor controls, Oxford University Press, 1984 [10] N.C Singer, ” Residual Vibration Reduction in Computer Controlled Machines”, PhD thesis, Department of Mechanical Engineering, MIT, Fall, 1988 [11] W.Singhose, N Singer, and W.Seering, “Design and Implementation of Time-Optimal Negative Input Shapers”, DSC 55-1, Chicago, IL, 1994 [12] J.G Proakis, D.G Manolakis, Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications, Prentice-Hall, Inc, 1996 [13] N Đ Thúc, Trí tuệ nhân tạo lập trình tiến hóa, NXB Giáo Dục, 2001 [14] D.T Vỹ, Giáo trình phương pháp tính, NXBKHKT, 2007 64 Phụ lục 65 ... tốn chống rung phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào Phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào tạo đầu vào để triệt tiêu rung động gây đầu vào. .. 3: Phương pháp tối ưu thời gian CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU THỜI GIAN Như chương 2, ta đưa giải pháp chống rung với phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào Tuy nhiên thời gian phát xung để giảm rung. .. giới thiệu phương pháp để thực công việc nêu trên, phương pháp ? ?Tối ưu thời gian? ?? Phương pháp ? ?Tối ưu thời gian? ?? dựa sở phương pháp ? ?Tạo dạng tín hiệu đầu vào? ?? có khả tối ưu thời gian phát xung