1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
-Hệ thống giảm chấn (Suspension System) là hệ thống có nhiệm vụ dập
tắt các dao động nhằm chống sóc cho các phương tiện vận tải, chống rung
động cho bệ đỡ các hệ thống máy móc (máy phát điện, các loại máy móc cần
tránh rung động v.v). Trước đây trong các hệ thống giảm chấn người ta
thường sử dụng các hệ thống giảm chấn thụ động sử dụng thủy lực, các hệ
thống này có nhược điểm là sử dụng lực cản dịu do pit tông chuyển động
trong xi lanh dầu để dập tắt dao động gây ra do lực bên ngoài tác động vào lo
xo giảm chấn. Đối với hệ thống giảm chấn loại này, trong quá trình sử dụng
cần phải bảo dưỡng (lão hóa gioăng phớt, thay thế dầu), khả năng giảm chấn
phụ thuộc vào nhiệt độ (dầu giãn nở), mặt khác khả năng áp dụng đối với các
hệ thống nhỏ là không phù hợp, nhược điểm nữa là lực cản dịu để dập tắt dao
động không thể điều chỉnh được vì không thể đưa thêm nguồn năng lượng bên
ngoài vào để điều chỉnh chính lực cản dịu này được, chính vì vậy nó được gọi
là giảm chấn thụ động. Để khắc phục nhược điểm đó người ta phát triển hệ
thống giảm chấn thủy lực tích cực, để thay đổi được lực cản dịu người ta sử
dụng thêm máy bơm dầu để điều chỉnh áp lực dầu trong xi lanh khi đó ta có
thể thay đổi được lực cản dịu. Tuy nhiên ngoài nhược điểm là cồng kềnh là
cần thêm máy bơm dầu, các van điều chỉnh áp lực dầu và bộ điều khiển áp lực
dầu trong quá trình làm việc sẽ dẫn tới đáp ứng động học của hệ chậm và
nhiều khi ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ.
-Trong những năm gần đây xu hướng sử dụng hệ thống giảm chấn tích
cực điện từ thay thế cho các hệ thống giảm chấn thủy lực đang được nghiên
cứu và triển khai. Thay vì sử dụng hệ thống xi lanh và pit tông dầu để tạo ra
và điều chỉnh lực cản dịu nhằm dập tắt dao động thì người ta sử dụng động cơ
để điều chỉnh lực cản dịu[2]. Để điều chỉnh lực cản dịu một cách linh hoạt về
chiều, cường độ và thời gian dập tắt dao động người ta có thể dùng động cơ
để tạo chuyển động quay, ví dụ như có thể sử dụng động cơ xoay chiều đồng
bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM permanent magnet synchronous machine) [5].
Bên cạnh đó, xu hướng sử dụng động cơ tuyến tính để tạo lực thẳng một cách
trực tiếp cũng đã và đang được nghiên cứu
Việc sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực điện từ đã khắc phục được
các ưu nhược điểm của hệ thống giảm chấn thủy lực và mang lại những ưu
điểm như sau:
• Kích thuớc nhỏ gọn
• Khả năng đáp ứng nhanh về chiều và cường độ khi tạo lực cản dịu
• Độ bền cao hơn so với các hệ thống giảm chấn thủy lực
• Có thể chế tạo cho các hệ thống có kích thước nhỏ
2
Nhược điểm: Để điều khiển linh hoạt về chiều và cường độ thì thuật
toán điều khiển phức tạp, cần sử dụng thêm cảm biến vị trí và cảm biến gia
tốc để xác định lực cản dịu trong quá trình dập tắt dao động.
Chính vì vậy trong các nghiên cứu gần đây các nhà khoa học đã và
đang tập trung tìm kiếm các giải pháp điều khiển với mục đích điều chỉnh linh
hoạt về chiều, cường độ và thời gian dập tắt dao động nhằm đáp ứng yêu cầu
đặt ra đối với các hệ thống giảm chấn tích cực áp dụng trong từng ứng dụng
khác nhau[3][4][5]. Trong luận văn này tác giả dự định sẽ nghiên cứu phương
pháp điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắt dao động cho hệ thống giảm chấn
tích cực sử dụng động cơ tuyến tính theo năng lượng yêu cầu. Hệ thống giảm
chấn tích cực được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt là trên các
phương tiện vận tải, cho các hệ thống bệ đỡ cho các thiết bị tránh rung động
như trên tàu thủy v.v. Sự thành công của phương pháp đã mở ra khả năng áp
dụng hệ thống giảm chấn tích cực cho các hệ thống trên trong thực tế. Từ các
ứng dụng trên đây cho thấy rằng việc nghiên cứu điều khiển hệ thống giảm
chấn tích cực mang tính cấp thiết, việc nghiên cứu này mở ra hướng ứng
dụng vào thực tế công nghiệp Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực nội địa hóa
việc chế tạo sản xuất phương tiện vận tải, với hệ thống giảm chấn tích cực sử
dụng động cơ tuyến tính ta có thể cài đặt vào các phương tiện vận tải hoàn
toàn sử dụng năng lượng điện, dẫn đến khả năng chúng ta có tận dụng khả
năng tái tạo năng lượng điện, chế tạo được các phương tiện tiết kiệm năng
lượng, không ô nhiễm môi trường phù hợp với chủ trương của chính phủ
trong việc khuyến khích sử dụng năng lượng xanh, tiết kiệm và không ô
nhiễm.
Việc sử dụng hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính
ta có thể cải thiện được rất nhiều đặc tính ổn định của hệ thống, mang lại
chất lượng giảm chấn cao hơn nhiều so với các hệ thống giảm chấn thụ động,
trong khi đó có đáp ứng nhanh hơn, đặc tính động học tốt hơn, kích thước
nhỏ hơn so với các hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng thủy lực.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu chung
Mục tiêu chung của luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết
kế và thực thi bộ điều khiển với mục đích điều khiển lực cản dịu nhằm dập tắt
dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính theo
năng lượng yêu cầu.
- Mục tiêu cụ thể
3
• Xác định mô hình hệ thống giảm chấn tích cực
• Nghiên cứu và xác định mô hình động cơ tuyến tính
• Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động để điều khiển linh hoạt
lực cản dịu về chiều và độ lớn để dập tắt dao động theo yêu
cầu.
• Mô phỏng và đánh giá
• Cài đặt trên thiết bị thực, hiệu chỉnh, nhận xét và đánh giá
- Các kết quả đạt được trong luận văn
• Xây dựng được mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích
cực sử dụng động cơ tuyến tính
• Thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ điều
khiển PD mờ thích nghi
• Thiết kế các bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho động cơ
tuyến tính tạo lực giảm chấn.
• Xây dựng được mô hình hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng
động cơ tuyến tính tại phòng thí nghiệm
• Cài đặt được chương trình và tiến hành thí nghiệm
3. Nội dung của luận văn
Luận văn thực hiện các nội dung sau:
a. Tìm hiểu, phân loại các hệ thống giảm chấn, các ưu điểm của hệ
thống giảm chấn tích cực. Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn,
phân tích ưu điểm của động cơ tuyến tính và khả năng ứng dụng
của động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực. Nội
dung này trình bày trong chương 1 của luận văn
b. Xây dựng mô hình của hệ thống giảm chấn tích cực, xác định các
thông số ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống giảm chấn. Xây
dựng mô hình liên quan giữa lực đẩy của động cơ và dòng điện
của động cơ tuyến tính. Xây dựng mô hình tổng quát của hệ thống
giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính. Nội dung này
được thực hiện trong chương 2 của luận văn.
c. Từ mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực, sử dụng
mô hình này để thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng
bộ điều khiển PD mờ thích nghi. Tác động điều khiển được thực
hiện tính toán thông qua các sai lệch đo được để cho ra tín hiệu
đưa tới động cơ nhằm thực hiện lực giảm chấn sao cho thời gian
4
dập tắt dao động là nhanh nhất. Bộ điều khiển được mô phỏng
trên Matlab/Simulink. Nội dung này được thực hiện ở chương 3
của luận văn.
d. Xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực tế tại phòng
thí nghiệm bộ môn Đo lường – Điều khiển, khoa điện tử. Hệ
thống được điều khiển bằng Matlab/Simulink điều khiển thực,
thuật toán điều khiển được viết và cài đặt trên nền simulink. Các
kết quả thí nghiệm phản ánh tính đúng đắn của thuật toán và mô
hình hệ thống giảm chấn tích cực đã xây dựng.
Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chương với bố cục như
sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống giảm chấn
Chương 2: Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động cho hệ
thống giảm chấn tích cực
Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm
chấn tích cực
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.
Chương 1 Tổng quan về hệ thống giảm chấn
1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn ,
Chức năng cơ bản hệ thống giảm chấn là nhằm dập tắt dao động và
nhanh chóng duy trì ổn định của hệ thống. Trong các phương tiện vận tải, ví
dụ như ôtô, hệ thống giảm chấn người ta còn gọi là hệ thống treo, hệ thống
này có nhiệm vụ làm giảm ảnh hưởng của lực tác động ở bề mặt đường lên
sàn và thân xe, giúp duy trì thân xe và sàn xe cân bằng, giảm bớt sự khó chịu
cho con người khỏi những chấn động và những va chạm không biết trước từ
mặt đường tác động lên xe qua lốp xe. Mô hình hệ thống giảm chấn điển hình
được mô tả như hình vẽ sau đây:
5
1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn
a. Hệ thống giảm chấn thụ động
Hệ thống giảm chấn thụ động là hệ thống giảm chấn mà phần tử cản dịu
có hệ số cản dịu b
s
bằng hằng số, không thay đổi được. Lực cản dịu sinh ra
bởi phần tử này chỉ phụ thuộc vào vận tốc x
us
thông qua hệ số cản dịu b
s
được
miêu tả như sau:
us
s s
dx
F b
dt
=
Đặc điểm của hệ thống giảm chấn thụ động là chúng ta không chủ
động điều chỉnh được lực cản dịu vì hệ số b
2
bằng hằng số, lực cản dịu lớn
khi tốc độ của x
us
lớn và nhỏ khi tốc độ của x
us
nhỏ.
b. Hệ thống giảm chấn tích cực
Minh họa hệ thống giảm chấn tích cực (hay còn gọi là hệ thống giảm
chấn chủ động) như hình vẽ sau, trong đó khác với hệ thống giảm chấn thụ
động là khối cản dịu có lực cản dịu được sinh ra bằng cách sử dụng một
nguồn năng lượng bên ngoài. Do vậy ta có thể điều chỉnh được lực cản dịu
sao cho phù hợp với mục đích giảm chấn của hệ thống một cách linh hoạt.
6
c. Hệ thống giảm chấn bán chủ động
Ngoài hai hệ thống giảm chấn tích cực chủ động và thụ động như trên,
một giải pháp kết hợp hai loại này chính là hệ thống giảm chấn tích cực bán
chủ động. Hệ thống giảm chấn tích cực bán chủ động là hệ thống giảm chấn
thụ động có sử dụng thêm một phần tử cản dịu chủ động như minh họa ở
hình vẽ sau, phần tử cản dịu chủ động thường là cơ cấu điện từ. Hệ thống này
thường dùng cho các hệ thống lớn cần tăng tốc độ đáp ứng của lực cản dịu.
1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ
• Lực cản dịu để dập tắt dao động được tạo ra trực tiếp từ nguồn
điện mà không qua một khâu trung gian truyền dẫn cơ khí nên
đáp ứng nhanh hơn, linh hoạt hơn và không bị ảnh hưởng bởi lực
ma sát
• Vì lực điện từ có thể tạo ra với tần số nhanh cho nên đáp ứng
động học của hệ thống được nâng cao, đáp ứng được với các dao
động với các dải tần rộng
• Có khả năng điều chỉnh chính xác các lực cản dịu với đáp ứng
yêu cầu về mặt thời gian bằng các thuật toán điều khiển.
• Với kết cấu nhỏ, gọn cho nên hệ thống dễ dàng cài đặt vào các
thiết bị
• Tuổi thọ và độ bền cao, giảm thiểu nhu cầu cần bảo dưỡng trong
quá trình sử dụng
1.4 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính
Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ cấu điện từ trước đây có thể
sử dụng động cơ tạo chuyển động quay và hệ thống vit me để tạo chuyển
động lên xuống, động cơ quay đó có thể là động cơ servor tuy nhiên nhược
điểm của phương pháp này là tồn tại ma sát giữa các bánh răng, tốc độ chậm
và kém linh hoạt . Hiện nay xu hướng xử dụng động cơ tuyến tính tạo chuyển
động thẳng trực tiếp có ưu điểm là lực điện từ được tạo ra trực tiếp mà không
7
có cần sử dụng cơ cấu truyền cơ khí, do đó ma sát thấm, độ chính xác cao,
tuổi thọ dài, do đó cho phép tạo ra các hệ thống giảm chấn tích cực được điều
khiển bằng các thuật toán điều khiển cho phép dập tắt các dao động của hệ
thống một cách có hiệu quả.
1.5 Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực, các xu hướng thiết kế
bộ điều khiển
Hệ thống giảm chấn tích cực có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, và
đa số xuất hiện trong các ứng dụng ở phương tiện vận tải như:
- Hệ thống treo của oto và cân bằng sàn xe hệ thống treo của ôtô hay là
hệ thống giảm sóc nhằm ổn định cân bằng sàn xe và loại bỏ sự ảnh
hưởng của lực tác động từ mặt đường lên sàn xe khi xe đang chuyển
động.
1.6 Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quát về hệ thống giảm chấn, các ưu điểm
của hệ thống giảm chấn tích cực và hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng cơ
cấu điện từ. Các ứng dụng của hệ thống giảm chấn tích cực trong thực tế. Từ
các phân tích ưu nhược điểm trên chương 1 trình bày về việc ứng dụng động
cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực, các xu hướng điều khiển hệ
thống giảm chấn tích cực hiện nay. Qua đó trình bày về tính cấp thiết về
nghiên cứu điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến
tính hiện nay. Từ phân tích đó luận văn đã lựa chọn các nội dụng nghiên cứu,
xây dựng các mục tiêu cần đạt được trong luận văn.
Chương 2 Mô hình hóa hệ thống giảm chấn tích cực
2.1 Phương trình động học hệ thống giảm chấn tích cực
Hình 0-1 Mô hình hệ thống giảm chấn thụ động
8
Gọi
t
k
là độ cứng của của phần tử lò xo liên hệ giữa bề mặt tạo dao
động và khối treo,
us
m
là khối lượng của khối treo,
,
s s
k b
lần lượt là độ cứng
của phần tử lò xo và hệ số cản dịu của khối cản dịu,
s
m
là khối lượng của
khối thân trên.
Đặt các biến trạng thái:
d
là nhiễu tác động từ bên ngoài vào gây ra
dao động,
us
x
là khoảng dịch chuyển của khối treo và
s
x
là khoảng dịch
chuyển của khối thân trên. Phương trình động học của hệ thống giảm chấn
thụ động được mô tả như sau:
( ) ( )
( ) ( ) ( )
us us
us us
s s s s s s s
us us s s s s t us s
m x k x x b x x F
m x k x x b x x k x d F
+ − + − =
− − − − + − = −
&& & &
&& & &
(2.2)
Trong phương trình ta vẫn để nguyên hệ số cản dịu
s
b
, khi phân tích đối
với hệ thống giảm chấn tích cực ta sẽ cho hệ số này bằng không.
Để thuận tiện cho việc xây dựng mô hình hệ thống giảm chấn, ta đặt
các biến trạng thái mới như sau:
1 us
2
3 us
4 us
s
s
z x x
z x
z x d
z x
= −
=
= −
=
&
&
(2.4)
Từ cách đặt biến trạng thái này, ta chuyển hệ 2.2 về dạng không gian trạng
thái sau đây:
s
z Az BF Ld
= + +
&
&
trong đó
1
2
3
4
z
z
z
z
z
=
là véc tơ biến trạng thái của hệ
us us us us
0 1 0 1
0
0 0 0 1
−
− −
=
− −
s s s
s s s
s s t s
k b b
m m m
A
k b k b
m m m m
,
9
[ ]
[ ]
us
0 1/ 0 1/ , 0 0 1 0
T T
s
B m m L
= − = −
Phần tiếp sau sẽ nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số hệ thống
đến đặc tính động học của hệ.
2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ
• Khối lượng khối thân trên:
400
=
s
m kg
• Khối lượng khối treo:
50
=
us
m kg
• Độ cứng của phần tử lò xo:
20000 /
=
s
k N m
• Hệ số cản dịu của khối cản dịu:
1000 / /
=
s
b N m s
• Độ cứng của phần tử lò xo:
180000 /
=
t
k N m
Sử dụng Matlab/simulink để mô phỏng, các khối bên trong và các tham
số của của hệ thống giảm chấn tích cực như trên các hình sau
Các hình vẽ sau mô tả đáp ứng của hệ với các nhiễu loạn khác nhau
trong trường hợp hệ thống giảm chấn tích cực không có tác động lực cản dịu,
hay
0.
=
s
F
a) Nhiễu d(t) có dạng xung vuông
0 5 10 15
0
0.5
1
Nhieu d(t) tac dong vao he thong giam chan
0 5 10 15
-0.02
0
0.02
0.04
xs(t)
0 5 10 15
-0.02
0
0.02
0.04
xus(t)
0 5 10 15
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
t(s)
xs(t)-xus(t)
Hình 2-6 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động dạng xung
vuông
10
Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng khi chịu tác động của nhiễu d(t) thành
phần x
us
(t) dao động có dạng gần giống với dạng dao động của d(t), dạng gần
giống này phụ thuộc vào phần tử có đặc tính lò xo k
t
, khi k
t
càng lớn thì x
us
(t)
dao động càng giống với d(t), khi k
t
càng nhỏ thì dạng dao động càng mềm và
có thời gian tắt lâu hơn. Khi x
us
(t) dao động, qua phần tử lò xo k
s
và phần tử
cản dịu b
s
x
us
(t) sẽ dao động lên xuống với thời gian tắt lâu hơn. Thời gian tắt
và dạng dao động phụ thuộc vào các hệ số k
s
và b
s
. Để minh họa thêm với
dạng nhiễu là bất kỳ, phần b sau đây là các trạng thái của hệ thống giảm chấn
khi phản ứng với d(t) có dạng ngẫu nhiên.
b) Nhiễu có dạng dao động bất kỳ
0 5 10 15
-5
0
5
Nhieu d(t) tac dong vao he thong giam chan
0 5 10 15
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
xs(t)
0 5 10 15
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
xus(t)
0 5 10 15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
t(s)
xs(t)-xus(t)
Hình 2-7 Đáp ứng của hệ thống giảm chấn với tác động dao động có dạng
bất kỳ
11
2.3 Các hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống
( ) ( ) ( )
2
us us
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
us us s s s s t us
m s X s k X s X s b s X s X s k X s D s
= − − + − − −
Hàm truyền liên hệ từ lực tác dụng bên ngoài vào hệ đến khối thân trên, hay
là hàm truyền tổng quát của cả hệ giảm chấn là:
( )
( ) ( )
( )
4 3 2
us us us
( )
( )
( )
t s s
s
s
s s s s t s s t s t s
k b s k
X s
G s
D s
m m s b m m s k k m k m s k b s k k
+
= =
+ + + + + + +
• Hàm truyền liên hệ giữa độ lệch giữa
us
( ) ( )x t d t
−
với
( )d t
, hàm
truyền này biểu diễn quan hệ giữa tác động dao động đầu vào đến
sự biến thiên của khối treo so với chính nó.
( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
2 2
us us
dus
4 3 2
us us us
( ) ( )
( )
( )
s s s s s us
us
s s s s t s s t s t s
s m m s b m m s k m m
X s D s
G s
D s
m m s b m m s k k m k m s k b s k k
− + + + +
−
= =
+ + + + + + +
• Hàm truyền liên hệ giữa độ lệch giữa
s
( ) ( )x t d t
−
với
( )d t
tương tự
được biểu mô tả như sau:
( ) ( )
( )
2
sus
4 3 2
us us us
( ) ( )
( )
( )
s s t
s s s s t s s t s t s
X s D s m k s
G s
D s
m m s b m m s k k m k m s k b s k k
− −
= =
+ + + + + + +
2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống
Động cơ tuyến tính tạo chuyển động thẳng trực tiếp LBM (Direct –
drive tubular linear brushless permanent magnet motor) được chế tạo dựa
trên động cơ quay trong đó stator được trải dải theo đường thẳng thay vì uốn
cong tạo thành hình tròn, do vậy các dòng điện trong stator sẽ sinh ra một từ
trường dịch chuyển làm di chuyển rotor theo phương ngang, qua đó tạo
chuyển động thẳng.
Để xây dựng mô hình của LBM, ta có một số giả thiết sau đây:
• Hệ số tự cảm của các cuộn dây stator là hằng số đối với bất kỳ vị trí
nào của phần di chuyển
• Chiều dài của rotor là vô hạn để ta có thể bỏ qua các hiệu ứng đầu
cuối
• Mô hình mạch từ không kể đến hiện tượng bão hòa từ
L B M
U a b c
F t
T e ta
i_ a b c
P h i_a b c
F e
x
id q
u d q
12
2
1 2
2
d
d s d q
p
q
q s q d
p
e m q
p
e t
d dx
u R i
dt dt
d
dx
u R i
dt dt
F i
dx dx
F K K F I
dt dt
ψ π
ψ
τ
ψ
π
ψ
τ
π
ψ
τ
= + −
= + −
=
− + + =
÷
Mô hình của động cơ tuyến tính như hình vẽ sau, trong đó đầu vào U
abc
là điện áp pha A, B, C cấp cho LBM, F
t
là mô men cản (gây ra do khối lượng
của khối treo), các đầu ra là các dòng điện i
abc
,
,
ψ
abc
lực do LBM tạo ra F
e
,
chiều dài di chuyển của rotor x, các dòng điện và điện áp trên hệ tọa độ dq
,
dq dq
i u
và góc quay quy đổi.
Hình 2-13 Mô hình LBM thực hiện bằng Matlab/Simulink
Kết quả mô phỏng phản ứng của LBM với điện áp
U
abc
đưa vào các cuộn dây stator, bảng tham số vật lý của
động cơ như bảng sau:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.5
0
0.5
1
iabc
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.2
0
0.2
Phi abc
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.5
0
0.5
1
i dq
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-4
-2
0
2
time (s)
u dq
Hình 2-15 Các đáp ứng dòng và áp của động cơ LBM
13
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-4
-3
-2
-1
0
x 10
-3
Teta
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-1.5
-1
-0.5
0
x 10
-5
x
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.02
0
0.02
0.04
time(s)
Fe
Hình 2-16 Các đáp ứng về khoảng cách dịch chuyển của rotor, lực và giá trị
θ
của LBM
2.5 Mô hình của cả hệ thống có kể động cơ tuyến tính
Kết hợp phương trình 2.4 và phương trình 2.33 trong đó
( )
s
F t
được
thay bằng
e
F
ta được hệ phương trình mô tả cho cả hệ thống giảm chấn tích
cực sử dụng LBM như sau:
2
1 2
2
ψ π
ψ
τ
ψ
π
ψ
τ
π
ψ
τ
= + +
= + −
= + −
=
− + + =
÷
=
e
d
d s d q
p
q
q s q d
p
e m q
p
e t
z Az BF Ld
d dx
u R i
dt dt
d
dx
u R i
dt dt
F i
dx dx
F K K F I
dt dt
y Cz
&
&
14
2.6 Kết luận chương 2
Chương 2 của luận văn đã xây dựng được mô hình động học của hệ
thống giảm chấn tích cực, mô hình này được biểu diễn bằng hệ phương trình
trạng thái bao gồm một phần tuyến tính và cộng thêm với phần tác động từ
bên ngoài vào thông qua ma trận L. Từ mô hình này luận văn đã mô phỏng,
đánh giá tính chất của hệ thông qua việc xây dựng các hàm truyền đáp ứng
tần số của hệ thống, vì hệ thống có hai bậc tự do cho nên có hai tần số dao
động riêng, các tần số dao động riêng này phụ thuộc vào các tham số như khối
lượng của khối treo và khối thân trên, độ cứng của các phần tử lò xo, hệ số
cản dịu. Hệ thống giảm chấn có đặc điểm là một hệ thống “cân nhắc”, tức là
mô hình của nó nằm ở đâu đó trong khoảng biến thiên với tính chất của một
khối cứng tới tính chất của một khâu dao động (lò xo). Khi thay đổi tham số
vật lý của hệ, tần số dao động riêng sẽ thay đổi thì khi đó tính chất của hệ sẽ
mang tính chất của một khối cứng nhiều hơn hay tính chất của một khâu dao
động nhiều hơn.
Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm
chấn tích cực
3.1 Đặt vấn đề
Để thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động cho hệ thống giảm
chấn tích cực, ta sẽ thiết kế hai bộ điều khiển đó là:
Bộ điều khiển dập tắt dao động, bộ điều khiển này nhận tín hiệu x
s
(t)
và tính toán ra lực cần thiết để đưa tới tác động vào hệ thống giảm chấn.
Bộ điều khiển thứ hai là bộ điều khiển LBM, bộ điều khiển này gồm
hai bộ điều khiển con đó là bộ điều khiển lực và bộ điều khiển dòng cho
LBM. Bộ điều khiển lực nhận giá trị lực đặt từ bộ điều khiển dập tắt dao
15
động, tính toán ra giá trị dòng điện đặt đưa tới cho LBM, giá trị dòng đặt này
được đưa tới làm giá trị đặt cho bộ điều khiển dòng nhằm tính toán giá trị điện
áp đặt cho LBM. Sơ đồ hệ thống điều khiển như sau:
3.2 Thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động dùng điều khiển PD mờ
thích nghi
Lực đặt được tính từ sai lệch của xs(t) so với giá trị 0, được xác định
bằng công thức sau đây:
( ) ( )
( ) ( ),
= +
÷
÷
x s
sref D fuzzy s
dx t dx t
F t K K F x t
dt dt
16
Các tham số khác của bộ điều khiển dập tắt dao động PD mờ thích
nghi được chọn là:
100, 200.
= =
D
K K
17
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Nhieu d(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
time(s)
xs(t)
Hình 3-9 Đặc tính của x
s
(t) khi tác động nhiễu có dạng xung vuông
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
xus(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
time(s)
xs(t)-xus(t)
Hình 3-10 Đặc tính của x
us
(t) và x
s
(t)-x
us
(t) khi tác động nhiễu có dạng xung
vuông
Từ các kết quả mô phỏng trên đây, các đáp ứng
us
( ), ( )
s
x t x t
và
us
( ) ( )
−
s
x t x t
đều được thể hiện trong hai trường hợp đó là khi có tác động
điều khiển và không có tác động điều khiển dùng bộ điều khiển dập tắt dao
động PD mờ thích nghi. Trong trường hợp không có tác động điều khiển
us
( ), ( )
s
x t x t
dao động nhiều, thời gian trở về không lớn hơn 2s, biên độ dao
động lớn (cỡ 0.035), khi có tác động điều khiển
( )
s
x t
không còn dao động,
quá trình tiến về 0 trơn tru và mềm hơn như hình 3-7. Với kết quả mô phỏng
này ta thấy rằng bộ điều khiển PD mờ thích nghi đã thực hiện tốt nhiệm vụ
dập tắt dao động với kết quả khá tốt.
18
3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và điều khiển dòng
+ Bộ điều khiển dòng i
d
, căn cứ vào sai lệch giữa dòng i
dref
(dòng i
d
đặt) và dòng id thực để xác định thành phần điện áp u
d
, phương trình bộ điều
khiển sử dụng luật điều khiển PID với các tham số như sau:
( ) ( )
( )
0
( ) ( )
60.9685 20.7976 10.2
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
20 20 20
τ τ τ
−
−
= − + − +
∫
t
dref d
d dref d dref d
d i t i t
u t i t i t i i d
dt
+ Bộ điều khiển dòng iq, tương tự dùng để xác định thành phần điện
áp uq căn cứ vào sai lệch giữa dòng iq đặt (iqref) và dòng iq thực, bộ điều
khiển dòng iq dùng luật điều khiển PI, công thức và tham số là:
( ) ( )
0
( ) 6.85 ( ) ( ) 1.25 ( ) ( )
τ τ τ
= − + −
∫
t
q qref q qref q
u t i t i t i i d
Bộ điều khiển lực nhận tín hiệu đặt là lực đặt được đưa tới từ bộ điều
khiển dập tắt dao động, tính toán ra dòng điện đặt để đưa tới bộ điều khiển
dòng điện. Cấu trúc bộ điều khiển là PID như sau:
Công thức của bộ điều khiển là
0
( )
( ) ( ) ( )
τ
τ τ
πψ
= + +
÷
∫
t
fe p
qref fe I fe D
m
de t
I t Ke t K e d K
dt
trong đó
( )
−
= −
fe e ref e
e t F F
-3711.3
-104250, 0
I D
K
K K
=
= =
19
3.4 Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ thống
Trường hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông
+ Các trạng thái của hệ thống giảm chấn
0 1 2 3 4 5 6
0
0.5
1
1.5
Nhieu d(t)
Trang thai cua he thong giam chan
0 1 2 3 4 5 6 7
0
0.02
0.04
xs(t)
0 1 2 3 4 5 6
-0.02
0
0.02
0.04
xus(t)
0 1 2 3 4 5 6
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
time(s)
xs(t)-xus(t)
Trường hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên
+ Các trạng thái của hệ thống giảm chấn
20
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-2
-1
0
1
2
d(t)
Cac trang thai cua he thong giam chan
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-10
-5
0
x 10
-5
xs(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-15
-10
-5
0
5
x 10
-5
xus(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-2
-1
0
1
2
x 10
-4
time(s)
xs(t)-xus(t)
3.5 Kết luận chương 3
Chương 3 đã của luận văn đã đưa ra cấu trúc điều khiển dập tắt dao động cho
hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM. Cấu trúc điều khiển gồm 03
mạch vòng, mạch vòng điều khiển ngoài cùng là mạch vòng điều khiển dập
tắt dao động, mạch vòng này cung cấp giá trị lực đặt để đưa tới mạch vòng
trong tiếp theo đó là mạch vòng điều khiển lực. Mạch vòng điều khiển lực
nhằm điều khiển LBM tạo ra lực dập tắt dao động mong muốn, mạch vòng
này tính toán giá trị dòng điện đặt để đưa tới mạch vòng điều khiển trong
cùng là mạch vòng điều khiển dòng điện. Mạch vòng điều khiển dòng điện
nhằm xác định điện áp đặt vào LBM.
Đối với mạch vòng điều khiển dòng điện và mạch vòng điều khiển lực luận
văn sử dụng bộ điều khiển PID biến thể. Các thông số của bộ điều khiển được
xác định để đảm bảo giá trị thực bám theo các giá trị đặt. Mạch vòng điều
khiển dập tắt dao động, luận văn sử dụng bộ điều khiển PD mờ thích nghi.
Các kết quả mô phỏng của các mạch vòng và tổng thể hệ thống đạt yêu cầu
như mong muốn.
Chương 4 Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực
4.1 Giới thiệu mô hình giảm chấn cực
Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực được xây dựng tại bộ môn Đo lường –
Điều khiển, Khoa Điện Tử như sau
21
4.2 Các thông số hệ thống
Thông số Giá trị
Khối lượng thân trên 2.23Kg
Khối lượng khối treo 1.2Kg
Độ cứng của phần tử lò xo 0.01
Hệ số cản dịu của khối cản dịu 0.01
Độ cứng của phần tử lò xo 0.1
Điện trở các cuộn dây Stator 7.6Ω
Điện cảm các cuộn dây Stator 0.06H
Hỗ cảm giữa các cuộn dây 0.03H
Hệ số quán tính 0.001
22
4.3 Kết quả thực nghiệm
Hình 4-7 minh họa dạng dao động của nhiễu d(t) tác động vào hệ thống giảm
chấn tích cực nhờ sử dụng động cơ quay trục cam, hình dạng dao động này
được quyết định bởi hình dạng của cam, để đặc trưng cho các dao động trong
thực tế, cam được chế tạo sao cho dạng dao động d(t) có những đoạn biến
thiên nhanh, có những đoạn bằng phẳng và có những đoạn biến thiên chậm.
Hình 4-12 là so sánh giữa hai trường hợp có giảm chấn tích cực và
không giảm chấn tích cực, qua so sánh này cho ta thấy tác dụng của hệ thống
giảm chấn tích cực, biên độ dao động được giảm đi khá nhiều. Tuy nhiên
trong thực tế thực nghiệm ta thấy có sự dao động với biên độ nhỏ của khối
thân trên trong trường hợp có giảm chấn tích cực, điều này được lý giải là do
sử dụng LBM 2 cuộn dây cho nên lực giảm chấn không được linh hoạt nhiều
về độ lớn và chiều bằng LBM 3 cuộn dây.
4.3 Kết luận chương 4
Chương 4 trình bày về mô hình thí nghiệm thực của hệ thống giảm chấn
tích cực sử dụng động cơ LBM 2 cuộn dây tự tạo tại phòng thí nghiệm bộ
môn Đo lường – Điều khiển, Khoa Điện Tử. Mô hình thực nghiệm đã hoạt
động được, đã cài đặt thuật toán điều khiển, chạy thực nghiệm và thu được
23
các kết quả như nêu trên. Do thời gian hạn hẹp, các thông số của hệ thống
giảm chấn chưa được điều chỉnh hợp lý cho nên kết quả thực nghiệm bước
đầu đã phản ánh tính đúng đắn thuật toán điều khiển, tuy nhiên chất lượng
điều khiển chưa được như mong muốn. Đây là vấn đề nghiên cứu tiếp trong
tương lai.
Kết luận chung của luận văn
Luận văn với tên đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều khiển dập tắt
dao động cho hệ thống giảm chấn tích cực” đã thực hiện được những nội
dung được trình bày trong các chương một cách tóm tắt như sau:
a. Chương 1: Đã thực hiện tìm hiểu, phân loại các hệ thống giảm chấn, các
ưu điểm của hệ thống giảm chấn tích cực. Các ứng dụng của hệ thống
giảm chấn, phân tích ưu điểm của động cơ tuyến tính và khả năng ứng
dụng của động cơ tuyến tính trong hệ thống giảm chấn tích cực.
b. Chương 2: Đã nghiên cứu và xây dựng được mô hình của hệ thống giảm
chấn tích cực, xác định các thông số ảnh hưởng đến đặc tính của hệ thống
giảm chấn. Xây dựng mô hình liên quan giữa lực đẩy được tạo ra của
động cơ LBM và điện áp đặt vào của động cơ tuyến tính. Xây dựng mô
hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ LBM.
Mô hình này được dùng để thiết kế các bộ điều khiển trong chương 3.
c. Chương 3: Từ mô hình tổng quát của hệ thống giảm chấn tích cực, sử
dụng mô hình này để thiết kế bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng bộ
bộ điều khiển PD mờ thích nghi. Để tạo ra lực dập tắt dao động như bộ
điều khiển PD mờ thích nghi mang lại khi dùng động cơ LBM, hai mạch
vòng trong đó là mạch vòng điều khiển lực và mạch vòng điều khiển
dòng điện cho LBM cũng đã được thiết kế trong chương này dùng luật
điều khiển PID
Các đóng góp của luận văn là:
• Xây dựng được mô hình tổng quát của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử
dụng động cơ LBM
• Thiết kế được bộ điều khiển dập tắt dao động sử dụng PD mờ thích nghi
ở mạch vòng bên ngoài, hai mạch vòng bên trong là các bộ điều khiển
lực và điều khiển dòng cho động cơ LBM sử dụng luật điều khiển PID để
tạo ra lực giảm chấn tích cực
• Xây dựng được mô hình thực nghiệm hệ thống giảm chấn tích cực sử
dụng LBM tự tạo tại phòng thí nghiệm
• Cài đặt được chương trình và tiến hành thực nghiệm bằng
Matlab/Simulink điều khiển thời gian thực, các kết quả thực nghiệm phản
ánh tính đúng đắn của nội dung nghiên cứu, tuy nhiên kết quả mới dừng
lại ở bước đầu.
Hướng nghiên cứu và giải quyết tiếp:
24
• Hoàn thiện hơn nữa mô hình LBM sử dụng trong hệ thống giảm chấn tích
cực, bằng cách chế tạo LBM gồm 3 cuộn dây quấn liên tiếp sao cho mô
hình sát với lý thuyết đã nghiên cứu.
• Lựa chọn các thông số của hệ thống như độ cứng của lò xo, các khối
lượng thân trên và khối treo một cách phù hợp.
• Thực hiện sử dụng cấu trúc lo xo bao quanh bên ngoài LBM, tạo sự cân
đối trong chuyển động của hệ thống giảm chấn.
• Nghiên cứu, điều chỉnh và hiệu chỉnh luật điều khiển mở và cơ cấu hiệu
chỉnh thích nghi nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng giảm chấn. Tính đến
các giải pháp thay đổi hình dáng và hàm liên thuộc của bộ điều khiển mờ
thích nghi.
