Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền động hai khối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN GIA KHÔI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI CONTROLLER DESIGN FOR TWO-MASS RESONANT SYSTEM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 60520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Đoàn Thế Thảo Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Cán chấm nhận xét 2: TS Lê Thanh Hải Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí Thư ký: TS Ngơ Hà Quang Thịnh Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 2: TS Lê Thanh Hải Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Duy Anh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có): CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN GIA KHÔI MSHV: 1670762 Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1989 Nơi sinh: ĐakLak Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 60520114 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI CONTROLLER DESIGN FOR TWO-MASS RESONANT SYSTEM NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Tổng quan hệ thống truyền động hai khối với khối tác động động DC Servo - Nghiên cứu sở lý thuyết điều khiển trượt thích nghi điều khiển trượt tích phân, điều khiển vận tốc động bám theo vận tốc đặt có xét yếu tố độ cứng xoắn trục tải thay đổi - Mô điều khiển, chế tạo mơ hình làm thực nghiệm để kiểm nghiệm điều khiển mơ hình thí nghiệm II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/01/2019 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/6/2019 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐOÀN THẾ THẢO CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày tháng năm 2019 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS Đoàn Thế Thảo PGS.TS Nguyễn Quốc Chí TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG Tp.HCM nơi mong muốn học tập lâu Để hồn thành luận văn này, trước hết tơi chân thành cảm ơn đến tất Thầy/Cô môn Cơ điện tử Thầy/Cô môn khác thực công việc giảng dạy truyền đạt kiến thức cho tơi Trong q trình học tập, giảng dạy quý Thầy/Cô giúp tơi tích lũy nhiều kiến thức kinh nghiệm lĩnh vực chuyên môn sống Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Đồn Thế Thảo tận tình hướng dẫn kiến thức chuyên môn luôn động viên tinh thần để hồn thành luận văn đạt kết tốt Tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, anh em học viên khóa cao học ln quan tâm động viên tơi q trình học tập trường Tp HCM, tháng năm 2019 Nguyễn Gia Khơi TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày nghiên cứu hệ thống truyền động hai khối phương pháp điều khiển vận tốc hệ thống truyền động hai khối sử dụng điều khiển trượt thích nghi điều khiển trượt tích phân Mục đích điều khiển phải đảm bảo cho vận tốc động bám theo vận tốc tham chiếu đồng thời giảm sai số vận tốc tải vận tốc động Bộ điều khiển trượt thích nghi ước lượng xác hệ số độ cứng trục, vận tốc động đạt độ ổn định cao lại làm cho vận tốc tải bị dao động có momen tải tác động, cần phải đo lường hai biến trạng thái vận tốc động vận tốc tải Bộ điều khiển trượt tích phân cần đo lường biến trạng thái vận tốc động cơ, vận tốc động đạt độ ổn định cao, giảm sai số vận tốc động tải có momen tải tác động Kết hai điều khiển mô Mathlab lập trình nhúng vi điều khiển STM32F722VC , mơ hình thực nghiệm hệ truyền động hai khối với khối tác động sử dụng động DC Servo ABSTRACT The thesis presents research on two-mass resonant system and speed control method of two-mass resonant system using adaptive sliding mode controller and integral sliding mode controller The target of the controller has to ensure that the speed of the motor tracking the reference speed while reducing error between load and motor speeds The adaptive sliding mode controller accurately estimates the axial stiffness coefficient, the motor speed reaches high stability, but the load speed is oscillated when the load torque is applied, two state variables of the system must be measured including motor and load speeds The integral sliding mode controller only needs to measure a state variable is the motor speed, it is reached high stability, reducing error between load and motor speeds while the load torque is applied The results of the two controllers were simulated on Mathlab and embedded programming on STM32F722VC microcontroller, experimental model of two-mass resonant system with the active mass using DC servo motor LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn kết nghiên cứu thực cách nghiêm túc Tất nội dung tham khảo có liên quan trình bày luận văn tơi trích dẫn cụ thể, rõ ràng chi tiết HỌC VIÊN NGUYỄN GIA KHÔI MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Cấu tạo hệ thống truyền động hai khối 1.2 Các nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động hai khối 1.3 Phương pháp nghiên cứu đề tài 10 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH TỐN HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 11 2.1 Mơ hình tốn động DC Servo 11 2.2 Nhận dạng thông số động DC Servo 12 2.3 Mơ hình tốn hệ truyền động hai khối với khối tác động động DC 16 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 21 3.1 Lý thuyết điều khiển trượt 21 3.2 Xây dựng điều khiển trượt thích nghi 25 3.2.1 Lý thuyết điều khiển trượt thích nghi 25 3.2.2 Áp dụng luật điều khiển trượt thích nghi 27 3.3 Xây dựng điều khiển trượt tích phân 33 3.3.1 Lý thuyết điều khiển trượt tích phân 33 3.3.2 Áp dụng luật điều khiển trượt tích phân 35 CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 40 4.1 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 40 4.1.1 Tổng quan thiết bị phần cứng 40 4.1.2 Giới thiệu vi điều khiển STM32F722VCT6 41 4.1.3 Giao diện phần mềm đo lường điều khiển 42 4.2 Đáp ứng thực nghiệm hệ truyền động hai khối 43 4.2.1 Đáp ứng thực nghiệm điều khiển PID 43 4.2.2 Đáp ứng thực nghiệm điều khiển ASMC 45 4.2.3 Đáp ứng thực nghiệm điều khiển ISMC 48 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51 5.1 Kết luận 51 5.2 Phương hướng phát triển 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 1: SƠ ĐỒ SIMULINK 55 PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỆN 57 PHỤ LỤC 3: CHƯƠNG TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN 60 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Trục nối hệ thống cán Hình 1.2: Khớp nối mềm động tải Hình 1.3: Hệ truyền động hai khối với động tải Hình 1.4: Mơ hình vật lý hệ TMRS Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ TMRS tham khảo [2] Hình 1.6: Sơ đồ khối tương đương hệ TMRS Hình 1.7: Biểu đồ Bode hàm truyền G mL ( s ) Hình 1.8: Biểu đồ Bode hàm truyền G mm ( s) Hình 1.9: Giới hạn gia tốc Hình 1.10: Cấu trúc điều khiển tham khảo [4] Hình 1.11: Kết nghiên cứu tham khảo [4] Hình 1.12: Cấu trúc điều khiển tham khảo [6] Hình 1.13: Kết nghiên cứu tham khảo [6] Hình 1.14: Kết nghiên cứu tham khảo [7] Hình 1.15: Cấu trúc điều khiển tham khảo [8] Hình 1.16: Kết nghiên cứu tham khảo [8] Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều 11 Hình 2.2 : Hàm truyền vòng hở động DC 12 Hình 2.3: Động DC Servo sử dụng mơ hình 13 Hình 2.4: Mạch đo lường điều khiển 13 Hình 2.5: Đáp ứng vận tốc thực tế động thay đổi điện áp 14 Hình 2.6: Mơ hình cập nhật tham số ước lượng động 14 Hình 2.7: Qúa trình ước lượng lần thơng số động Mathlab 15 Hình 2.8: Qúa trình ước lượng lần thơng số động Mathlab 15 Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc hệ TMRS sử dụng động DC 16 Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển PID vận tốc động hệ RTMS 18 Hình 2.11: Vận tốc động tải với trục có độ cứng Kc  20 Nm / rad 18 Hình 2.12: Góc lệch  động tải với trục có độ cứng Kc  20 Nm / rad 19 Hình 2.13: Vận tốc động tải với trục có độ cứng K c  Nm / rad 19 Hình 2.14: Góc lệch  động tải với trục có độ cứng K c  Nm / rad 20 Hình 3.1: Hàm sign 22 Hình 3.2: Hiện tượng chattering 23 Hình 3.3: Hàm satlin 24 Hình 3.4: Hàm 24 Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tham khảo [11] 25 Hình 3.6: Sơ đồ điều khiển ASMC vận tốc động hệ RTMS 29 Hình 3.7: Đáp ứng tốc độ động cơ, tốc độ tải tín hiệu điều khiển 29 Hình 3.8: Hệ số độ cứng xoắn trục dựa luật thích nghi 30 Hình 3.9: Thành phần tín hiệu điều khiển uhat dựa luật thích nghi 30 Hình 3.10: Phase trajectory điều khiển ASMC 30 Hình 3.11: Đáp ứng tốc độ động cơ, tốc độ tải tín hiệu điều khiển giảm hệ số c,  ,  31 Hình 3.12: Hệ số độ cứng xoắn trục giảm hệ số thích nghi  31 Hình 3.13: Thành phần tín hiệu điều khiển uhat giảm hệ số thích nghi  32 Hình 3.14: Phase trajectory giảm hệ số c,  ,  32 Hình 3.15: Sơ đồ điều khiển ISMC vận tốc động hệ RTMS 36 Hình 3.16: Đáp ứng tốc độ động cơ, tốc độ tải tín hiệu điều khiển sử dụng ISMC 37 Hình 3.17: Các thành phần tín hiệu điều khiển u0 , u1 37 Hình 3.18: Phase trajectory sử dụng ISMC 37 Hình 3.19: Đáp ứng tốc độ động cơ, tốc độ tải tín hiệu điều khiển giảm hệ số  38 Hình 3.20: Các thành phần tín hiệu điều khiển giảm hệ số  38 Hình 3.21: Phase trajectory giảm hệ số  39 Hình 4.1: Hệ thống thiết bị linh kiện thực nghiệm 41 Hình 4.2: Mơ hình hệ TMRS thực tế 41 Hình 4.3: Dead time chống ngắn mạch điều chế PWM 42 Hình 4.4: Phương pháp đọc encoder chế độ x2 42 Hình 4.5: Giao diện phần mềm đo lường điều khiển 43 Hình 4.6: Hiện tượng dao động khởi động động 44 Hình 4.7: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số K P  235, K I  11320, K D  70 44 Hình 4.8: Tín hiệu điều khiển với hệ số K P  235, K I  11320, K D  70 44 Hình 4.9: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  65,   4820,   1045 45 Hình 4.10: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  65,   30000,   30000 45 Hình 4.11: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  60,   15000,   90000 47 Hình 4.12: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  60,   15000,   30000 47 Hình 4.13: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  70,   7540, K  70 48 Hình 4.14: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  70,   6880, K  70 49 Hình 4.15: Đáp ứng tốc độ động tốc độ tải với hệ số c  70,   6820, K  70 50 68 {sum_est_phi_dot=0;} Est_phi=sum_est_phi_dot*sampling_time; Est_Kc=Est_phi*(L*J); sat_s=satline_function(s,10); u_1=nuy*sat_s/A1; cc=(A2+A3)*speed_m_dot; ee=(A2*A3+A4)*speed_m; ff=c*error_dot; gg= Est_Kc*temp/(L*J); u_0=(cc+ee+ff)/A1+gg/A1; u_control=(u_0 +u_1); if(u_control>6680) {u_control=6680;} else if(u_control1) {_sat_s=1.0f;} else if (fabs(s_in/delta_s)