Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ kết cấu truyền động cơ khí backlash

i CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hƣớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Anh Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Công nghệ TP HCM ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thƣ ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn đƣợc sửa chữa Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn ii TRƢỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LÊ VĂN PHÚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 05/06/1988 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840025 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ KẾT CẤU TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ BACKLASH II- Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ: Thiết kế điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động khí backlash Nội dung: - Tổng quan - Phân tích, thiết kế điều khiển khả thi cho hệ thống - Nhận dạng hệ thống mô - Thực nghiệm hệ chuyển động tuyến tính - Kết thảo luận III- Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 26 tháng năm 2015 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày tháng năm V- Cán hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi thầy hƣớng dẫn Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lê Văn Phúc iv LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Duy Anh tận tình hƣớng dẫn em chuyên môn kinh nghiệm để giúp em thực luận văn tốt nghiệp Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý thầy giảng viên Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho chúng em q trình giảng dạy khóa cao học trƣờng Đại học Công Nghệ Tp HCM Em biết ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên bên cạnh em suốt trình học làm luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cám ơn đến anh/chị, bạn học viên giúp đỡ, trau dồi kiến thức suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Lê Văn Phúc v TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong q trình cơng nghiệp hóa nay, việc khử rơ cho truyền động khí quan trọng Làm để khử rơ truyền động ? Việc thiết kế điều khiển khử rơ truyền động khí quan trọng cần thiết điều khiển Luận văn thiết kế điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động khí Mục đích luận văn phân tích, thiết kế mơ điều khiển khả thi cho hệ thống Các phƣơng án khử rơ: Khử rơ cách hiệu chỉnh thiết kế khí hệ truyền động điều chỉnh hành trình, khử rơ giải thuật điều khiển Thực nghiệm hiệu chỉnh điều khiển hệ servo driving mechanism Sau có đƣợc sai lệch khâu, tiến hành áp dụng khử rơ ngƣợc Ở phần cung cấp điều khiển khử rơ khác nhau, chất lƣợng điều khiển khử rơ tùy theo hệ thống mà có phù hợp Bộ điều khiển khử rơ vòng hở đƣợc áp dụng cho hệ thống vịng hở khơng có hồi tiếp, điều khiển vịng kín PID đƣợc áp dụng cho hệ thống có hồi tiếp nhƣng thơng số hàm truyền khơng thay đổi.Trong điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng cho hệ thống có thơng số thay đổi vi ABSTRACT In the age of industrialization, the important problem is de-trailers of mechanical actuators How can we it ? Today, the vital and necessary thing is that we have to design a control panel in order to reduce trailers in processing This thesis will be analyzed, designed and simulated a control panel of backlash in mechanical actuators The methods to re-trailers: meachinal design adjustment of tranmission or stoke adjustment, and control algorithm The empirical calibration with controller on servo driving mechanism driving mechanism After acquiring deviations of each stage, proceed to apply the reverse de-trailers The controllers offer different de-trailers, the quality of controllers depend on certain system, the open controller de-trailers loop is applied to the open-loop system without feedback, closed-loop PID controller is applied to the system However, the feedback transfer function parameters not change, while the adaptive controller is applied to the system parameters change vii MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các phƣơng án khử rơ 1.2.1 Khử rơ cách hiệu chỉnh thiết kế khí điều chỉnh hành trình 1.2.2 Khử rơ giải thuật điều khiển: 1.3 Tính cấp thiết đề tài .3 1.4 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ THI CHO HỆ THỐNG 2.1 Phân tích thiết kế điều khiển 2.1.1 Hàm rơ, hàm rơ ngƣợc phƣơng pháp xác định hàm rơ 10 2.1.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 13 2.2 Điều khiển đáp ứng 17 Chƣơng 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG 22 3.1 Nhận dạng hệ thống 22 3.2 Mô nhận dạng hệ thống 25 3.3 Mô điều khiển thích nghi 29 3.3.1 MRAS sử dụng luật MIT cho hệ bậc 29 3.3.2 Mô hình hóa hệ thống tổng hợp: 30 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH .36 viii 4.1 Hệ thống điều khiển thực nghiệm 36 4.1.1 Điều khiển máy tính 37 4.1.2 Điều khiển vi điều khiển 41 4.1.3 Vấn đề truy nhập nhớ trực tiếp DMA 42 4.2 Thực nghiệm hệ servo driving mechanism 45 4.2.1 Thực nghiệm độ rơ 45 4.2.2 Nhận dạng hệ thống 46 4.2.3 Áp dụng điều khiển thực nghiệm 46 4.2.4 Đánh giá kết hệ thống điều khiển 60 Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 61 5.1 Kết thực nghiệm khử rơ thảo luận 61 5.2 Đánh giá .63 Phụ lục A: THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM .64 Phụ lục B: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .74 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) MIT: Massachusetts Institute of Technology PID: Proportional Integral Derivative DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: 45 Bảng 2: 46 Bảng 3: 61 Bảng 4: 65 Bảng 5: 65 Bảng 6: 66 x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mơ hình giải thuật điều khiển đề tài Hình 2.2 Đồ thị ví dụ minh họa hàm rơ 11 Hình 2.3 Đồ thị hàm rơ ngƣợc .12 Hình 2.4 Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh 12 Hình 2.5 Mơ hình hệ thống 13 Hình 2.6 Trình tự thiết kế giải thuật 14 Hình 2.7 Hệ thống 15 Hình 2.8 Tính tốn hình học để xác định thông số độ rơ .16 Hình 2.9 Hệ thống đƣợc khử rơ hàm rơ ngƣợc 16 Hình 2.10 Mơ hình điều khiển thích nghi theo mơ hình tham chiếu 18 Hình 2.11 Sơ đồ MRAS .20 Hình 3.1 Các bƣớc nhận dạng hệ thống .23 Hình 3.2 Đồ thị đáp ứng hệ thống khơng có rơ có rơ (Tín hiệu vào dạng sóng tam giác) .26 Hình 3.3 Đồ thị đáp ứng hệ thống khơng có rơ có rơ (Tín hiệu vào dạng sóng sin) 26 Hình 3.4 Đồ thị khử rơ 27 Hình 3.5 Đồ thị nhận dạng hàm truyền 28 Hình 3.7 Kết mơ MRAS hiệu chỉnh luật MIT .29 Hình 3.8 Kết mô MRAS hiệu chỉnh luật MIT .31 Hình 3.9 Sai số quỹ đạo điều khiển 32 Hình 3.10 Quỹ đạo trục X Y 32 Hình 3.11 Kết mơ MRAS hiệu chỉnh luật MIT .33 Hình 3.12 Sai số quỹ đạo điều khiển 34 Hình 3.13 Quỹ đạo trục X Y 34 Hình 4.1 Sơ đồ đồ khối hệ thống thực nghiệm 36 Hình 4.2 Sơ đồ xung thời gian .38 Hình 4.3 Mơ hình lập trình song song chia sẻ nhớ 39 Hình 4.4 Giao diện điều khiển chƣơng trình 40 Hình 4.5 Sơ đồ khối lập trình song song 41 68 (5.10) Trong đó: + Bƣớc vít-me + Hiệu suất truyền vít me bi: + Tỷ số truyền - Moment tăng tốc: (5.11) Trong đó: + Moment qn tính vít-me: (5.12) m: Khối lƣợng vít-me (kg) m = mdaioc + mtrục vitme = 0.5 + 1.25 x 0,81= 1,51kg D: Đƣờng kính ngồi đai ốc (mm) + Moment qn tính tải: ( ) (5.13) ( ) Gia tốc góc: (5.14) Trong đó: Nm: Tốc độ motor (mim-1) t: thời gian tăng tốc (s) - Moment quay cần thiết: 69 (5.15) Vậy động chọn có đủ moment để quay vít me g Tuổi thọ truyền Tổng số vịng quay ( ) (5.16) ( ) Trong đó: - : khả tải động ( N ) - : hệ số tải Với tốc độ < 0.25m/s chọn 1.2 Số vịng quay phút: (5.17) Trong đó: - ps : Bƣớc vít-me - ls : Chiều dài hành trình - n : Số chuyển động tịnh tiến phút Số phục vụ: (5.18) A.1.3 Tính chọn truyền đai Tỷ số truyền truyền đai: Cơng suất số vịng quay trục đầu vào: , Tài liệu tính chọn đƣợc thực theo quy trình tính SKF a Chọn hệ số làm việc với tải trọng trung bình, thời gian làm việc nặng: 70 b Công suất thiết kế: (5.19) c Với công suất thiết kế nhỏ, ta chọn đai 5M, p = 5mm d Chọn số bánh đai đai dẫn theo tiêu chuẩn Số đai bị dẫn: (5.20) Đƣờng kính bánh đai dẫn: (5.21) Đƣờng kính bánh đai bị dẫn: (5.22) e Chọn sơ khoảng cách trục: (5.23) f Chu vi đai lý thuyết: (5.24) Chọn dây đai 350-5M có g Khoảng cách trục thiết kế: √ (5.25) Trong đó: (5.26) h Tính tốn số ăn khớp: (5.27) 71 A.1.3 Tính tốn ổ lăn Hình 5.2 Mơ hình tính lực - Tính tốn lực Trong mặt phẳng zy: (5.28) (5.29) { (5.30) { (5.31) Trong mặt phẳng zx: (5.32) { { (5.33) 72 - Chọn ổ lăn A Tải hƣớng tâm A: √ (5.34) Ổ chịu tải dọc trục: (5.35) Chọn sơ ổ A 4200 ATN9 , (5.36) Theo [1] , Ta có: Nên Tải trọng quy ƣớc: (5.37) Thời gian làm việc ổ (5.38) Khả tải động tính tốn: √ √ (5.39) nên ổ chọn hợp lý - Chọn ổ lăn B: Tải hƣớng tâm B: √ Vì khơng có tải trọng dọc trục nên (5.40) , Tải trọng quy ƣớc: 73 (5.41) Thời gian làm việc ổ (5.42) Khả tải động tính tốn: √ √ Chọn ổ 608-Z với , Hình 5.3 Mơ hình hệ chuyển động tịnh tiến Hình 5.4 Bố trí q trình thực nghiệm (5.43) 74 Phụ lục B: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Hình 6.1 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm Hình 6.2 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm thời gian thực Hình 6.3 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ 75 Hình 6.4 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm thời gian thực Hình 6.5 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ Hình 6.6 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm 76 Hình 6.7 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm thời gian thực Hình 6.8 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547 mm bỏ qua độ trễ Hình 6.9 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547 mm thời gian thực 77 Hình 6.10 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547mm bỏ qua độ trễ Hình 6.11 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm Hình 6.12 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm thời gian thực 78 Hình 6.13 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ Hình 6.14 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm thời gian thực Hình 6.15 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ 79 Hình 6.16 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm Hình 6.17 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm thời gian thực Hình 6.18 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm bỏ qua độ trễ 80 Hình 6.19 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm thời gian thực Hình 6.20 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm bỏ qua độ trễ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mattias Nordin and Per-Olof Gutman, “Controlling mechanical systems with backlash - A survey”, Automatica, pp.1633-1649, Vol.38, No.10, 2002 [2] A Tustin, “Efects of backlash and of speed dependent friction on the stability of closed-cycle control systems”, Jour IEE, 94(IIA), pp.143-151, 1947 [3] Ching-Fang Lin, Tie-Jun Yu, and Xu Feng, “Fuzzy control of a nonlinear pointing testbed with backlash and friction”, In Proceedings of the 35th Conference on Decision and Control, Kobe, Japan, pp.4363-4368, IEEE, December 1996 [4] A Gelb and W.E Vander Velde, “Multiple-Input Describing Functions and Nonlinear System Design”, McGraw-Hill, 1968 [5] R L Cosgriff, “Nonlinear Control Systems”, pp.21,123,193,194, McGraw-Hill, Reading, Massachusetts, 1958 [6] H Chestnut and R W Mayer, “Servomechanisms and Regulating System Design”, pp.251,257,301,321, John Wiley & sons, 1955 [7] M Nordin, “Uncertain systems with backlash: Analysis, identication and synthesis”, Licenciate thesis, trita/mat-95-os3, Royal Institute of Technology, 1995 [8] M Nordin, J Galic, and P.O Gutman, “New models for backlash and gear play”, Int J of Adaptive Control and Signal Processing, 1:9-63, 1997 [9] G Brandenburg, H Unger, and A Wagenpfeil Stability problems of a speed controlled drive in an elastic system with backlash and corrective measures by a load observer In Proc International Conference on Electrical Machines, pages 523{527, Munchen, Sept 1986 Technische Universitat Munchen [10] G Brandenburg and U Schafer Influence and adaptive compensation simultaneously acting backlash and Coulomb friction in elastic two-mass systems of robots and machine tools In Proc ICCON '89, pages WA:4-5, Jerusalem, 1989 IEEE [11] G Brandenburg and U Schafer Influence and partial compensation of backlash for a position controlled elastic two-mass system In Proc European Conf on Power Electronics and Applications, pages 1041-1047, Grenoble, Sept 1987 EPE [12] Abilio Azenha and J R Tenreiro Machado, “Variable structure control of systems with nonlinear friction and dynamic backlash”, In Proceedings 82 IFAC World Congress, San Francisco, 1996 [13] R Boneh and O Yaniv Control of an elastic two-mass system with large backlash Master's thesis, Dept of Electronic Systems, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel, 1994 [14] R Boneh and O Yaniv Control of an elastic two-mass system with large backlash J of Dynamic Systems, Measurement and Control, 1998 [15] Stephen R H Dean, Brian W Surgenor, and Harry N Iordanou, “Experimental evaluation of a backlash inverter as applied to a servomotor with gear train”, In Proc 4th IEEE Conf Control Applications, pp.580585, 1995 [16] Gang Tao Petar V Kokotovic, Continuous-Time Adaptive Control of Systems with Unknown Backlash, American Control Conference, 13441348, (1993) [17] Jozef Vörös, “Parametric Identification of Systems with General Backlash”, Informatica vol 23, no 2, 283–298, (2012) [18] S Coman, Cr Boldişor, “Adaptive PI controller design to control a mass -damper -spring process”, Bulletin of the TransilvaniaUniversity of Braşov •Vol (56) No 2, (2014) ... Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840025 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ KẾT CẤU TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ BACKLASH II- Nhiệm vụ nội dung: Nhiệm vụ: Thiết kế điều khiển khử rơ cho kết cấu. .. cơng nghiệp hóa nay, việc khử rơ cho truyền động khí quan trọng Làm để khử rơ truyền động ? Việc thiết kế điều khiển khử rơ truyền động khí quan trọng cần thiết điều khiển Luận văn thiết kế điều. .. điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động khí Mục đích luận văn phân tích, thiết kế mơ điều khiển khả thi cho hệ thống Các phƣơng án khử rơ: Khử rơ cách hiệu chỉnh thiết kế khí hệ truyền động điều