Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng bộ lọc biến trạng thái

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ̃ NGUYÊN HOÀNG VIÊT ́ ̉ ́ THIÊT KẾ BỘĐIỀU KHIÊN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THÔNG ́ ́ GIẢM CHÂN TÍCH CỰC CÓ SỬ DUNGG̣ BỘLOCG̣ BIÊN TRANGG̣ THÁI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ̃ NGUYÊN HOÀNG VIÊT ́ ̉ THIÊT KẾ BỘĐIỀU KHIÊN TỐI ƯU LQG CHO HỆ THỐNG ́ ́ GIẢM CHÂN TÍCH CỰC CÓ SỬ DUNGG̣ BÔ G̣LOCG̣ BIÊN TRANGG̣ THÁI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN – 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Hồng Việt Sinh ngày 12 tháng năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 16 CH.TĐH 01 - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan luận văn “Thiết kế điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng lọc biến trạng thái” thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tơi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 30 tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Hồng Việt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Thiết kế điều khiển tối ưu LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng lọc biến trạng thái” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Các thầy giáo Bộ môn Đo lường Điều khiển, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đồng nghiệp quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hồn 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 30 tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Hồng Việt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Mụ LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, mơ phỏng, đồ thị Chương Giới thiệu hệ thống giảm chấn 1.1Cấu tạo chức hệ thống giảm chấn 1.1.1Cấu t 1.1.2Chức 1.1.3Các y 1.2Phân loại hệ giảm chấn 1.3Đặc trưng tín hiệu dao động từ mặt đứng xg 1.4Các xu hướng điều khiển hệ giảm chấn tích cực 1.4.1Điều 1.4.2Điều 1.5Kết luận chương Chương Mơ hình cấu chấp hành dùng động tuyến tính dạng ống 2.1Cấu tạo động tuyến tính dạng ống 2.2Xây dựng phương trình lực động tuyến tính 2.2.1Cơng 2.2.2Xây d 2.3Mơ 2.4Kết luận chương Số hóa Chương Thiết kế điều khiển cho hệ giảm chấn tích cực 3.1Cấu trúc điều khiển 3.2 Thiết kế điều khiển dập tắt dao động LQG sử 3.2.1 Mơ hình 3.2.2 Thiết kế 3.2.3 Thiết kế 3.2.4 Mô phỏ 3.3Thiết kế điều khiển lực dòng cho động tuyế 3.3.1 Thiết kế 3.3.2 Thiết kế 3.4Sơ đồ mô hệ thống 3.4.1 Khi nhiễ 3.4.2 Khi tác 3.5Vấn đề thực nghiệm 3.6Kết luận chương Kết luận chung luận văn TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Danh mục chữ viết tắt Từ viết tắt LQR LQG PID LBM Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Danh mục bảng Bảng 1: Phân loại hệ giảm chấn 21 Bảng Tham số vật lý động tuyến tính 37 Bảng 3: Tham số vật lý hệ giảm chấn 48 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Từ kết mơ ta thấy, dịng điện id iq bám giá trị đặt, thời gian đáp ứng khoảng 0.02s, thời gian xác lập 0.1s 3.3.2 Thiết kế điều khiển lực Fe ref Fe phản hồi từ động Hình 16 Sơ đồ điều khiển lực Phương trình điều khiển lực là: Fe(t) [N] iq (t)  4.85(Fe ref Thời gian (s) Hình 17 Đáp ứng lực Fe(t) với giá trị đặt 200N Từ kết mô ta thấy, giá trị lực Fe(t) động sinh bám giá trị đặt, khơng có sai lệch, thời gian xác lập 0.5s 56 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3.4 Sơ đồ mô hệ thống Từ kết điều khiển dòng điện động LBM (vòng cùng), vòng điều khiển lực cho động LBM vòng điều khiển dập tắt dao động LQG (vịng ngồi cùng) ta tiến hành mơ hệ thống Sơ đồ mô hệ thống hình 3.18 Hình 18 Sơ đồ mơ hệ thống Với mục đích điều khiển dập tắt nhanh thời gian dao động hệ thống giảm chấn, ta xét phản ứng hệ thống với hai loại nhiễu xg(t) tác động nhiễu xung vng nhiễu ngẫu nhiên 57 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xs(t) - xus(t) [m] xus(t) [m] xs(t) [m] xg(t) [m] 3.4.1 Khi nhiễu có dạng xung vng tác động Thời gian (s) x(t) [m] Hình 19 Trạng thái hệ thống giảm chấn tác động nhiễu xung vng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Thời gian (s) http://www.lrc.tnu.edu.vn 58 Hình 20 Trạng thái dịch chuyển roto động nhiễu xung vuông tác động iq [A] id [A] iabc [V] uabc [V] Điện áp pha a Điện áp pha b Điện áp pha c Thời gian (s) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 21 Trạng thái đơng tuyến tính tác động nhiễu xung vng Fe ref(t) - Fe (t) [N] Fe ref(t) [N] Fe(t) [N] Lực cần dập tắt dao động lực động sinh nhiễu xung vuông tác động Thời gian (s) Hình 22 Lực cần dập tắt dao động lực động sinh nhiễu xung vng tác động Khi tác động vào hệ thống tín hiệu kích thích xg(t) có dạng xung vng ta thấy giá trị lực đặt cho động (Fe ref(t)) lực động sinh (Fe (t)) xấp xỉ nhau, từ dẫn đến khối thân dao động 60 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xs(t) - xus(t) [m] xus(t) [m] xs(t) [m] xg(t) [m] 3.4.2 Khi tác động nhiễu ngẫu nhiên Thời gian (s) x(t) [m] Hình 23 Trạng thái hệ thống giảm chấn tác động nhiễu ngẫu nhiên Thời gian (s) Hình 24 Trạng thái dịch chuyển roto động nhiễu ngẫu nhiên tác động 61 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn [N] Fe(t) [N] Fe ref(t) Thời gian (s) Hình 25 Lực cần dập tắt dao động lực động sinh tác động nhiễu ngẫu nhiên Khi tác động vào hệ thống tín hiệu kích thích xg(t) có tín hiệu ngẫu nhiên, ta thấy giá trị lực đặt cho động (Fe ref(t)) lực động sinh (Fe (t)) xấp xỉ nhau, chuyển động dao động khối thân nhỏ x s (t) [m] Hình 3.26 so sánh dịch chuyển khối thân chưa có tác động giảm chấn có tác động giảm chấn tác động tín hiệu xg(t) tín hiệu xung vng (bên trái) tín hiệu xg(t) ngẫu nhiên (bên phải): Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 26 So sánh dịch chuyển khối thân không tác động giảm chấn tác động giảm chấn Từ kết so sánh dịch chuyển khối thân chưa có tác động giảm chấn có tác động giảm chấn ta thấy rõ ảnh hưởng tác động giảm chấn hệ Khối 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn thân giảm dịch chuyển độ cao mà giảm hẳn tần số dao động 3.5 Vấn đề thực nghiệm Mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực xây dựng môn Đo lường – Điều khiển, Khoa Điện Tử hình 3.28: Cảm biến đo xs Khối thân Vị trí LBM Lị xo giảm Cảm biến đo xus Phần tử có đặc tính lị xo Khối treo Động tạo nhiễu Hình 27 Mơ hình hệ giảm chấn tích cực phịng thí nghiệm Phần tử tạo lực để dập tắt dao động hệ giảm chấn động LBM, nhiên thực tế động LBM bán thị trường chưa phù hợp với hệ giảm chấn nghiên cứu vì: Tần số hoạt động thấp u cầu, cơng suất động thường nhỏ, dẫn đến lực sinh nhỏ không đủ dập tắt dao động Các động LBM có cơng suất lớn có giá thành cao (http://www.linmot.com/products/linear-motors) Việc thiết kế động LBM gặp nhiều khó khăn như: cần thiết kế chuyển động khí xác, nam châm roto nam châm có độ cường độ từ thơng cao có khả chống bão hồ từ… Các khó khăn kể dẫn đến việc thiết kế động LBM thủ công không khả thi 63 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 28 Hình ảnh stato roto động LBM Từ lý trên, mơ hình thí nghiệm hệ giảm chấn tích cực chưa hồn thiện, tác giả cố gắng khắc phục thay động LBM động thông dụng sử dụng phần khí để chuyển đổi chuyển động Khi đó, chuyển động quay qua cấu khí chuyển thành chuyển động tịnh tiến Do tồn khâu trung gian, nên gây sai số phi tuyến trình điều khiển Tác giả hy vọng khắc phục tượng tương lai 3.6 Kết luận chương Chương luận văn đưa cấu trúc điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM sử dụng cấu trúc điều khiển mạch vòng Các kết mơ mạch vịng tổng thể hệ thống đạt yêu cầu mong muốn Hai mạch vịng điều khiển trong, sử dụng thuật tốn điều khiển PID với tham số dựa công cụ Launch the PID tuning matlab tinh chỉnh tham số để đạt đáp ứng mong muốn Vòng điều khiển sử dụng điều khiển phản hồi trạng thái (LQR) kết hợp với với lọc biến trạng thái – điều kiển LQG để tính tốn lực dập tắt dao động, lực đặt cho động Qua kết mô ta thấy hệ thống giảm chấn tích cực tác động làm cho khối thân hệ giảm bớt dịch chuyển giảm dao động 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Kết luận chung luận văn Luận văn với tên đề tài “Thiết kế điều khiển LQG cho hệ giảm chấn tích cực có sử dụng lọc biến trạng thái” thực nội dung trình bày chương cách tóm tắt sau: - Chương trình bày tổng quát cấu tạo chức hệ thống giảm chấn, tiêu chí đánh giá đến chất lượng hệ thống giảm chấn độ thoải mái độ an toàn xe yếu tố ảnh hưởng đến tiêu chí Dựa vào tiêu chí đó, tìm hiểu ưu nhược điểm hệ giảm chấn thụ động, bán tích cực hồn tồn tích cực để đưa lựa chọn hệ thống giảm chấn đáp ứng yêu cầu cho trước, tìm hiểu đặc trưng gây dao động hệ xu hướng tác động điều khiển để nâng cao chất lượng hệ thống giảm chấn Với mục đích nâng cao chất lượng xe, tác giả định hướng nghiên cứu hệ giảm chấn tích cực hồn tồn - Chương luận văn tìm hiểu mơ tả cấu tạo động tuyến tính, xây dựng hệ phương trình động học mơ tả động Từ hệ phương trình tìm được, mơ hình hố động LBM phần mềm mơ matlab/simulink Trên sở tốn học trình bày, tác giả chuyển hệ toạ độ abc động LBM thành hệ toạ độ dq Việc điều khiển động LBM chuyển hệ toạ độ dq nhờ phép dịch chuyển toạ độ - Chương luận văn đưa cấu trúc điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM sử dụng cấu trúc điều khiển mạch vịng Các kết mơ mạch vòng tổng thể hệ thống đạt yêu cầu mong muốn Hai mạch vòng điều khiển trong, sử dụng thuật toán điều khiển PID với tham số dựa công cụ Launch the PID tuning matlab tinh chỉnh tham số để đạt đáp ứng mong muốn Vịng điều khiển ngồi sử dụng điều khiển phản hồi trạng thái (LQR) kết hợp với với lọc biến trạng thái – điều kiển LQG để tính tốn lực dập tắt dao động, lực đặt cho động Qua kết mơ ta thấy hệ thống giảm chấn tích cực tác động làm cho khối thân hệ giảm bớt dịch chuyển giảm dao động 65 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Luận văn đạt kết sau: - Xây dựng mơ hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính - Thiết kế điều khiển dập tắt dao động sử dụng điều khiển LQG mạch vòng bên ngồi, hai mạch vịng bên điều khiển lực điều khiển dòng cho động tuyến tính sử dụng luật điều khiển PID để tạo lực giảm chấn tích cực Kết có điều khiển hệ thống nhanh chóng dập tắt dao động có nhiễu tác động, q trình dập tắt dao động cách nhẹ nhàng, thời gian dao động ngắn so với khơng có hệ thống giảm chấn tích cực - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính tự tạo phịng thí nghiệm Các hạn chế đề tài: - Do hạn chế thiết bị như: Nam châm, thiết kế khí xác, thiếu dụng cụ đo, quấn dây… nên việc chế tạo động tuyến tính chưa ý muốn - Tác giả chưa so sánh kết nghiên cứu luận văn với điều khiển khác để đánh giá chất lượng điều khiển Hướng nghiên cứu giải tiếp: - Hoàn thiện việc chế tạo động tuyến tính sát với lý thuyết nghiên cứu - Lựa chọn thông số hệ thống độ cứng lò xo, khối lượng thân khối treo cách phù hợp - Nghiên cứu, điều chỉnh hiệu luật điều khiển nhằm nâng cao chất lượng giảm chấn - Việc thực mơ hình giảm chấn tích cực sử dụng động tuyến tính có ưu điểm tác động nhanh nhược điểm giá thành cao, để phù hợp với việc hồn thiện mơ hình theo hướng thông dụng, tác giả nghiên cứu chuyển đổi chuyển động từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến đề thay động tuyến tính mơ hình Dự tính áp dụng động chiều hệ giảm chấn tích cực 66 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GuidoP.A.Koch, Adaptive Control of Mechatronic Vehicle Suspension Systems, Technischen Universitat Munchen [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] Nguyễn Văn Cường, Áp dụng điều khiển tối ưu LQR cho hệ giảm chấn tích cực, Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật điều khiển tự động năm 2014 [4] Vũ Thị Hồng Hạnh, Nghiên cứu phương pháp dập tắt dao động cho hệ giảm chấn tích cực, Luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật điều khiển tự động năm 2014 [5] Zhang Zhu, Norbert C Cheung and K W.E Cheng, Application of linear switched Reluctance motor for active suspension system in electric vehicle, Department of electric engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong [6] Greg Welch, Gary Bishop, “An intro duction to the Kalman filter”, Department of Computer Science, University of North Carolina [7] Sebastien Boisseau, Ghislain Despesse and Bouhadjar Ahmed Seddik, Adjustable Nonlinear Springs to Improve Efficiency of Vibration Energy Harvesters [8] H.K wakernaak and R.Sivan, Linear Optimal Control Systems, John Wiley and Sons, Inc., NewYork, 1972 [9] P J Th Venhovens Optimal Control of Vehicle Suspensions PhD thesis, Delft Uni versity of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, 1993 [10] P J Th Venhovens The development and implementation of adaptive semiactive suspension control Vehicle System Dynamics, 23:211–235, 1994 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... hiểu hệ thống giảm chấn thụ động, hệ thống giảm chấn tích cực xu điều khiển hệ giảm chấn tích cực - Thiết kế lọc biến trạng thái - Thiết kế điều khiển tối ưu LQG dập tắt trình dao động - Điều khiển. .. chứng kết Kết dự kiến: - Xây dựng mơ hình tốn hệ thống giảm chấn tích cực, động tuyến tính - Xây dựng điều khiển tối ưu LQG có sử dụng lọc biến trạng thái - Mô kiểm chứng kết hệ thống giảm chấn tích. .. thống giảm chấn thụ động, Fe(t) = 0, bs = bs(t) hệ thống giảm chấn hệ thống giảm chấn bán tích cực Fe(t) ≠ hệ thống giảm chấn hệ thống giảm chấn tích cực hồn tồn Hệ thống giảm chấn tích cực phân