tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế bộ điều KHIỂN PHẢN hồi TRẠNG THÁI DÙNG bộ QUAN sát LUENBERGER CHO hệ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP nối mềm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG NGUYÊN BÌNH
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI
DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ
TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số :
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG NGUYÊN BÌNH
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI
DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN
ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số :
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN-2010
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái
Nguyên.
Cán bộ HDKH : TS. BÙI CHÍNH MINH
Phản biện 1 : TS. PHẠM HỮU ĐỨC DỤC
Phản biện 2 : TS. TRẦN XUÂN MINH
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 14 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên
và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
1
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
MỞ ĐẦU
Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp, để truyền mô men từ động cơ đến
cơ cấu sản xuất người ta phải sử dụng các khớp nối. Các khớp nối thường được sử
dụng là các hộp số, dây đai và các trục nối. Tuy nhiên sự không cứng vững của các
thành phần khớp nối này có thể gây ra sự dao động cộng hưởng làm hệ thống mất
ổn định, phát ra tiếng ồn và có thể phá hỏng các kết cấu cơ khí.
Vấn đề đặt ra đối với hệ thống điều khiển là phải áp dụng các luật điều khiển
sao cho tốc độ của tải bám sát tốc độ đặt và phải loại trừ được hiện tượng cộng
hưởng cơ học.Có rất nhiều thuật toán điều khiển tối ưu, thích nghi khác nhau như
thuật toán Gen, thuật toán thích nghi tự chỉnh dùng phương pháp áp đặt cực, các
bộ điều khiển PID, dùng các bộ điều khiển mờ Tuy nhiên việc điều khiển chỉ có
thể thực hiện được nếu có đầy đủ số lượng cảm biến (sensor) để đo lường các
trạng thái của hệ, thậm chí có những trạng thái của hệ không thể đo lường được
bằng cảm biến. Để giải quyết vấn đề này cần phải sử dụng bộ quan sát để ước
lượng các trạng thái của hệ. Đó là lý do tôi chọn đề tài "Thiết kế bộ điều khiển
phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối
mềm".
Luận văn được chia thành 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối mềm
Chương 2: Giải pháp về mặt điều khiển cho hệ truyền động khớp nối mềm
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát
Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm
Chương 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp nối
mềm PP400
Các kết luận và kiến nghị.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Bùi Chính Minh đã hướng
dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này.
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
2
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô Khoa điện, Khoa sau Đại học và
Ban Giám Hiệu đã đóng góp nhiều ý kiến cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất về
mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Thái Nguyên, ngày 06 tháng 11 năm 2010
Tác giả luận văn
Đặng Nguyên Bình
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
3
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
1.1. Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm:
1.1.1. Khớp nối
1.1.2. Khớp nối mềm
Khi nói đến khớp nối người ta thường coi khớp nối là cứng hoàn toàn.
Nhưng trong thực tế giữa hai phần của khớp nối bao giờ cũng tồn tại một vài sai
lệch gây ra các phản lực phát ra tiếng ồn, sự rung động, thậm chí có thể gẫy trục.
Khớp nối như vậy được gọi là khớp nối mềm.
1.2. Đặc điểm của một số loại khớp nối
1.2.1. Khớp nối kiểu đai truyền
1.2.2. Khớp nối kiểu xích
1.2.3. Khớp nối kiểu bánh răng ăn khớp
1.3. Độ cứng của các khớp nối
1.4. Hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống truyền động khớp nối mềm
Hiện tượng cộng hưởng xuất hiện khi hệ thống đang hoạt động tạo ra các âm

thanh giống như âm thanh từ âm thoa, một số máy móc thì phát ra tiếng gầm.
Nguyên nhân của hiện tượng cộng hưởng là do sự mềm dẻo hoặc do sự đàn
hồi của bộ phận nối giữa động cơ và tải. Khi tần số dao động cưỡng bức bằng tần
số dao động riêng thì hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra.
1.5. Các giải pháp về mặt cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng
1.5.1. Tăng độ cứng các bộ phận nối từ động cơ đến tải
1.5.2. Thay đổi tỷ lệ quán tính giữa tải và động cơ
1.6. Kết luận chương 1
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
4
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
CHƯƠNG 2
GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI
MỀM
2.1. Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm khi bỏ qua b
S
2.2. Bộ điều khiển PID
Hình 2.4 Bộ điều khiển PI áp dụng cho hệ truyền động khớp nối mềm
2.3. Sử dụng bộ lọc
2.3.1. Bộ lọc thông thấp
2.3.2. Bộ lọc dải hẹp
2.3.3. Bộ lọc bậc hai
2.4. Điều khiển PI kết hợp phản hồi mômen xoắn
2.5. Phương pháp dùng các biến thể của PID
2.5.1. Bộ điều khiển I-P
2.5.2. Bộ điều khiển I-PD
2.6. Hệ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát
Trên hình vẽ 2.12 và 2.13 là sơ đồ phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát
Luenberger để quan sát các trạng thái: góc lệch giữa vị trí tải-vị trí động cơ, tốc độ

CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
5
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
tải, tốc độ động cơ và bộ lọc Kalman để quan sát các trạng thái: mô men tải, mô
men xoắn trên trục động cơ, tốc độ tải, tốc độ động cơ.
Với bộ quan sát trạng thái Luenberger, phải sau một khoảng thời gian nhất
định T nào đó mới phát hiện ra sự thay đổi trạng thái của đối tượng. Điều đó có
nghĩa là nó chỉ được sử dụng khi nhiễu tác động vào hệ thống là nhiễu tức thời và
khoảng thời gian giữa hai lần nhiễu tác động không được nhỏ hơn T. Bộ lọc
Kalman đã khắc phục được nhược điểm trên là do việc xây dựng bộ lọc có tính
đến các nhiễu ngẫu nhiên tác động vào hệ thống.
Tuy nhiên việc thiết kế bộ quan sát Luenberger tương đối đơn giản hơn so
với bộ quan sát Kalman
2.7. Kết luận chương 2
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
6
Hình 2.12 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát
Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm
Hình 2.13 Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ lọc Kalman cho
hệ truyền động khớp nối mềm
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG BỘ QUAN
SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
3.1. Thiết kế bộ khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực
3.1.1. Điều khiển hồi tiếp trạng thái
Hệ thống có bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái là hệ có phản hồi âm các biến
trạng thái thông qua bộ điều khiển K.
Xét đối tượng được mô tả dưới dạng phương trình trạng thái như sau:




+=
+=
uDXCY
uBXAX



(3.1)
Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái được mô tả như hình 3.1

3.1.2. Phương pháp áp đặt cực cho hệ điều khiển hồi tiếp trạng thái
• Xác định ma trận hồi tiếp trạng thái K :
+ Tính K bằng cách cân bằng các hệ số của phương trình đặc trưng
Trình tự thiết kế:
- Bước 1: Thành lập ma trận điều khiển được
P=[ B AB A
2
B … A
n-1
B ] (3.9)
- Bước 2 : Viết phương trình đặc trưng của hệ thống hồi tiếp trạng thái:
Det [sI – A + BK ] = 0 ; (3.10)
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
7
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
- Bước 3 : viết phương trình đặc trưng mong muốn:

0)(
1
=−
∏
=
n
i
i
ps
(3.11)
Cân bằng hệ số của phương trình đặc trưng (3.10) và (3.11) sẽ tìm được
vector tiếp trạng thái K .
+ Tính K bằng cách áp dụng công thức Ackermann
- Bước 1 : Thành lập ma trận điều khiển được
P=[ B AB A
2
B … A
n-1
B ] (3.12)
- Bước 2 : Viết đa thức đặc trưng mong muốn.
nn
nn
n
i
i
asasaspss ++++=−=Φ
−
−
=

∏
)()(
1
1
1
1
(3.13)
Trong đó p
i
(i=
1 n
) là các điểm cực mong muốn.
- Bước 3 : Tính K bằng công thức Ackermann.
K = [0 0 … 1] . P
-1
.
Φ
(A) (3.14)
• Sơ đồ tín hiệu và công thức Mason
• Các vùng điểm cực
Những điểm cực nằm gần trục ảo nhất ở bên nửa trái của mặt phẳng phức s
sẽ có tính chất quyết định tới đặc tính quá độ của hệ thống. Trái lại, các điểm cực
càng xa trục ảo sẽ càng suy giảm nhanh và sẽ không ảnh hưởng lớn đến quá trình
quá độ.
3.1.3. Các chuẩn tối ưu hoá đáp ứng quá độ
• Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
• Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của
sai lệch ( ITAE )
Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực
tiểu tích phân sau đây:

∫
∞
0
)(. dttet
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
8
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
Để đáp ứng quá độ của hệ thống bậc n là tối ưu theo tiêu chuẩn ITAE thì mẫu
số của hàm truyền kín hệ thống bậc n phải có dạng :
Bậc Mẫu số của hàm truyền
1
n
s
ω
+
2
22
414,1
nn
ss
ωω
++
3
3223
15,2 75,1
nnn
sss
ωωω
+++
4

432234
7,2 4,3 1,2
nnnn
ssss
ωωωω
++++
Bảng 3.1 Dạng tối ưu của hàm truyền mạch kín dựa trên tiêu chuẩn ITAE
Nếu mẫu số hàm truyền hệ kín có dạng như trên và tử số hàm truyền hệ kín
là
n
n
ω
thì đáp ứng của quá độ của hệ thống là tối ưu và sai số xác lập bằng 0.
3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt
cực cho hệ truyền động khớp nối mềm
- Phương trình trạng thái của hệ thống:
)(.)(
)(.)(.)(.)(
tXCtY
tTEtTBtXAtX
LM
=
++=
•
(3.17)
Trong đó vectơ đầu ra là Y=
M
ω
Vectơ trạng thái là
[ ]

12
T
M L
X
ϖ ϖ θ
=
Với
12 M L
θ θ θ
= −
















−
−
=
011

00
00
L
S
M
S
J
K
J
K
A
;














=
0
0
1

M
J
B
;












−=
0
1
0
L
J
E
;
[ ]
001=C
(3.18)
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
9
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển phản hồi trạng thái áp đặt cực cho hệ
truyền động khớp nối mềm.
Vấn đề đặt ra là tìm ra K
1
, K
2
, K
3
, K
I
:
Xác định hàm truyền giữa tốc độ động cơ với tốc độ đặt theo công thức
Mason:
Hàm truyền giữa tốc độ của tải so với tốc độ đặt:
M
atI
M
tt
M
MttI
M
t
a
M
tI
r
L
J
KK
s

J
KKKK
s
J
JKKKK
s
J
KK
s
J
KK
2
21
2
2
03
3
1
4
2
.

.
.
.
ωω
ω
ω
ω
+

+
+
++
++
=
(3.19)
Phương trình đặc tính của hệ thống:
0
.

.
.
2
21
2
2
03
3
1
4
=+
+
+
++
++
M
atI
M
tt
M

MttI
M
t
J
KK
s
J
KKKK
s
J
JKKKK
s
J
KK
s
ωω
(3.20)
Giả sử ta áp đặt nghiệm là s = s
1
; s = s
2
; s = s
3
; s = s
4
0))()()((
4321
=−−−−⇒ ssssssss
0
43

2
2
3
1
4
=++++⇒ asasasas
(3.21)
Cân bằng (3.20) và (3.21) ta được:
ta
M
I
K
aJ
K
2
4
.
ω
=
(3.22)
t
M
K
Ja
K
.
1
1
=
(3.23)

t
M
at
M
K
Ja
K
Ja
K
.
.
1
2
3
2
−=
ω
(3.24)

CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
10
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
2
1
22
04
2
2
3
.

aM
aMMaM
Ja
JJaJa
K
ω
ωωω
−−
=
(3.25)
Phương trình (3.19) có dạng:
4
4 3 2
1 2 3 4
. . .
a
W
s a s a s a s a
=
+ + + +
Theo tiêu chuẩn tối ưu ITAE thì hệ thống trên sẽ tối ưu nếu mẫu số của hàm
truyền kín của hệ phải có dạng:
432234
7,2 4,3 1,2
nnnn
ssss
ωωωω
++++
(3.26)

Từ (3.21) và (3.26) suy ra :
n
a
ω
.1,2
1
=
(3.27)
2
2
.4,3
n
a
ω
=
(3.28)
3
3
.7,2
n
a
ω
=
(3.29)

4
4 n
a
ω
=

(3.30)
Từ
n
ω
sẽ tính được a
1
, a
2
, a
3
, a
4
qua (3.27), (3.28), (3.29) , (3.30)
Từ đó sẽ xác định được K
i
, K
1
, K
2
, K
3
qua (3.22), (3.23), (3.24), (3.25).
Tuy nhiên sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển phản hồi trạng thái như hình 3.6
có thể thực hiện được nếu như có đầy đủ các cảm biến xác định cả ba trạng thái là
tốc độ động cơ, tốc độ tải và sai lệch vị trí của động cơ và tải. Trong thực tế, người
ta thường chỉ gắn cảm biến tốc độ trên trục của động cơ, còn cảm biến xác định
tốc độ tải và sai lệch vị trí giữa động cơ và tải là rất khó khăn. Vì vậy bộ quan sát
Luenberger đưa ra dưới đây có khả năng quan sát được các trạng thái của hệ qua
tốc độ và mô men động cơ.
3.2. Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực

dùng bộ quan sát Luenberger
3.2.1. Bộ quan sát Luenberger
Xét một đối tượng có mô hình:
. .
0
.
X A X B u
D
y C X

= +
=

=


(3.31)
Phương pháp thiết kế bộ quan sát Luenberger sử dụng mô hình tương đương
của đối tượng và một ma trận L phản hồi sai lệch giữa đầu ra thật với đầu ra của
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
11
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
mô hình, có nhiệm vụ hiệu chỉnh đặc tính mô hình cho phù hợp với đặc tính của
đối tượng.
Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc của bộ quan sát Luenberger
Phương trình trạng thái của bộ quan sát:






=
−++=
XCy
yyLuBXA
dt
Xd
ˆ
.
ˆ
)
ˆ
(.
ˆ
.
ˆ
(3.32)
Xét sai lệch:
)
ˆ
( XXe −=
(3.33)
Với mong muốn e(t)
→
0 để có được
ˆ
X X≈
ít nhất sau khoảng thời gian đủ
ngắn T.
Phương trình trạng thái mới:

yLuBXCLAXCyLuBXAX
ˆ
) ()
ˆ
(.
ˆ
.
ˆ
++−=−++=

(3.34)
Từ (3.33) và (3.34) suy ra:

( )
( )
( )
eCLAXCXCLeA
dt
XXd
dt
de

ˆ

ˆ
−=−−=
−
=
(3.35)

Để e(t)
→
0 thì (A-L.C) phải ổn định. Để sai lệch e(t) càng tiến nhanh về 0
(tức là thời gian cần thiết cho việc thiết kế bộ quan sát tín hiệu vào ra sẽ càng nhỏ )
thì các giá trị riêng của (A-L.C) nằm càng xa trục ảo. Do đó có thể chủ động tìm L
với một tốc độ tiến về 0 của e(t) đã chọn trước bằng cách xác định L sao cho (A-
L.C) có các giá trị riêng phù hợp với các giá trị đó. Phương pháp xác định L cũng
giống như phương pháp xác định K. L có thể xác định theo phương pháp áp đặt
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
12
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
nghiệm sao cho các nghiệm của nó đều nằm ở bên trái các nghiệm của K vì
nghiệm của bộ điều chỉnh phải là nghiệm trội, quyết định động học của hệ.
3.2.2. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger
Hình 3.8 Hệ thống phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger.
• Phương pháp tính ma trận phản hồi trạng thái K:
Sử dụng phương pháp áp đặt cực để tính ma trận K, tức là phải thiết kế sao
cho ma trận (A-BK) nhận các giá trị cho trước s
1
, s
2
, s
3
,…s
n
cho trước làm giá trị
riêng. Các giá trị s
1
, s
2

, s
3
,…s
n
được chọn từ yêu cầu chất lượng cần có của hệ
thống. Để xác định được ma trận K chỉ cần cân bằng phương trình :

( )
[ ]
( )
∏
=
−=−−
n
i
i
ssBKAsI
0
det
(3.39)
• Phương pháp tính ma trận L phản hồi sai lệch quan sát trạng thái:
Chọn trước n giá trị s
1
, s
2
, s
3
,…s
n
có phần thực âm ứng với thời gian T mong

muốn để quan sát tín hiệu vào ra. Các giá trị s
1
, s
2
, s
3
,…s
n
được chọn nằm càng xa
trục ảo về phía tay trái so với các giá trị riêng của A, thì thời gian T sẽ càng ngắn
do đó sai lệch e(t) sẽ càng nhanh tiến về không. Sau đó thực hiện các bước giống
như xác định K.
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát
Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm bằng phương pháp áp đặt cực
theo tiêu chuẩn tối ưu ITAE.
Việc tính toán các hệ số K
1
, K
2
,K
3
giống như trong mục 3.1.4. Ở đây ta chỉ
xác định ma trận L.
Ta có :
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
13
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
)
ˆ
(.

ˆ
.
ˆ
XCLTBXAX
MM
−++=
ω

; (3.41)
Với
1
2
3
L
L L
L
 
 
=
 
 
 
;
[ ]





















−










+















+



























−
−
=










⇒
3
2
1
3
2
1
3
2
1

3
2
1
ˆ
ˆ
ˆ
*001**
0
0
1
ˆ
ˆ
ˆ
*
011
00
00
ˆ
ˆ
ˆ
x
x
x
L
L
L
T
J
x
x

x
J
K
J
K
x
x
x
xM
M
L
S
M
S
ω













−+−=
−+=

−++−=
⇒
)
ˆ
.(
ˆˆ
ˆ
)
ˆ
.(
ˆ
.
ˆ
)
ˆ
.(
ˆ
.
ˆ
13213
1232
1131
xLxxx
xLx
J
K
x
xL
J
T

x
J
K
x
M
M
L
S
M
M
M
M
S
ω
ω
ω



(3.42)
Từ đó ta thành lập được sơ đồ cấu trúc như hình 3.9


Hình 3.9 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát
Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm
- Xác định ma trận L:
Xét phương trình đặc tính của bộ quan sát :
0).(. =−− CLAI
λ
(3.43)

Với I là ma trận đơn vị
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
14
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

[ ]
0001.
011
00
00
100
010
001

3
2
1
=





























−



















−
−
−










⇒
L
L
L
J
K
J
K
L
S
M
S

λ
0 )1.(
213
2
1
3
=++








−−++⇒
M
S
L
S
M
S
L
S
J
K
L
J
K
LL

J
K
J
K
L
λλλ
(3.44)
Giả sử phương trình đặc tính mong muốn là :

0.
32
2
1
3
=+++ bbb
λλλ
(3.45)
Cân bằng (3.44) và (3.45):










+









−=








−=
=
1.
.
23
132
11
S
M
L
S
S
M
L

S
K
J
b
J
K
L
K
J
J
K
bbL
bL
(3.46)
3.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm và kết quả mô phỏng:
3.3.1. Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm
MO HINH HOA HE THONG TRUYEN DONG KHOP NOI MEM
SO SANH TOC DO TAI VOI BO DIEU KHIEN PI
wdat =700(v/p)
T= 0 (Sec)
n
Workspace
TLdat = 0.35(NM)
T= 0.5 (Sec)
Scope1
Saturation
TL (Tai)
TM (Tmotor)
Wn
WLoad

DONG CO - KHOP NOI M EM - TAI
S.Lech D.Khien
BO DIEU KHIEN PI.
Kt

CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
15
Hình 3.16 Mô hình hóa hệ thống điều khiển PI cho hệ truyền động khớp nối
mềm
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
MO HINH HOA HE THONG TRUYEN DONG KHOP NOI MEM
DUNG BO DIEU KHIEN PI-LUENBERGER OBSERVER
wdat =700(v/p)
T= 0 (Sec)
SS_n3
Workspace5
SS_n
Workspace3
SS_n2
Workspace2
n1
Workspace1
TLdat = 0.35(NM)
T= 0.5 (Sec)
Scope5
Scope3
Scope2
Scope
Saturation
K3

He so K3
K2
He so K2
K1
He so K1
TL (Tai)
TM (Tmotor)
Wm
WLoad
Tm*
Tshaft.Ob
DONG CO - KHOP NOI M EM - TAI
Wm(motor)
Tm(motor)
K3
K2
WDcQs
BO QUAN SAT
LUENBERGER
S.Lech D.Khien
BO DIEU KHIEN PI
Kt

3.3.2. Kết quả mô phỏng:
• Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PI kết hợp với bộ phản
hồi momen xoắn cho khớp nối mềm:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
0
100

200
300
400
500
600
700
800
900
Thoi Gian t ( s )
Toc do n ( vong/phut )
SO SANH TOC DO TAI VA DO CO CUA BO DIEU KHIEN PI


n-PI-D.Co
n-PI-Tai
n-dat
Toc do dat
Toc do tai voi bo dieu khien PI
Toc do Dong co voi bo dieu khien PI
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
16
Hình 3.18 So sánh tốc độ tải và tốc độ động cơ của hệ khớp nối mềm khi sử
dụng bộ điều khiển PI kết hợp với bộ phản hồi momen xoắn
Hình 3.17 Mô hình hóa hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ
quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
Nhận xét: Khi sử dụng bộ điều khiển PI kết hợp với khâu phản hồi momen
xoắn cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy ở thời kỳ quá độ thì độ quá điều
chỉnh về tốc độ của hệ tương đối lớn tuy nhiên đến thời điểm xác lập thì tốc độ
động cơ, tốc độ tải bám sát nhau và bám sát giá trị đặt.

• Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng
bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm:
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Thoi Gian t ( s )
Toc do n ( vong/phut )
SO SANH TOC DO TAI VA DO CO CUA BO DIEU KHIEN PI-LUENBERGER OBSERVER


Toc do Dong co voi bo dieu khien PI - Luenberger
Toc do tai voi bo dieu khien PI - Luenberger
Toc do dat
Nhận xét: Khi sử dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát
Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy tốc độ động cơ bám sát tốc
độ tải với độ quá điều chỉnh rất bé, thời gian xác lập ngắn.
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
17
Hình 3.22 So sánh tốc độ tải và tốc độ động cơ ứng với bộ điều khiển phản
hồi trạng thái dùng dùng bộ quan sát Luenberger
Tốc độ tải với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái dùng bộ quan sát Luenberger
Tốc độ động cơ với bộ điều khiển phản hồi

trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Tốc độ động cơ
Tốc độ tải
Tốc độ đặt
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
• Kết quả mô phỏng khi so sánh giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển
phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp
nối mềm
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Thoi Gian t ( s )
Toc do n ( vong/phut )
SO SANH TOC DO TAI BO DIEU KHIEN PI VA PI-LUENBERGER


Toc do tai voi bo dieu khien PI-Luenberger
Toc do dat
Toc do tai voi bo dieu khien PI-Luenberger
Nhận xét:
Qua các chỉ tiêu chất lượng thu được từ hai bộ điều khiển ta thấy bộ điều
khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp

nối mềm có đáp ứng tốc độ tải tốt hơn rất nhiều so với khi sử dụng bộ điều khiển
PI
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
18
Hình 3.23 So sánh tốc độ tải ứng với bộ điều khiển PI và bộ điều khiển
phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Tốc độ tải với bộ điều khiển PI
Tốc độ tải với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ HỆ THÍ NGHIỆM THỰC TRÊN MÔ HÌNH TRUYỀN ĐỘNG
KHỚP NỐI MỀM PP400
4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400
Hệ thống truyền động khớp mềm PP400 do hãng KentRidge Instruments sản xuất
Bộ PP400 trên hình vẽ 4.1 bao gồm:
Hình 4.1 Hệ truyền động PP400
- Động cơ servo một chiều sinh mô men động cơ T
m
và có mô men quán tính
J
M
- Khới nối mềm là thanh hợp kim không cứng tuyệt đối có độ cứng K
s
, được
nối giữa trục động cơ và trục tải
- Tải là đĩa kim loại trên đó có gắn các vành khuyên kim loại để thay đổi mô
men quán tính tải J
L
- Hệ thống tạo lực ma sát gắn trên trục tải để tạo ra mô men tải TL

- Ngoài ra hệ thống còn có encoder động cơ và máy phát tốc(Tacho) để đo
tốc độ động cơ, encoder tải để đo tốc độ tải.
Phần thực nghiệm trong luận văn này không dùng card chuyên dụng, mà dùng
Card NI6014 của hãng National Instruments ghép vào cổng PCI của máy tính và
mạch lực tự thiết kế.
Sau đây sẽ nêu các thông số cơ bản của các phần tử của thiết bị:
• Động cơ servo một chiều:
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
19
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
Nhãn hiệu: MTK-2250-BLBAN
Điện áp cực đại : 40Vdc
Tốc độ cực đại : 5000 vòng/phút
Mô men định mức : 0,35 Nm
Mô men cực đại : 2,12 Nm
Dòng định mức : 5,5 A
Dòng cực đại : 30 A
Điện trở phần ứng : 0,9
Ω
Điện cảm : 2,5mH
Mô men quán tính : 7,455.10
-5
kgm
2
• Khớp nối mềm: là thanh hợp kim có độ cứng K
s
=0,28 N/rad
• Tải: Đĩa kim loại có mô men quán tính J
L
=8,878.10

-5
kgm
2
• Máy phát tốc 1 chiều (Tacho)
• Encoder động cơ và encoder tải
4.2. Card NI6014
Hình 4.2 Sơ đồ khối các phần tử trong Card NI6014
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
20
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
4.2.1.Đầu vào tương tự(AI)
4.2.2.Đầu ra tương tự (AO)
4.2.3.Cổng vào ra số (DIO)
4.2.4. Counter
4.2.5.Các đầu vào ra chức năng khả trình (Programmable Function Interface-
PFI)
4.3. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển
4.3.1. Thiết kế mạch lực

Hình 4.4 Sơ đồ mạch cầu băm xung áp một chiều
Điều khiển động cơ một chiều bằng mạch băm xung áp một chiều, sơ đồ
cầu. Đây là sơ đồ mạch băm xung có thể đảo chiều tốc độ động cơ.
4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển
• Mạch tạo xung điều khiển
Hình 4.8 Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đóng mở các van bán dẫn
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
21
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
4.4. Sơ đồ tổng thể của thiết bị thí nghiệm

Máy tính giao tiếp với Card NI6014 qua bus PCI, bằng phần mềm Simulink-
Matlab. Tín hiệu đặt tốc độ được đặt trên máy tính. Tín hiệu đo là tốc độ động cơ,
tốc độ tải, dòng điện động cơ.
Dòng điện được đo bằng cách đo điện áp phản hồi trên điện trở Shun sau
khi đã qua khâu khuếch đại.Tín hiệu này vào đầu AI của Card NI614 chuyển thành
tín hiệu số, đưa lên máy tính, làm tín hiệu vào cho bộ lọc ước lượng trạng thái.
Vòng điều chỉnh tốc độ được tính toán bằng máy tính thông qua chương
trình realtime workshop của Simulink, đưa tín hiệu điều khiển đến Card nhờ bộ
biến đổi DAC trên Card tín hiệu điều khiển được đưa xuống ở dạng tương tự. Tín
hiệu này so sánh với tín hiệu xung răng cưa trên mạch điều khiển. Qua khâu so
sánh tín hiệu có dạng xung đi đóng mở các van bán dẫn thực hiện băm xung điện
áp.
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
22
Máy Tính
(Simulink)
Card NI6014
Mạch lực và
mạch điều
khiển
Động cơ,
khớp nối và
tải(PP400)
Tốc độ phản hồi, dòng điện phản
hồi
Điện áp đặt lên động cơ
encoder, Shun

PCI bus
u
dk
Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển hệ truyền động
khớp nối mềm
Túm tt lun vn thc s k thut Chuyờn ngnh t ng húa
4.5. Cỏc s Simulink ca h thớ nghim thc trờn mụ hỡnh truyn ng
khp ni mm PP400
100
Đặt tốc độ
In1 Out1
Tính toán tốc độ
In1Out1
Tính toán tốc độ
Analog
Output
Tín hiệu ra
National Instruments
PCI-6014 [auto]
Scope 3
Scope 2
Scope 1
Saturation
Analog
Input
Mô men
National Instruments
PCI-6014 [auto]
Ki
s

Khâu I
K3
K3
K2
K2
K1
K1
Kt
Gain4
K
Gain 5
Counter
Input
Encoder động cơ
National Instruments
PCI-6014 [auto]
Counter
Input
Encoder Tải
National Instruments
PCI-6014 [auto]
3
Bù
Wm
Tm
K2
K3
dc
Bộ quan sát luenberger
4.6. Kt lun chng 4

Chng 4 ó nghiờn cu v thit k h thng thớ nghim thc trờn mụ hỡnh truyn
ng khp ni mm PP400 gm mt ng c servo, khp mm v ti. S dng
Card NI6014 thu thp tớn hiu t h thng v mỏy tớnh cng nh a tớn hiu t
mỏy tớnh iu khin ng c. Thit k mch lc liờn kt gia Card NI6014 vi h
thng khp mm PP400 to thnh h thng iu khin hon chnh. Trờn c s
h thng ny cho phộp thc hin cỏc thớ nghim v h truyn ng khp ni mm
PP400 vi cỏc thut toỏn iu khin khỏc nhau rt tin li.
CBHDKH: TS. Bựi Chớnh Minh Ngi thc hin: ng Nguyờn Bỡnh
23
Hỡnh 4.12 S Simulink h truyn ng khp ni mm PP400 bng
thut toỏn iu khin phn hi trng thỏi dựng b quan sỏt Luenberger
Khõu
PI
700
K
P
= 0,1 ; K
P
= 0,8486
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Qua phân tích lý thuyết, thiết kế và mô phỏng với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm ta thấy
bộ điều khiển không những giải quyết được vấn đề giảm bớt số lượng sensor cũng
như ước lượng được các trạng thái của hệ không đo lường được bằng cảm biến
mà nó còn cho đường đặc tính tốt.Mặt khác phương pháp điều khiển phản hồi
trạng thái dùng bộ quan sát có thể giúp người thiết kế biết được hướng điều chỉnh
các thông số theo các chỉ tiêu đặt ra. Từ đó có thể thấy được vai trò quan trọng của
bộ quan sát Luenberger trong điều khiển.

2. KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở mô phỏng ở chương 3 và thiết kế hệ thí nghiệm thực trên mô
hình truyền động khớp nối mềm PP400 để từ đó tiếp tục xây dựng hệ thí nghiệm
thực nhằm đánh giá lại lại kết quả mô phỏng đã thực hiện được.
Tiếp tục nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm
có xét đến tính phi tuyến của khớp nối mềm.
CBHDKH: TS. Bùi Chính Minh Người thực hiện: Đặng Nguyên Bình
24