Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ truyền động qua bánh răng

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA ĐẠI HỌC THÁI NGUN CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Họ tên học viên: Nông Lê Huy Ngày tháng năm sinh: Ngày 05 tháng 05 năm 1976 Nơi sinh: Yên Biên - Hà Giang Nơi công tác: Trung t âm KTTH - HN dạy nghề Bắc Cạn Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa Khóa học: K12 - TĐH Ngày giao đề tài: 08/01/2011 Ngày hoàn thành: 30/8/2011 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ N ÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi Đơn vị công tác : Đại học Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Lại Khắc Lãi Nông Lê Huy DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết mô đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn thầy giáo: PGS.TS Lại khắc Lãi trung thực và chƣa tƣ̀ng đƣợc công bố bất kỳ công trì nh nào khác Tác giả luận văn Nơng Lê Huy Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LỜI CẢM ƠN Qua gần năm đƣợc học tập khóa đào tạo Cao học Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp- Đại học Thái Nguyên, đƣợc giao luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ truyền động qua bánh răng” Đến nay, luận văn đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn tận tâm nghiêm khắc Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi Đồng thời nhận đƣợc dạy bảo, quan tâm với lời góp ý chân thành từ Thầy Cô giáo khoa Điện, Điện tử, khoa sau Đại học trƣờng với giúp đỡ từ bạn đồng nghiệp, gia đình bạn bè Tác giả xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu săc: Thầy giáo: Phó Giáo sƣ - Tiến sỹ Lại Khắc Lãi Thầy giáo hƣớng dẫn, hỗ trợ em nhiều mặt chuyên môn tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn Tất Thầy Cô giáo Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun tận tình dạy bảo, hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức bổ ích suốt thời gian tác giả học tập Tất bạn bè, đồng nghiệp xung quanh giúp đỡ tơi nhiều q trình tìm kiếm số liệu để hoàn thành tốt luận văn Cuối tơi khơng thể khơng nhắc đến gia đình thân u tơi, gia đình nguồn động viên tinh thần lớn suốt thời gian học tập, ngƣời ln dành cho tác giả tình cảm nồng ấm sẻ chia lúc khó khăn sống Luận văn quà tinh thần mà tác giả trân trọng gửi tặng đến thành viên gia đình Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA CÁC CHỮ VIẾT TẮT FLC Fuzzy Logic Controler (Bộ điều khiển mờ) BĐK Bộ điều khiển ĐK Điều khiển BDD Bộ biến đổi Mms Mô men ma sát ĐTTSLG Đặc tính tần số biên độ Logarit ĐTĐT: Đối tƣợng điều khiển TBĐK: Thiết bị điều khiển TBĐL - CĐTH : Thiết bị đo lƣờng chuyển đổi tín hiệu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ- ĐỒ THỊ Tên gọi Hình Trang 1.1 Ví dụ số hệ truyền động qua bánh 1.2 Mơ hình hai khối lƣợng có liên hệ đàn hồi 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lƣợng có liên hệ đàn hồi 1.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động 12 1.5 Đặc tính logarit hệ thống 13 1.6 Mối quan hệ ma sát khô vận tốc 16 1.7 Mơ hình vật lý khe hở 17 1.8 Đặc tính Deadzone 18 1.9 Mơ hình ăn khớp bánh 20 1.10 Mơ hình cặp bánh ăn khớp 21 1.11 Mơ hình cặp bánh ăn khớp trùng 22 1.12 Mơ hình cặp bánh ăn khớp tâm ăn khớp P 23 1.13 Mơ hình truyền động bánh phẳng 24 1.14 Sơ đồ truyền động 27 1.15 Sơ đồ tính tốn động lực học 28 1.16 Sơ đồ động lực học 30 2.1 Cấu trúc chung hệ thông điều khiển 34 2.2 Thể đặc tính sai số xác lập 35 2.3 Đặc tính lƣợng điều chỉnh 35 2.4 Thể đặc tính thời gian độ 36 2.5 Thể đặc tính số lần dao động 36 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỷ lệ Kp 41 2.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tích phân Ki 42 2.8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vi phân Kd 44 2.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 48 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA 2.10 Khâu có vùng nhạy 55 2.11 Khâu hạn chế (bão hòa) 55 2.12 Khâu hạn chế có vùng nhạy 56 2.13 Khâu kiểu rơle hai vị trí 56 2.14 Khâu kiêu rơle ba vị trí 57 2.15 Khâu biến đổi A-D 57 2.16 Khâu kiểu rơle hai vị trí có trễ 58 2.17 Khâu kiểu rơle ba vị trí trễ 59 2.18 Khâu kiểu khe hở 60 2.19 Khâu kiểu gối tỳ 62 2.20 Khâu kiểu từ trễ 64 2.21 Sơ đồ khối điều khiển mờ 64 2.22 Hàm liên thuộc luật hợp thành 68 2.23 Giải mờ phƣơng pháp cực đại 70 2.24 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 71 2.25 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 71 2.26 Giải mờ theo phƣơng pháp cận phải 71 2.27 Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 72 2.28 Sơ đồ cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 74 2.29 Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi 75 2.30 Mơ hình điều khiển mờ lai kinh điển 77 2.31 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 77 3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh 81 3.2 Sơ đồ mô hệ truyền động bánh 82 3.3 Đặc tính tốc độ bánh chủ động bị động 82 3.4 Sơ đồ mô quan hệ mô men cặp bánh 83 3.5 Đặc tính mơ men trục bánh chủ động trục bánh bị động 84 3.6 Cấu trúc chung hệ điều chỉnh tốc độ sử dụng hệ chấp hành T-Đ 85 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động 85 3.8 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 86 3.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 90 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Ea = 0) 92 3.11 Sơ đồ mô hệ truyền động qua bánh sử dụng PID kinh điển 93 3.12 Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng PID kinh điển 93 3.13.a Cấu trúc hệ thống điều khiển 94 3.13.b Cấu trúc điều khiển cấu thích nghi 94 95 3.14 Hàm liên thuộc đầu vào đầu điều khiển mờ 3.15 Quan hệ vào-ra điều khiển mờ 95 3.16 Sơ đồ mô hệ truyền động bánh sử dụng điều khiển mờ thích nghi 96 3.17 Đặc tính độ hệ truyền động bánh sử dụng điều khiển mờ thích nghi 96 3.18 Đặc tính tốc độ hệ truyền động qua bánh sử dụng PID kinh điển sử dụng điều khiển mờ thích nghi 97 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 1.1 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 1.1.1 Truyền động xác: 1.1.2 Truyền động tốc độ cao: 1.1.3 Truyền động công suất lớn: 1.1.4 Độ hở mặt bên: 1.2 NHỮNG ẢNH HƢỞNG TÁC ĐỘNG ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 1.2.1 Ảnh hƣởng đàn hồi đến phần hệ thống truyền động 15 1.2.2 Ảnh hƣởng ma sát hệ thống truyền động 16 1.2.3 Ảnh hƣởng khe hở hệ thống truyền động 17 1.2.3.1 Mơ hình vật lý khe hở 17 1.2.3.2 Mơ hình Deadzone (vùng chết): 18 1.2.3.3 Mơ hình với hàm mô tả: 19 1.3 NHỮNG ĐẶC TRƢNG ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG 20 1.3.1 Điều kiện ăn khớp đúng: 21 1.3.2 Điều kiện ăn khớp trùng: 21 1.3.3 Điều kiện ăn khớp khít 22 1.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC 24 1.4.1 Xây dựng mơ hình tốn theo đặc trƣng ăn khớp cặp bánh 24 1.4.2 Xây dựng mơ hình toán xét tới yếu tố đàn hồi c mômen ma sát Mms 27 * Kết luận Chƣơng 32 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 33 2.1.GIỚI THIỆU CHUNG 33 2.1.1 Cấu trúc chung hệ thống điều khiển 34 2.1.2 Các tiêu đánh giá chất lƣợng hệ điều khiển 34 2.1.2.1 Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 34 2.1.2.2 Chỉ tiêu chất lƣợng động 35 2.1.3 Các hệ điều khiển kinh điển 37 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA 2.1.3.1 Tổng hợp điều khiển tuyến tính 37 2.1.3.2 Tổng hợp điều khiển phi tuyến 37 2.2 ĐIỀU KHIỂN PID TUYẾN TÍNH 39 2.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân .40 2.2.1.1 Bộ điều khiển tỷ lệ ( P): 40 2.2.1.2 Bộ điều khiển tích phân (I): 41 2.2.1.3 Bộ điều khiển vi phân D: 43 2.2.2 Các điều khiển tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân, tỷ lệ vi tích phân 45 2.2.2.1 Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân (PI) 45 2.2.2.2 Bộ điều khiển tỷ lệ vi phân PD 46 2.2.2.3 Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID 47 2.2.3 Các điều khiển PID số 49 2.2.3.1 Tích phân xấp xỉ liên tục 50 2.2.3.2.Vi phân xấp xỉ liên tục .51 2.2.3.3 Xấp xỉ PID 51 2.3 ĐIỀU KHIỂN PID PHI TUYẾN 52 2.3.1 Mô tả hệ phi tuyến 52 2.3.2 Đặc điểm hệ phi tuyến 52 2.3.3 Các khâu phi tuyến điển hình 54 2.3.3.1 Khâu có vùng nhạy 54 2.3.3.2 Khâu hạn chế (bão hòa) 55 2.3.3.3 Khâu hạn chế có vùng nhạy 55 2.3.3.4 Khâu kiểu rơle hai vị trí 56 2.3.3.5 Khâu kiêu rơle ba vị trí 57 2.3.3.6 Khâu biến đổi A-D 57 3.3.3.7 Khâu kiểu rơle hai vị trí có trễ 58 2.3.3.8 Khâu kiểu rơle ba vị trí trễ 59 2.3.3.9 Khâu kiểu khe hở: 59 2.3.3.10 Khâu kiểu gối tỳ: 61 2.3.3.11 Khâu kiểu từ trễ 63 2.4 ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 64 2.4.1 Cấu trúc điều khiển mờ 64 2.4.1.1 Khâu mờ hóa 65 2.4.1.3 Khâu giải mờ 69 2.4.2 Phân loại điều khiển mờ mờ 73 2.4.2.1.Phân loại điều khiển mờ 73 2.4.2.2 Các điều khiển mờ 73 2.4.3 Các điều khiển mờ nâng cao: 74 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA 2.4.3.1.Hệ điều khiển thích nghi mờ: 74 2.4.3.2 Hệ điều khiển mờ lai: 75 2.4.3.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID: 78 2.4.3.4 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 78 * Kết luận Chƣơng 2: 78 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 80 3.1 KHÁI QUÁT 80 3.2 ẢNH HƢỞNG CỦA BÁNH RĂNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 80 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động qua bánh 80 3.2.2 Mô hoạt động bánh 81 3.2.3 Mô quan hệ mô men hệ bánh 83 3.3 THIẾT KẾ PID KINH ĐIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 84 3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống: 84 3.3.2 Mơ hình tốn học động điện chiều kích từ độc lập 85 3.3.3 Bộ chỉnh lƣu .88 3.3.4 Máy phát tốc: .89 3.3.5 Biến dòng: 89 3.3.6 Thiết kế mạch vòng dòng điện 90 3.3.7 Thiết kế mạch vòng tốc độ 92 3.3.8 Kết mô 93 3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 93 3.4.1 Cấu trúc điều khiển thích nghi mờ 94 3.4.2 Kết mô 95 3.5 Nhận xét 97 * Kết luận Chƣơng 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 Kết luận 99 Kiến nghị 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 88 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT M  Mc  j CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA d dt (3.10) Phƣơng trình chuyển động động miền laplace M(p)  M c (p)  Jp (3.11) Trong tính tốn, ta giả thiết M c ( M c tổng mô men tải mô men ma sát) biến đổi Laplace (3.11), ta đƣợc M(p)  Jp  k a i u , p toán tử Laplace (3.12) Từ (3.12), (3.6), (3.7) (3.9), sau biến đổi Laplace, ta có: Jp Jp2 U u (p)  R u (p)  Lu (p)  k b (p) ka ka Hay kd (p)  U u (p) Tu Tc p  Tc p  Trong đó: Tu  Lu JR u , Tc  Ru ka kb : Hằng số thời gian điện (s) số thời gian động (s) , k d  1/ k b số động (s) 3.3.3 Bộ chỉnh lƣu Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động điện chiều (qua điều chỉnh tốc độ động cơ) cần có biến đổi Ở đây, ta sử dụng biến đổi chỉnh lƣu cầu pha điều khiển đối xứng với tham số sau: Uđk: Điện áp điều khiển đầu vào; Ud: Điện áp chiều đầu để đƣa vào phần ứng động (Uƣ) Uđk có nhiệm vụ thay đổi góc mở  van tiristo có gisá trị bé so với Ud, nên chỉnh lƣu khuếch đại với hệ số khuếch đại Kcl Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 89 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chọn Kcl  CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Udm Udm   14.6 Udk 15 Theo ta biết Uđm = 220 (V) Kcl = 14.6 Ngồi ra, chỉnh lƣu cịn có tính trễ với thời gian trễ (trong đó: f = 50Hz tần số điện áp lƣới; P số xung đập mạch) Do thời gian trể T