Thiết kế đồng bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát luenberger cho hệ tuyền động khớp nối mềm

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự – Hạnh phúc ***** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM Học viên : Đặng Nguyên Bình Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH :TS Bùi Chính Minh CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Bùi Chính Minh Đặng Nguyên Bình BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tổng hợp cá nhân hướng dẫn TS Bùi Chính Minh tham khảo tài liệu liệt kê Tơi khơng chép cơng trình cá nhân khác hình thức Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Người cam đoan Đặng Ngun Bình Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 11 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 13 1.1 Khái niệm khớp nối khớp nối mềm 13 1.1.1 Khớp nối 13 1.1.2 Khớp nối mềm 13 1.2 Đặc điểm số loại khớp nối 14 1.2.1 Khớp nối kiểu đai truyền 14 1.2.2 Khớp nối kiểu xích 14 1.2.3 Khớp nối kiểu bánh ăn khớp 15 1.3 Độ cứng khớp nối 15 1.3.1 Độ cứng của trục làm việc bị xoắn 15 1.3.2 Độ cứng làm việc kéo nén 16 1.3.3 Độ cứng mối nối ren 16 1.3.4 Độ cứng truyền động bánh 17 1.3.5 Độ cứng nối then chêm 17 1.3.6 Độ cứng truyền động đai da truyền động xích 18 1.4 Hiện tượng cộng hưởng hệ thống truyền động khớp nối mềm 18 1.5 Các giải pháp mặt học khắc phục tượng cộng hưởng 21 1.5.1 Tăng độ cứng phận nối từ động đến tải 21 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.5.2 Thay đổi tỷ lệ quán tính tải động 23 1.6 Kết luận chương 24 Chƣơng 2: GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 25 2.1 Mơ tả tốn học hệ truyền động khớp nối mềm 25 2.2 Bộ điều khiển PID 31 2.3 Sử dụng lọc 32 2.3.1 Bộ lọc thông thấp 32 2.3.2 Bộ lọc dải hẹp 33 2.3.3 Bộ lọc bậc hai 34 2.4 Điều khiển PI kết hợp phản hồi mômen xoắn 34 2.5 Phương pháp dùng biến thể PID 38 2.5.1 Bộ điều khiển I-P 38 2.5.2 Bộ điều khiển I-PD 39 2.6 Hệ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát 40 2.7 Kết luận chương 41 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM 42 3.1 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực 42 3.1.1 Điều khiển hồi tiếp trạng thái 42 3.1.2 Phương pháp áp đặt cực cho hệ điều khiển hồi tiếp trạng thái 45 3.1.3 Các chuẩn tối ưu hoá đáp ứng độ 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.4 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực cho hệ truyền động khớp nối mềm 53 3.2 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái phương pháp áp đặt cực dùng quan sát Luenberger 60 3.2.1 Bộ quan sát Luenberger 60 3.2.2 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger 62 3.2.3 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm phương pháp áp đặt cực theo tiêu chuẩn tối ưu ITAE 64 3.3 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm kết mơ phỏng: 66 3.3.1 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm 66 3.3.2 Kết mô 69 3.4 Kết luận chương 76 Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THÍ NGHIỆM THỰC TRÊN MƠ HÌNH TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM PP400 77 4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 77 4.2 Card NI6014 79 4.2.1 Đầu vào tương tự(AI) 81 4.2.2 Đầu tương tự (AO) 82 4.2.3 Cổng vào số (DIO) 82 4.2.4 Counter 83 4.2.5 Các đầu vào chức khả trình (Programmable Function Interface-PFI) 83 4.3 Thiết kế mạch lực mạch điều khiển 84 4.3.1 Thiết kế mạch lực 84 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 87 4.4 Sơ đồ tổng thể thiết bị thí nghiệm 89 4.5 Các sơ đồ Simulink hệ thí nghiệm thực mơ hình truyền động khớp nối mềm PP400 90 4.6 Kết luận chương 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU NỘI DUNG TRANG Hình 1.1 Các sai lệch khớp nối 13 Hình 1.2 Chi tiết trục 15 Hình 1.3 Mối nối ren 16 Hình 1.4 Truyền động bánh 17 Hình 1.5 Nối then 17 Hình 1.6 Truyền động đai 18 Hình 1.7 Mơ tả tính cứng khớp mềm 19 Hình 1.8 Khớp nối mềm động tải 20 Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ truyền động khớp nối mềm 21 Hình 1.10 Đặc tính tần số_ biên pha hệ đối tượng 22 khớp nối mềm K=1,2 K=1,97 Hình 1.11 Ảnh hưởng tỷ số JL/JM đến tượng cộng hưởng học 23 Hình 2.1 Hệ truyền động khớp nối mềm 25 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp nối mềm 28 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp nối mềm bỏ qua bS 31 Hình 2.4 Bộ điều khiển PI áp dụng cho hệ truyền động khớp nối mềm 31 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có sử 32 dụng lọc thông thấp kết hợp với khâu PI Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có sử 33 dụng lọc dải hẹp kết hợp với khâu PI Hình 2.7 Bộ quan sát mơ men xoắn 35 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển PI kết hợp với phản hồi mô men 36 xoắn Hình 2.9 Đặc tính tốc độ động tải sử dụng điều khiển PI có kết 37 hợp với phản hồi momen xoắn cho hệ truyền động khớp nối mềm Hình 2.10 Bộ điều khiển I-P cho hệ truyền động khớp nối mềm 38 Hình 2.11 Bộ điều khiển I-PD cho hệ truyền động khớp nối mềm 39 Hình 2.12 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger 40 cho hệ truyền động khớp nối mềm Hình 2.13 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng lọc Kalman cho hệ 41 truyền động khớp nối mềm Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái 42 Hình 3.2 Minh họa cho việc trình bày cơng thức Mason 48 Hình 3.3 Sự phân chia vùng cực mặt phẳng phức 50 Hình 3.4 Vùng điểm cực trội điểm cực khơng quan trọng mặt phẳng 51 s Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp nối mềm bỏ qua bs 53 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái áp đặt cực cho hệ 56 truyền động khớp nối mềm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc quan sát Luenberger 61 Hình 3.8 Hệ thống phản hồi trạng thái sử dụng quan sát Luenberger 62 Hình 3.9 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng quan sát 65 Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm Hình 3.10 Mơ hình hóa động cơ-khớp nối mềm-tải 66 Hình 3.11 Mơ hình hóa quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối 66 mềm Hình 3.12 Mơ hình hóa khâu phản hồi momen xoắn trục động 67 Hình 3.13 Mơ hình hóa quan sát momen xoắn trục động 67 Hình 3.14 Mơ hình hóa lọc thơng thấp 67 Hình 3.15 Mơ hình hóa điều khiển PI 68 Hình 3.16 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển PI cho hệ truyền động khớp nối 68 mềm Hình 3.17 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái dùng 68 quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm Hình 3.18 So sánh tốc độ tải tốc độ động hệ khớp nối mềm sử 70 dụng điều khiển PI kết hợp với phản hồi momen xoắn Hình 3.19 So sánh tốc độ động thực tốc độ động quan sát 72 Hình 3.20 So sánh tốc độ tải thực tốc độ tải quan sát 72 Hình 3.21 So sánh momen xoắn trục động thực momen xoắn 73 trục động quan sát Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Hình 3.22 So sánh tốc độ tải tốc độ động ứng với điều khiển phản 74 hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger Hình 3.23 So sánh tốc độ tải dùng điều khiển PI điều khiển 75 phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger Hình 4.1 Hệ truyền động PP400 77 Hình 4.2 Sơ đồ khối phần tử Card NI6014 80 Hình 4.3 Dạng counter 83 Hình 4.4 Sơ đồ mạch cầu băm xung áp chiều 84 Hình 4.5 Đồ thị điện áp động phương pháp băm xung đối xứng 85 Hình 4.6 Đồ thị điện áp động phương pháp băm xung không đối xứng 85 (T4 ln mở T3 ln khố) Hình 4.7 Sơ đồ cầu van vi mạch L298 86 Hình 4.8 Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đóng mở van bán dẫn 87 Hình 4.9 Mạch logic tạo xung đóng mở van 88 Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển hệ truyền động khớp 89 nối mềm Hình 4.11 Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 thuật 90 toán điều khiển PI Hình 4.12 Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 thuật 91 toán điều khiển phản hồi trạng thái dùng quan sát Luenberger Bảng 3.1 Dạng tối ưu hàm truyền mạch kín dựa tiêu chuẩn ITAE Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 52 80 Tổng số có 68 đầu nối vào Card Sơ đồ khối Card thể hình vẽ 4.2 Có thể thấy Card 6014 mở rộng cổng vào cho máy tính có thêm đếm, định thời, với tốc độ truyền nhanh qua BUS PCI Tốc độ tính tốn cũng truy cập còn phụ thuộc vào tốc độ máy tính Hình 4.2 Sơ đồ khối phần tử Card NI6014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 81 4.2.1.Đầu vào tƣơng tự(AI) Card NI6014 có 16 kênh AI: AI (0,1 15) Bộ chuyển đổi ADC chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Một đệm lớn(512 mẫu tín hiệu hay 512words) kiểu FIFO(vào trước sau) lưu trữ giữ liệu trình chuyển đổi để đảm bảo liệu không bị Vào liệu chuyển đổi phương pháp DMA, ngắt vào chương trình Trở kháng vào đầu AI lớn: 1G  Do khơng làm suy giảm tín hiệu vào Chống điện áp đặt vào quá:  25V chạy  15 V tắt Dải điện áp vào chuẩn -10  10V, nhiên AI card hỗ trợ dải điện áp thấp hơn: -5V  5V, -500mV  500mV, -50mV  50mV Sở dĩ chọn dải điện áp thấp card có khuếch đại trước vào chuyển đổi so sánh với tín hiệu mẫu Nếu chọn dải thấp độ phân giải điện áp nhỏ Nếu chọn dải -10  10V độ phân dải bằng: (10-(-10))/216 =301  V Ở dải thấp độ phân dải thấp Điều nói nên card phù hợp với nhiều dải điện áp vào khác mà độ xác tương đối khơng đổi Chu kỳ quét AI khoảng  s (200kHz) Trong card có chuyển đổi ADC phục vụ cho 16 kênh AI nhờ trộn (Mux) Có phương pháp để tính tín hiệu đo là: tính mẫu tính trung bình nhiều mẫu Phương pháp tính trung bình nhiều mẫu cho kết xác hơn, giảm ảnh hưởng tín hiệu nhiễu ADC cũng có cần tín hiệu khởi động chuyển đổi đưa tín hiệu kết thúc chuyển đổi, tín hiệu card quản lý Việc đo tín hiệu cần nối hai đầu vào vào hai chân AI AI GND card Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 82 4.2.2.Đầu tƣơng tự (AO) Card có kênh AO: AO(0,1) Trong Card có hai chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự(DAC) 16 bít Bộ nhớ đệm tín hiệu cũng thuộc loại FIFO có sẵn card cho phép tín hiệu gửi từ máy tính xuống không bị Dải điện áp ra: -10V  10V Hoặc tăng giảm dải có dùng điện áp mẫu đặt bên Trở kháng nhỏ: 0,1  đảm bảo cung cấp dòng max mA Chống ngắn mạch đầu AO Thời gian chuyển đổi DAC nhanh cỡ : 50  75 ns Độ xác: phụ thuộc vào dải điện áp nhiệt độ môi trường: Với Card NI6014 dải điện áp tương tự: -10V  10V , độ xác khoảng 0,3mV Quản lý liệu điều khiển AO theo phương pháp có đệm(buffered) khơng đệm(non-buffered) - Có đệm: Dữ liệu chuyển từ đệm máy tính xuống đệm card sử dụng phương pháp DMA ngắt trước truyền xuống DAC Phương pháp có tốc độ nhanh phương pháp không đệm liệu truyền theo khối lớn thời điểm - Không đệm: Dữ liệu truyền thẳng từ đệm máy tính xuống DAC, thời điểm truyền số Phương pháp chậm hơn, nhiên sử dụng tín hiệu cần truyền dạng trích mẫu theo thời gian, thời gian thực 4.2.3.Cổng vào số (DIO) Card có kênh vào số: P0.(0,1 7) chuẩn TTL, điện áp vào bảo vệ 0,5 Ud>0  < 0,5 Ud