Nghiên cứu, ứng dụng động cơ tuyến tính cho hệ thống giảm chấn tích cực

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ANH THẮNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ANH THẮNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH CHO HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÍ THÁI NGUYÊN – 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Anh Thắng Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng động tuyến tính cho hệ thống giảm chấn tích cực Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số SV:…………………… Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 23/09/2020 với nội dung sau: Đã sửa chữa lỗi tả, in ấn công thức tương ứng với chương Đã xem lại kết luận chương chỉnh sửa hạn chế Thái Nguyên, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG i năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Anh Thắng Sinh ngày 14 tháng 10 năm 1992 Học viên lớp cao học khoá 21 - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Phân xưởng Cơ điện, Xí nghiệp Cơ khí, Nhà máy Z131 Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng động tuyến tính cho hệ giảm chấn tích cực” thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn nghiên cứu với tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày 25 tháng 08 năm 2020 Học viên Trần Anh Thắng ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng động tuyến tính cho hệ giảm chấn tích cực” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Chí tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, nhiên điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp cho luận văn tơi hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 08 năm 2020 Tác giả luận văn Trần Anh Thắng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii LỜI NÓI ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH .3 1.1 Giới thiệu động tuyến tính 1.1.1.Giới thiệu chung động tuyến tính 1.1.2.Cấu tạo động tuyến tính .3 1.1.3 Nguyên lý làm việc động tuyến tính 1.2 Xây dựng mơ hình động tuyến tính 1.2.1 Công cụ xây dựng mơ hình 1.2.2 Xây dựng mơ hình điện áp lực cho động tuyến tính dạng ống 10 1.3 Kết luận chương 15 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG MƠ HÌNH GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 17 2.1 Hệ thống giảm chấn 17 2.2.1 Giới thiệu chung 17 2.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 20 2.1.3 Các yêu cầu hệ thống đánh giá chất lượng giảm chấn .25 2.2 Xây dựng mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực 27 2.3.Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính .32 2.4.Kết luận chương 33 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GIẢM CHẤN 34 TÍCH CỰC 34 iv 3.1 Cấu trúc điều khiển tổng quát .34 3.2.Thiết kế điều khiển lực dòng cho động tuyến tính 34 3.2.1 Thiết kế điều khiển dòng 35 3.2.2.Thiết kế điều khiển lực .37 3.3 Thuật toán điều khiển hệ giảm chấn 38 3.4 Một số kết điều khiển hệ thống .44 3.5 Kết luận chương .50 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Cấu tạo động tuyến tính [2] Hình 1-2 Mơ hình chuyển đổi động quay sang động truyền động thẳng[1] Hình 1-3 Các dạng cấu tạo động chuyển động thẳng [1] Hình 1-4 Sơ đồ khối mơ hình động tuyến tính Hình 1-5 Mơ hình động tuyến tính xây dựng Matlab/Simulink 13 Hình 1-6 Sơ đồ mơ động tuyến tính với khâu chuyển đổi hệ tọa độ dq 14 Hình 1-7 Đáp ứng độ dịch chuyển rotor lực đẩy 14 Hình 1-8 Các trạng thái động 15 Hình 2.1 Mơ hình hệ thống giảm chấn điển hình 18 Hình 2.2 Nhiễu mặt đường dạng kiện có biên độ 0.05m, thời gian tồn 1s .19 Hình 2.3 Minh họa dao động hệ thống giảm chấn với nhiễu mặt đường có dạng kiện Hình 2.1 19 Hình 2.4 Phân loại hệ thống giảm: a) giảm chấn thụ động, b) giảm chấn bán tích cực, d) giảm chấn tích cực 20 Hình 2.5 Hệ thống giảm chấn tích cực hãng xe BMW sản xuất năm 2009 24 Hình 2.6 Mặt cong mô tả thay đổi mức độ thoải mái theo mức độ an toàn phụ thuộc vào tham số cs ds hệ thống giảm chấn [5] 26 Hình 2.7 Hệ thống giảm chấn tích cực thiết kế đề tài 27 Hình 2.8 So sánh mơ hình lý thuyết mơ hình thực tế 30 Hình 2.9 File simulink so sánh đáp ứng mơ hình giảm chấm đáp ứng hệ giảm chấn thực tế 30 Hình 2.10 Kích thích từ mặt đường z r , dz r / dt thực nghiệm với tốc độ 0.3m/s 31 Hình 2.11 Kết so sánh mơ hình lý thuyết mơ hình thực tế dao động khối treo khối tải .31 Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống giảm chấn tích cực 33 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực ứng dụng động tuyến tính 34 Hình 3.2 Sơ đồ mơ simulink điều khiển lực điều khiển dòng cho động cơ35 vi Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển dịng cho động 35 Hình 3.4 Đáp ứng dịng điện id iq 36 Hình 3.5 Bộ điều khiển lực 37 Hình 3.6 Đáp ứng lực Fe với giá trị đặt 200N 37 Hình 3.7 Đáp ứng lực Fe với giá trị đặt thay đổi 38 Hình 3.8 Sơ đồ mơ thuật tốn điều khiển hệ giảm chấn 40 Hình 3.9 Kết mơ tác động điều khiển LQR trường hợp dao động có dạng xung vng 41 Hình 3.10 Lực Fe (t ) lực tải động Fdyn (t ) 42 Hình 3.11 Kết mơ tác động điều khiển LQR trường hợp dao động có ngẫu nhiên 43 Hình 3.12 Lực Fe (t ) lực tải động Fdyn (t ) 44 Hình 3.13 Sơ đồ mô simulink điều khiển hệ thống 44 Hình 3.14 Trạng thái hệ thống giảm chấn dao động xung vuông 45 Hình 3.15 Trạng thái dịch chuyển rotor .45 Hình 3.16 Trạng thái động tuyến tính .46 Hình 3.17 Lực cần dập tắt dao động điều khiển LQR tính tốn lực động tuyến tính tạo 47 Hình 3.18 Trạng thái hệ thống giảm chấn dao động n .48 Hình 3.19 Trạng thái dịch chuyển rotor .48 Hình 3.20 Lực cần dập tắt dao động điều khiển LQR tính tốn lực động tuyến tính tạo 49 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tham số vật lý động tuyến tính .13 Bảng 2.1 Tần số dao động tỷ số giảm chấn khối treo khối tải theo tham số 20 Bảng 2.2 Phân loại hệ thống giảm chấn, giới hạn lực dải vận hành, yêu cầu nguồn lượng [4] 24 viii (N) Fe(t) động sinh (N) Fe_sp (t) t (s) t (s) Hình 3.7 Đáp ứng lực Fe với giá trị đặt thay đổi 3.3 Thuật toán điều khiển hệ giảm chấn Từ phương trình mơ tả hệ giảm chấn (2.24) sau dx = A x + Bu + Eu d dt y = Cx + Du + fu d Với tham số vật lý hệ m s = 21.35kg cs = 12115.3N / m ds = 1392.8621Ns / m m w = 5.05kg cw = 43750N / m dw = 1000Ns / m 38 (2.16) Các ma trận mơ hình có dạng (2.17) (2.18) Bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu nhằm xác định tín hiệu điều khiển Fe (t ) cho thoả mãn hàm mục tiêu có dạng tồn phương: (2.19) Trong Q, E R ma trận tuỳ chọn dựa cân nhắc thời gian làm cho hệ ổn định chất lượng điều khiển Luật điều khiển có dạng: Fe = - K x (t ) (2.20) ma trận phản hồi trạng thái xác định từ phương trình Ricatti: - K A - AT K - Q + K B R - 1B T K = (2.21) Từ ma trận tìm sử dụng lệnh Matlab để tìm điều khiển LQR:  K   =   lqr (A, B ,Q , R ,) 39 Với Q = 100.eye(4); R = 1, ta được: (2.22) Kết mơ thuật tốn điều khiển hệ thống giảm chấn Hình Hình 3.8 Sơ đồ mơ thuật toán điều khiển hệ giảm chấn 40 z r (m ) t (s ) z s (m ) t (s ) z w (m ) t (s ) dz w / dt (m / s ) t (s ) t (s ) Hình 3.9 Kết mơ tác động điều khiển LQR trường hợp dao động có dạng xung vng 41 Fe (t )(N ) t (s ) Fdyn (t )(N ) t (s ) Hình 3.10 Lực Fe (t ) lực tải động 42 Fdyn (t ) z r (m ) t (s ) z s (m ) t (s ) z w (m ) t (s ) dz w / dt (m / s ) t (s ) t (s ) Hình 3.11 Kết mơ tác động điều khiển LQR trường hợp dao động có ngẫu nhiên 43 Fe (t )(N ) t (s ) Fdyn (t )(N ) t (s ) Hình 3.12 Lực Fe (t ) lực tải động Fdyn (t ) 3.4 Một số kết điều khiển hệ thống Sơ đồ mơ hệ thống Hình 3.3 Sơ đồ mô simulink điều khiển hệ thống Dao động có dạng xung vng 44 (m) (m) t (s) (m) t (s) (m) t (s) t (s) Hình 3.14 Trạng thái hệ thống giảm chấn dao động xung vng (m) t (s) Hình 3.15 Trạng thái dịch chuyển rotor 45 (A) (A) t (s) (A) t (s) t (s) (A) t (s) Hình 3.16 Trạng thái động tuyến tính 46 (N ) (N ) t (s) t (s) Hình 3.17 Lực cần dập tắt dao động điều khiển LQR tính tốn lực động tuyến tính tạo Dao động có dạng ngẫu nhiên 47 (m) (m) t (s) (m) t (s) (m) t (s) t (s) Hình 3.18 Trạng thái hệ thống giảm chấn dao động n (m) t (s) Hình 3.19 Trạng thái dịch chuyển rotor 48 Hình 3.20 Lực cần dập tắt dao động điều khiển LQR tính tốn lực động tuyến tính tạo Từ kết mô hệ thống giảm chấn tích cực cho hai trường hợp dao động có dạng kiện dao động có dạng ngẫu nhiên cho thấy: + Mạch vòng điều khiển lực tạo lực động tuyến tính bám theo dạng lực yêu cầu từ mạch vòng điều khiển dập tắt dao động LQR tính tốn tạo + Mạch vịng điều khiển dập tắt dao động LQR có nhiệm vụ vào biến trạng thái hệ giảm chấn tích cực (chuyển vị vận tốc khối treo khối tải) để tính tốn lực tối ưu LQR nhằm giảm thiểu dao động cho khối tải Lực điều khiển tối ưu thỏa mãn hàm mục tiêu dạng tồn phương phương trình 3.9 Hàm mục tiêu thỏa hiệp thời gian dập tắt dao động chất lượng giảm dao động thông qua ma trận hiệu chỉnh Q, E R Nếu yêu cầu thời gian dập dao động nhanh chất lượng giảm dao động không cao (độ êm dịu) ngược lại \ 49 + Hệ kín gồm hai mạch vịng điều khiển làm việc ổn định có chiều hướng tác động mong muốn 3.5 Kết luận chương Trong chương luận văn, tác giả xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính gồm hai mạch vịng theo cấu trúc cascade Mạch vịng ngồi sử dụng điều khiển LQR tối ưu dạng toàn phương nhằm tính tốn giá trị lực dập dao động để đưa tới làm giá trị đặt lực cho mạch vòng Mạch vòng mạch vòng điều khiển động tuyến tính, có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp ba pha nhằm tạo lực mạch vịng ngồi u cầu Các kết điều khiển minh chứng kết mô dập tắt dao động cho hai trường hợp dao động dạng kiện dao động dạng ngẫu nhiên Hệ kín làm việc ổn định đạt mục tiêu dập dao động khối tải hệ thống giảm chấn 50 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN Luận văn với tên đề tài “ Nghiên cứu, ứng dụng động tuyến tính cho hệ thống giảm chấn tích cực ” thực nội dung trình bày chương cách tóm tắt sau: Chương luận văn tìm hiểu chung động tuyến tính, từ cấu tạo nguyên lý làm việc Chương xây dựng mơ hình động tuyến tính mơ tả quan hệ điện áp đặt vào động lực đẩy độ dịch chuyển trục động Từ quan hệ này, chương mơ hình hố động tuyến tính phần mềm mơ Matlab/Simulink Trên sở tốn học trình bày, tác giả chuyển hệ toạ độ abc động tuyến tính thành hệ toạ độ dq Việc điều khiển động tuyến tính chuyển hệ toạ độ dq nhờ phép dịch chuyển toạ độ Qua kết mô đáp ứng động cơ, ta thấy lực Fe x thay đổi tuyến tính với điện áp đạt vào stator động Chương luận văn tìm hiểu hệ thống giảm chấn, hệ thống giảm chấn tích cực, thơng số đánh giá chất lượng hệ thống giảm chấn Chương tiến hành xây dựng mơ hình toán học hệ thống giảm chấn, xác định thông số vật lý hệ thống Cuối chương hai luận văn đưa mơ hình tổng thể hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính Chương 3: Thiết kế điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều phản hồi trạng thái LQG Tác động điều khiển thực tính tốn để đưa lực cản dịu cho đưa x s (t ) nhanh chóng giá trị Để tạo lực dập tắt dao động điều khiển LQG đưa ra, tác giả sử dụng hai mạch vòng điều khiển mạch vòng điều khiển lực mạch vòng điều khiển dòng điện Mạch vịng điều khiển lực tính điều khiển lực tính tín hiệu dịng điện đặt idq (t ) Các điều khiển mô kiểm chứng Matlab/Simulink, kết mô đáp ứng yêu cầu thiết kế luận văn 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/ung-dung-cua-dong-co-truyendong-thang.html [2] Bryan Craig Murphy, Design and contruction of a precision tubular linear motor and controller, Submitted to the Office of Graduate Studies of Texas A&M University [3] D Hrovat Survey of advanced suspension developments and related optimal control applications Automatica, 33(10):1781–1817, 1997, https://doi.org/10.1016/S0005-1098(97)00101-5 [4] G Koch, Adaptive control of mechatronic vehicle suspension systems, Doctoral Thesis, 2011 [5] Guido Koch and Tobias Kloiber, Driving State Adaptive Control of an Active Vehicle Suspension System, Technology, 2014, IEEE Transactions on Control Systems volume 22, pages 44-57, https://doi.org/10.1109/tcst.2013.2240455 [6] Nguyễn Hoàng Việt, Luận văn cao học năm 2016, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên 52 ... loại hệ thống giảm: a) giảm chấn thụ động, b) giảm chấn bán tích cực, d) giảm chấn tích cực Hệ thống giảm chấn thụ động Hệ thống giảm chấn thụ động hệ thống giảm chấn mà phần tử cản dịu có hệ số... hệ thống giảm chấn tích cực  Ứng dụng dụng động tuyến tính điều khiển lực dập tắt giao động hệ thống giảm chấn tích cực - Các kết luận văn  Mơ hình động tuyến tính  Mơ hình hệ thống giảm chấn. .. + cw ) 2.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn Hệ thống giảm chấn phân thành 03 loại [3]: hệ thống giảm chấn thụ động, hệ thống giảm chấn bán tích cực hệ thống giảm chấn tích cực biểu diễn Hình 1-12