Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ kết cấu truyền động cơ khí backlash

i
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Anh

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
tháng năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

Chủ tịch

2

Phản biện 1

3

Phản biện 2

4

Ủy viên

5

Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn


ii
TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : LÊ VĂN PHÚC

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05/06/1988

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

MSHV: 1341840025

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ KẾT CẤU TRUYỀN
ĐỘNG CƠ KHÍ BACKLASH
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động cơ khí backlash
Nội dung:
-

Tổng quan

-

Phân tích, thiết kế bộ điều khiển khả thi cho hệ thống

-

Nhận dạng hệ thống và mô phỏng

-

Thực nghiệm trên hệ chuyển động tuyến tính

-

Kết quả và thảo luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 26 tháng 5 năm 2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày

tháng

năm

V- Cán bộ hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và thầy hƣớng dẫn.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Lê Văn Phúc


iv

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Duy Anh đã
tận tình hƣớng dẫn em về chuyên môn và kinh nghiệm để giúp em thực hiện luận văn tốt
nghiệp.
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy giảng viên
Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM và Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt
tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong
quá trình giảng dạy khóa cao học tại trƣờng Đại học Công Nghệ Tp. HCM.
Em rất biết ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên
và ở bên cạnh em trong suốt quá trình học và làm luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị, các bạn học viên đã giúp đỡ, cùng trau
dồi kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp.

Lê Văn Phúc


v

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trong quá trình công nghiệp hóa hiện nay, việc khử rơ cho các bộ truyền động
trong cơ khí là hết sức quan trọng. Làm thế nào để khử rơ trong truyền động ?
Việc thiết kế bộ điều khiển khử rơ trong truyền động cơ khí là hết sức quan trọng
và cần thiết trong điều khiển hiện nay. Luận văn sẽ thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho
kết cấu truyền động cơ khí. Mục đích của luận văn là phân tích, thiết kế và mô phỏng
bộ điều khiển khả thi cho hệ thống .
Các phƣơng án khử rơ: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền
động hoặc điều chỉnh hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Thực nghiệm
hiệu chỉnh bộ điều khiển trên hệ servo driving mechanism.
Sau khi có đƣợc sai lệch của từng khâu, tiến hành áp dụng bộ khử rơ ngƣợc. Ở

phần trên cung cấp các bộ điều khiển khử rơ khác nhau, chất lƣợng các bộ điều khiển
khử rơ này tùy theo hệ thống mà có sự phù hợp.
Bộ điều khiển khử rơ vòng hở đƣợc áp dụng cho hệ thống vòng hở không có hồi
tiếp, bộ điều khiển vòng kín PID đƣợc áp dụng cho hệ thống có hồi tiếp nhƣng thông
số hàm truyền không thay đổi.Trong khi đó bộ điều khiển thích nghi đƣợc áp dụng cho
hệ thống có thông số thay đổi.


vi

ABSTRACT
In the age of industrialization, the important problem is de-trailers of mechanical
actuators. How can we do it ?
Today, the vital and necessary thing is that we have to design a control panel in
order to reduce trailers in processing. This thesis will be analyzed, designed and
simulated a control panel of backlash in mechanical actuators.
The methods to re-trailers: meachinal design adjustment of tranmission or stoke
adjustment, and control algorithm. The empirical calibration with controller on servo
driving mechanism driving mechanism.
After acquiring deviations of each stage, proceed to apply the reverse de-trailers.
The controllers offer different de-trailers, the quality of controllers depend on certain
system, the open controller de-trailers loop is applied to the open-loop system without
feedback, closed-loop PID controller is applied to the system. However, the feedback
transfer function parameters do not change, while the adaptive controller is applied to
the system parameters change.


vii

MỤC LỤC

Chƣơng 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................1
1.2. Các phƣơng án khử rơ .................................................................................1
1.2.1. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành
trình .......................................................................................................................... 1
1.2.2. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển: ....................................................... 2
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................3
1.4. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ..............................................................4
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................... 4
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ......................................................... 7
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................7
Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ THI CHO HỆ
THỐNG ..................................................................................................................9
2.1. Phân tích thiết kế bộ điều khiển ...................................................................9
2.1.1. Hàm rơ, hàm rơ ngƣợc và phƣơng pháp xác định hàm rơ .................. 10
2.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển .............................................................. 13
2.2. Điều khiển đáp ứng ....................................................................................17
Chƣơng 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG ..................................22
3.1. Nhận dạng hệ thống ...................................................................................22
3.2. Mô phỏng nhận dạng hệ thống ..................................................................25
3.3. Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi ...........................................................29
3.3.1. MRAS sử dụng luật MIT cho hệ bậc 2 ............................................... 29
3.3.2. Mô hình hóa hệ thống tổng hợp: ......................................................... 30
Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH .......36


viii
4.1. Hệ thống điều khiển thực nghiệm ..............................................................36
4.1.1. Điều khiển trên máy tính .................................................................... 37

4.1.2. Điều khiển trên vi điều khiển.............................................................. 41
4.1.3. Vấn đề truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA ............................................ 42
4.2. Thực nghiệm hệ servo driving mechanism. ...............................................45
4.2.1. Thực nghiệm độ rơ.............................................................................. 45
4.2.2. Nhận dạng hệ thống ............................................................................ 46
4.2.3. Áp dụng các bộ điều khiển thực nghiệm ............................................ 46
4.2.4. Đánh giá kết quả của hệ thống điều khiển. ......................................... 60
Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................61
5.1. Kết quả thực nghiệm khử rơ và thảo luận..................................................61

5.2. Đánh giá .....................................................................................................63
Phụ lục A: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ...............................................64
Phụ lục B:

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ...............................................................74


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CNC: Computer(ized) Numerical(ly) Control(led)
MIT: Massachusetts Institute of Technology
PID: Proportional Integral Derivative

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: ..................................................................................................................45
Bảng 2: .................................................................................................................46
Bảng 3: .................................................................................................................61
Bảng 4: .................................................................................................................65
Bảng 5: .................................................................................................................65

Bảng 6: .................................................................................................................66


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Mô hình giải thuật điều khiển của đề tài .................................................9
Hình 2.2 Đồ thị và ví dụ minh họa về hàm rơ......................................................11
Hình 2.3 Đồ thị hàm rơ ngƣợc .............................................................................12
Hình 2.4 Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh ..............................................12
Hình 2.5 Mô hình cơ bản của hệ thống ................................................................13
Hình 2.6 Trình tự thiết kế giải thuật.....................................................................14
Hình 2.7 Hệ thống cơ bản ....................................................................................15
Hình 2.8 Tính toán hình học để xác định thông số độ rơ .....................................16
Hình 2.9 Hệ thống đƣợc khử rơ bằng hàm rơ ngƣợc ...........................................16
Hình 2.10 Mô hình điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu ...................18
Hình 2.11 Sơ đồ MRAS .......................................................................................20
Hình 3.1 Các bƣớc nhận dạng hệ thống ...............................................................23
Hình 3.2 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi không có rơ

và khi có rơ

. (Tín hiệu

vào dạng sóng tam giác) .......................................................................................26
Hình 3.3 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi không có rơ

và khi có rơ

. (Tín hiệu

vào dạng sóng sin) ................................................................................................26
Hình 3.4 Đồ thị khử rơ .........................................................................................27
Hình 3.5 Đồ thị nhận dạng hàm truyền ................................................................28
Hình 3.7 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT .......................29
Hình 3.8 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT .......................31
Hình 3.9 Sai số trong quỹ đạo điều khiển ............................................................32
Hình 3.10 Quỹ đạo từng trục X và Y ...................................................................32
Hình 3.11 Kết quả mô phỏng của MRAS hiệu chỉnh bởi luật MIT .....................33
Hình 3.12 Sai số trong quỹ đạo điều khiển ..........................................................34
Hình 3.13 Quỹ đạo từng trục X và Y ...................................................................34
Hình 4.1 Sơ đồ đồ khối hệ thống thực nghiệm ....................................................36
Hình 4.2 Sơ đồ xung thời gian .............................................................................38
Hình 4.3 Mô hình lập trình song song chia sẻ bộ nhớ .........................................39
Hình 4.4 Giao diện điều khiển chƣơng trình ........................................................40
Hình 4.5 Sơ đồ khối lập trình song song ..............................................................41


xi
Hình 4.6 Frame truyền dữ liệu từ máy tính xuống...............................................41
Hình 4.7 Lƣu đồ giải thuật ...................................................................................44
Hình 4.8 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra có tác động của độ rơ..47
Hình 4.9 Sai số giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ra có tác động của độ rơ ..47
Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ bù rơ ..............48
Hình 4.11 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ bù rơ .....48
Hình 4.12 Các giai đoạn của quá trình khử rơ .....................................................49
Hình 4.13 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù xung ....50
Hình 4.14 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù
xung ......................................................................................................................50
Hình 4.15 Tín hiệu ra bám theo tín hiệu vào nhƣng dao có sự dao động lớn ......51

Hình 4.16 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID
không khử rơ .........................................................................................................52
Hình 4.17 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID không khử rơ tính hiện tƣợng trễ ...................................................................52
Hình 4.18 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID không khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ .............................................................53
Hình 4.19 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID
không khử rơ kết hợp bộ điều khiển khử rơ ..........................................................55
Hình 4.20 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID kết hợp khử rơ ................................................................................................55
Hình 4.21 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID kết hợp khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ ...........................................................56
Hình 4.22 Tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không có khử rơ và kết hợp khử rơ
...............................................................................................................................57
Hình 4.23 Đầu ra so với tín hiệu mong muốn của các bộ điều khiển khi đảo chiều
...............................................................................................................................58
Hình 4.24 Sai số bộ điều khiển thích nghi ...........................................................59
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý.....................................................................................64
Hình 5.2 Mô hình tính lực ....................................................................................71
Hình 5.3 Mô hình hệ chuyển động tịnh tiến ........................................................73


xii
Hình 5.4 Bố trí quá trình thực nghiệm .................................................................73
Hình 6.1 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm ..............................................................74
Hình 6.2 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm thời gian thực .........74
Hình 6.3 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ..........74
Hình 6.4 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm thời gian thực ..............................75
Hình 6.5 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ...............................75
Hình 6.6 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm ..............................................................75

Hình 6.7 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm thời gian thực .........76
Hình 6.8 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.547 mm bỏ qua độ trễ .........76
Hình 6.9 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547 mm thời gian thực .............................76
Hình 6.10 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.547mm bỏ qua độ trễ .............................77
Hình 6.11 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm ...........................................................77
Hình 6.12 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm thời gian thực ......77
Hình 6.13 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ .......78
Hình 6.14 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm thời gian thực ...........................78
Hình 6.15 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.180 mm bỏ qua độ trễ ............................78
Hình 6.16 Khử rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm ............................................................79
Hình 6.17 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm thời gian thực .......79
Hình 6.18 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 1.665mm bỏ qua độ trễ ........79
Hình 6.19 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm thời gian thực ...........................80
Hình 6.20 Điều khiển đáp ứng độ rơ 1.665 mm bỏ qua độ trễ ............................80


1

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Trong tất cả chuyển động của các thiết bị máy móc, của các bộ truyền động cơ
khí. Độ rơ là một vấn đề tồn tại trong hệ truyền động cơ khí, ảnh hƣởng rất lớn đến
cách toán điều khiển vị trí và vận tốc của các hệ thống trong công nghiệp, robot, xe ôtô và các ứng dụng điều khiển khác.
Có rất nhiều nghiên cứu về độ rơ đã đƣợc thực hiện từ năm 1940. Đây là bài toán
rất phức tạp, đặc biệt là khi có yêu cầu độ chính xác cao. Độ rơ xuất hiện khi có khe
hở trong cơ cấu truyền động, gây ra nhiễu khi truyền động, đặc biệt khi có sự đảo
chiều của vận tốc tƣơng đối giữa các khâu. Bài toán điều khiển hệ truyền động cơ khí
khi có độ rơ thƣờng gây ra sai số xác lập, hoặc xấu nhất, xuất hiện “vòng tròn giới
hạn” (limit circle) và hệ thống ở trạng thái bất ổn định. Do đó, bài toán khử rơ cho hệ
thống cơ khí là rất cần thiết và quan trọng.

1.2. Các phƣơng án khử rơ
Từ năm 1993, hiện tƣợng rơ trong hệ thống truyền động cơ khí đã đƣợc chú ý và
có những nghiên cứu để giảm thiểu hoặc loại bỏ vấn đề này. Hai hƣớng tiếp cận bao
gồm: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền động hoặc điều chỉnh
hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Từ năm 2012, một số nghiên cứu mới
đi theo hƣớng lắp đặt các cơ cấu bổ sung (ví dụ nhƣ lắp thêm động cơ đảo chiều, cảm
biến…) và xây dựng bộ điều khiển tƣơng ứng với cơ cấu bổ sung.
1.2.1. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành trình
Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí không làm thay đổi đặc tính điều
khiển của hệ thống mà vẫn giúp giảm thiểu độ rơ rất hiệu quả. Các chi tiết gây nên độ
rơ chính khi truyền động (nhƣ bánh răng, đai ốc) đƣợc hiệu chỉnh để có thể tự bù đắp
độ rơ khi hệ truyền động đảo chiều. Một số thiết kế cơ khí để khử rơ tiêu biểu:
 Khử rơ bằng cặp bánh răng đặc biệt. Thiết kế thông dụng nhất của cơ cấu này
là chia một bánh răng trong hệ truyền động thành hai nửa theo chiều dày bánh
răng. Một nửa gắn cố định vào trục, một nửa có thể chuyển động xoay quanh
trục. Một tải nhất định (thông thƣờng đƣợc tạo ra bởi lò xo xoắn) giúp đảm bảo


2
nửa bánh răng tự do chuyển động bám theo nửa bánh răng cố định, đồng thời
luôn có ít nhất một trong hai nửa của bánh răng duy trì tiếp xúc với bánh răng kia
của cơ cấu. Thiết kế này ƣu tiên độ chính xác vị trí theo cả chiều thuận và chiều
ngƣợc, tuy nhiên chỉ có thể truyền động tải nhỏ.
 Khử rơ bằng cách truyền động một chiều. Ví dụ khi điểm hoạt động đang di
chuyển hƣớng về phía bên trái, nếu muốn đi đến một điểm nằm phía bên phải
điểm hiện tại, ngƣời sử dụng di chuyển điểm hoạt động về bên phải, vƣợt qua
điểm cần đến, rồi mới di chuyển ngƣợc về phía trái trở lại. Phƣơng pháp này đảm
bảo độ chính xác vị trí và tải theo 1 chiều.
 Giảm độ rơ trong bộ truyền vít me-đai ốc bằng đai ốc chống rơ. Ba cơ cấu đai
ốc chống rơ phổ biến trong công nghiệp: ép hƣớng tâm, kéo hoặc nén cơ cấu bù

độ rơ. Cơ cấu khử độ rơ này rất hiệu quả cũng nhƣ tiết kiệm về kinh tế. Phƣơng
pháp này hữu dụng để hạn chế độ rơ do mài mòn, đƣợc sử dụng phổ biến trong
máy CNC sử dụng vít-me đai ốc ren hình thang.
Phƣơng pháp sử dụng cặp bánh răng đặc biệt gia tăng độ phức tạp khi thiết kế và
gia công, chi phí theo đó gia tăng, đồng thời độ bền và khả năng chịu tải giảm đáng kể.
Phƣơng pháp này chỉ có thể áp dụng cho các hệ truyền động có tải và công suất trung
bình thấp. Phƣơng pháp bù trừ, gia công theo một chiều đảm bảo đƣợc tải và độ chính
xác vị trí theo một chiều, tuy nhiên hành trình gia công luôn bị tăng thêm các khoảng
không cần thiết, kéo theo đó là sự tăng thêm chi phí gia công và chi phí thời gian cho
các khoảng dƣ này. Cơ cấu đạt hiệu quả cao nhất là vít me-đai ốc chống rơ chỉ đảm
bảo độ chính xác cho hệ thống chỉ sử dụng cơ cấu này. Trong thực tế, gần nhƣ các hệ
thống đều kết hợp nhiều cơ cấu truyền động khác nhau, chỉ sử dụng một trong các
phƣơng pháp này thì không giải quyết đƣợc vấn đề.
1.2.2. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển:
Để khử rơ cho một hệ thống nhất định, cần xác định trƣớc độ rơ của hệ thống và
bù trừ độ rơ trực tiếp vào giải thuật điều khiển. Các thông số bù trừ là cố định hoặc
đƣợc cập nhật theo thời gian sử dụng. Khi hệ cơ khí hoạt động vƣợt qua thời gian đề
nghị của nhà sản xuất hoặc gặp sự cố ảnh hƣởng tới phần cứng thì các thông số bù trừ
không còn chính xác.


3
Đối với các hệ thống mà hàm rơ không xác định, các giải thuật điều khiển hƣớng
tới việc sử dụng các bộ điều khiển có thể tự cập nhật thông số theo thời gian (điều
khiển đáp ứng, neuron…). Hàm rơ là một hàm phi tuyến không khả vi. Đối với các hệ
phi tuyến không khả vi, các thông số hệ thống thƣờng không xác định trƣớc, từ các
nghiên cứu tham khảo các bộ điều khiển đáp ứng có kết quả hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, hầu hết các bộ điều khiển đáp ứng thƣờng chỉ mang lại hiệu quả cao
cho các hệ tuyến tính hoặc hệ phi tuyến nhƣng khả vi. Gang Tao và Kokotovic đã giới
thiệu và sử dụng hàm rơ ngƣợc (Backlash Inverse) trong [16] để khử rơ cho hệ thống

có độ rơ, đồng thời kết hợp một bộ điều khiển đáp ứng để cập nhật thông số của hàm
rơ ngƣợc để đảm bảo tín hiệu của hệ thống vòng kín bị chặn. Kết quả mô phỏng lý
thuyết cho thấy tính hiệu quả của phƣơng pháp này cao hơn so với các phƣơng pháp
trƣớc đó.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Tự động hóa là xu thế tất yếu của nền công nghiệp, trong đó robot sẽ phải đóng
vai trò chủ chốt trong hoạt động này.
Tại Việt nam, việc sử dụng robot cũng đã đƣợc ghi nhận khá nhiều trong các nhà
máy do nƣớc ngoài đầu tƣ và rải rác ở một số doanh nghiệp trong nƣớc. Ở Việt nam
nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, có ba nguồn cung cấp robot cho các
lĩnh vực sử dụng khác nhau:
• Nhập khẩu nguyên chiếc từ các công ty chế tạo ở nƣớc ngoài.
• Sử dụng robot đã qua sử dụng thu gom từ các nhà máy ở nƣớc ngoài.
• Các đề tài nghiên cứu ứng dụng khoa học, những sản phẩm đặt hàng cho các
nhà khoa học kỹ thuật, các đơn vị nghiên cứu, sản xuất trong nƣớc.
Nhóm sau cùng rất đa dạng về chủng loại, nhiệm vụ. Các đề tài nghiên cứu này
có thể xuất phát từ yêu cầu thực tế nhƣ robot crane cho Truyền hình Việt nam hay
robot xếp kính cho nhà máy của Viglacera hay các dạng robot an ninh. Có các đề tài
nghiên cứu công nghệ mới nhằm đón đầu phát triển hay cho đào tạo và có những đề tài
nhằm hỗ trợ, đẩy mạnh quá trình sản xuất, chế tạo robot trong nƣớc nhƣ các sản phẩm
của chƣơng trình robot hay tự động hóa của thành phố Hồ Chí Minh bao gồm robot lấy


4
sản phẩm nhựa, robot hàn, ... Đây chính là nguồn cung cấp chính các robot nội địa
cho sản xuất, hiện nay chƣa có một doanh nghiệp chế tạo cũng nhƣ lắp ráp robot cho
thị trƣờng trong nƣớc. Các nhóm nghiên cứu này không có trang bị cũng nhƣ đầu tƣ
bài bản, dài hơi cho sản xuất robot làm cho các sản phẩm này chỉ dừng ở mức nghiên
cứu hay đáp ứng yêu cầu trƣớc mắt.
Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc chế tạo robot ở Việt Nam là khả

năng chế tạo chính xác cơ khí. Do đó các thiết bị tự động sản xuất ra đều phải chấp
nhận độ sai số nhất định, đôi khi khá cao, thƣờng do độ rơ (backlash) cơ khí gây ra.
Do những lý do trên, đề tài này đề xuất một giải pháp nâng cao độ chính xác cơ
khí bằng giải thuật điều khiển dựa trên việc giảm tác động của độ rơ trong một hệ
truyền động cơ khí.
1.4. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Có thể giới thiệu một số nghiên cứu đã công bố nhƣ sau:
Mô hình tổng quát của độ rơ thƣờng đƣợc dùng để nghiên cứu điều khiển hệ
thống cơ khí có độ rơ nhƣ sau:

Hình 1.1. Mô hình độ rơ trong hệ thống hai khối lƣợng (two-mass
system)
: Moment, moment quán tính, vận tốc góc của trục động cơ.
: Độ cứng trục truyền, hệ số giảm chấn của trục truyền.
: Moment trƣớc thành phần có độ rơ.
: Góc rơ.


5
: Moment, moment quán tính, vận tốc góc của trục tải trọng.
Tùy thuộc vào hệ cơ khí xung quanh nơi xuất hiện độ rơ và môi trƣờng làm việc
của hệ truyền động, một số mô hình toán học cho độ rơ đƣợc giới thiệu.
a. Mô hình vùng chết (dead zone model):
Mô hình thƣờng đƣợc sử dụng trong điều khiển khử độ rơ, đƣợc sử dụng cho
phân tích và mô phỏng hệ thống trục biến dạng có độ rơ (elastic shaft with backlash)
[3, 4, 5, 6, 7]. Khi

:
(1.1)

Trong đó,

: góc xoắn,

: góc chuyển vị của trục.

đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

Hàm vùng chết

| |

{

(1.2)

b. Mô hình chính xác (exact model):
Khi tính đến giảm chấn của trục,

, moment trên trục cho bởi
(1.3)

̇ [7,8]. Trƣờng hợp này, định nghĩa góc

với

̇

(

̇

)

̇
{

(

|
̇

|

(1.4)

)

c. Mô hình hàm mô tả (describing function model):
Mô hình hàm mô tả thƣờng đƣợc dùng trong nghiên cứu điều khiển phi tuyến.
Hàm mô tả đƣợc giới thiệu trong [12]. Brandenburg [13, 14, 15] dùng khái niệm
moment ngõ ra sau backlash,

, đƣợc xác định nhƣ sau:


6
+ Tính dual-input describing function (DIDF), với hàm sin wave input
đƣợc cho bởi:
(1.5)

: hằng số offset
+ Tính moment ngõ ra bằng các xấp xĩ:
̇ )

(

(1.6)

Từ đó suy ra:
(1.7)
Và
+ Với

.
là một biến độc lập, hàm

có dạng:
(1.8)

d. Mô hình độ trễ (hysteresis model):
Độ trễ liên hệ với góc quay ngõ ra,

, và góc ngõ vào,

với giả thiết trục

không biến dạng:
̇
̇

{
̇

̇

(1.9)
̇

Dựa trên các mô hình độ rơ đã liệt kê trên, các hƣớng điều khiển khử rơ đƣợc kể
đến nhƣ sau:
 Điều khiển vận tốc hệ truyền động xét đến biến dạng trục và độ rơ (speed
control of elastic systems with internal backlash).
 Điều khiển vị trí hệ truyền động xét đến biến dạng trục và độ rơ (position
control of elastic systems with internal backlash).
 Điều khiển hệ truyền động xét đến độ rơ tại ngõ vào và độ rơ tại ngõ ra
(control of systems with backlash at the plant input or output).
Từ các nghiên cứu đã công bố, trên thực tế, hai hƣớng khử rơ đƣợc quan tâm đến
trong bài toán điều khiển trên thực tế công nghiệp:


7
 Tác động nhanh tại khu vực xuất hiện độ rơ (strong action in the backlash gap)
[8, 9, 10]. Ý tƣởng chính của điều khiển là tăng tốc đáp ứng khoảng cách hở do
độ rơ tạo ra. Phƣơng pháp này bao gồm inverse compensation và preload
 Tác động chậm tại khu vực xuất hiện độ rơ (weak action in the backlash
gap)[10]. Các thí nghiệm trong [11] chứng tỏ điều khiển tác động nhanh tại khu
vực xuất hiện độ rơ không cho kết quả tốt và đề xuất tác động chậm tại khu vực
xuất hiện độ rơ trong vấn đề điều khiển khử độ rơ.
Từ các kết quả khảo sát cho đến hiện tại, có thể kết luận vấn đề điều khiển khử rơ
chƣa thật sự đƣợc giải quyết trọn vẹn.

1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho các hệ truyền động cơ khí /
Trƣờng Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM; Nguyễn Duy Anh. – 2013.
Luận văn tốt nghiệp Phùng Vũ Lâm – PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Luận văn đề xuất một phƣơng án khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Trong đó,
 Bộ điều khiển dựa trên cơ sở mô hình toán học của rơ, rơ ngƣợc và bộ điều
khiển thích nghi theo hàm mẫu.
 Bộ điều khiển này có thể áp dụng cho nhiều loại hệ truyền động cơ khí khác
nhau và giải quyết hai loại chuyển động nhiều nhất trong thực tế là hệ chuyển
động tuyến tính và chuyển động quay.
Nội dung nghiên cứu:
 Phân tích mô hình rơ, và truyền động cơ khí để tìm ra bộ điều khiển khả thi cho
hệ thống.
 Cơ sở lý thuyết và thiết kế giải thuật nhận dạng độ rơ, bộ điều khiển thích nghi
 Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi để giảm độ rơ cơ khí trên MatLab
Bộ điều khiển có thể đƣợc thêm vào các giải thuật điều khiển vị trí và vận tốc của
các cấu điều khiển nhằm tăng chất lƣợng điều khiển. Đề tài có tính học thuật cao, có
khả năng áp dụng vào các hệ thống truyền động cơ khí để nâng cao độ chính xác, đặc
biệt là các máy móc đã qua sử dụng.


8


9

Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ
THI CHO HỆ THỐNG
2.1. Phân tích thiết kế bộ điều khiển

Đề tài hƣớng tới việc xây dựng các giải thuật có thể áp dụng đa dạng cho các
thiết bị điều khiển thông dụng, đặc biệt là trong môi trƣờng máy gia công cơ khí ở Việt
Nam. Bộ điều khiển và phần cứng lắp đặt thêm phải hạn chế can thiệp vào kết cấu của
hệ thống sẵn có.
Các giả thiết và yêu cầu đặt ra:
 Hành trình gia công yêu cầu đƣợc xác định trƣớc khi bắt đầu điều khiển.
 Độ rơ tại các khâu khác nhau của hệ thống có thể tổng hợp thành một hàm rơ
duy nhất về mặt toán học.
Kế thừa các kết quả nghiên cứu của Gang Tao và Kokotovic, đề tài đƣa ra
phƣơng án điều khiển nhƣ sau:
Phƣơng án đƣợc đƣa ra là vận dụng mô hình hàm rơ (Backlash) và hàm rơ ngƣợc
(Backlash Inverse) theo [16] để khử rơ. Sau khi khử rơ, vẫn còn các sai số do việc khử
rơ không hoàn toàn, sai số do nhiễu hệ thống. Tất cả các sai số này đƣợc xử lý bằng
cách sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo hàm mẫu. Trong đó hàm mẫu là hàm
truyền ổn định nhất, đƣợc tổng hợp và xây dựng sau khi nhận diện hệ thống hàm tổng
sau khi khử rơ.

Hình 2.1. Mô hình giải thuật điều khiển của đề tài


10
2.1.1. Hàm rơ, hàm rơ ngƣợc và phƣơng pháp xác định hàm rơ
a) Hàm rơ:
Trong lĩnh vực cơ khí, Backlash-rơ cơ khí là khoảng hở hay sự mất mát chuyển
động gây ra bởi khe hở giữa hai chi tiết trong cơ cấu truyền động. Thông thƣờng, rơ
đƣợc định nghĩa là khoảng dịch chuyển lớn nhất một chi tiết chuyển động đƣợc mà
không kéo theo cơ cấu liên quan. Ví dụ, trong cơ cấu truyền động bánh răng, rơ là độ
hở giữa cặp răng tƣơng tác. Rơ có thể đƣợc nhận thấy khi chiều chuyển động của cơ
cấu bị đảo ngƣợc, sự mất mát chuyển động xuất hiện trƣớc khi cơ cấu hoạt động bình
thƣờng theo chiều chuyển động ngƣợc lại.

Tùy vào ứng dụng của cơ cấu, độ rơ xuất hiện có thể do thiết kế trƣớc hoặc
không. Độ rơ là yếu tố không thể tránh đƣợc trong một cơ cấu truyền động có đảo
chiều. Độ rơ có thể gây tác động tích cực hay tiêu cực. Trong nhiều ứng dụng, độ rơ có
thể bỏ qua hoặc đƣợc chấp nhận để hạn chế nhiễu. Độ rơ đƣợc chấp nhận do nó hỗ trợ
cho việc bôi trơn, xử lý sai số gia công, độ lệch thiếu tải và giãn nở nhiệt.
Trong khuôn khổ đề tài, độ rơ đƣợc tìm hiểu là độ rơ không xác định trƣớc, có
tác động tiêu cực đến độ chính xác của kết cấu cơ khí và của hệ thống điều khiển.
Theo kết quả của [16], hàm rơ (Backlash function) (ký hiệu là

) có thể đƣợc

biểu diễn bằng hệ phƣơng trình sau:
̇

{

̇

̇
̇

Trong đó:
: Đáp ứng đầu ra.
: Tín hiệu đầu vào.
: Cận phải.
: Cận trái.
: Độ dốc.

(2.1)

11

Hình 2.2. Đồ thị và ví dụ minh họa về hàm rơ
b) Hàm rơ ngược:
Tác dụng nghiêm trọng nhất của hàm rơ trọng một hệ thống là gây ra độ trễ về
thời gian và độ hao hụt về quỹ đạo đáp ứng tại các vị trí đảo chiều, khi điểm hoạt động
rơi vào các đƣờng ngang trong đồ thị của hình 2.2. Ý tƣởng của Gang Tao và
Kokotovic trong [16] là đƣa ra một hàm rơ ngƣợc để loại bỏ tác động này. Hàm rơ
ngƣợc (Backlash Inverse) (ký hiệu là

) thỏa mãn điều kiện

, và

đƣợc biểu diễn theo hệ phƣơng trình sau:
̇
̇
̇
̇
̇

(2.2)
̇
̇

{
Trong đó:

: Hàm xung Diract.

: Tín hiệu đầu vào.
: Đáp ứng đầu ra.
: Cận phải.
: Cận trái.
: Độ dốc.


12
v
1

/m

cr

0

ud
cl

1

/m

Hình 2.3. Đồ thị hàm rơ ngƣợc
Mô hình của Gang Tao và Kokotovic là một mô hình rơ lý tƣởng. Trong thực tế,
không tồn tại một phƣơng án khử rơ theo hàm khử rơ ngƣợc lý tƣởng. Nguyên nhân vì
tốc độ dốc tại các vị trí đảo chiều của hàm Backlash Inverse không thể đạt giá trị
nhƣ lý thuyết, mà phụ thuộc vào tốc độ di chuyển tối đa của bàn máy. Do đó, hàm
BI(.) trong thực tế đƣợc hiệu chỉnh nhƣ sau:

v
1

cr

d

0
d
1

/m

ud
cl

/m

Hình 2.4. Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh
c) Nhận dạng thông số hàm rơ:
Mô hình hàm rơ đƣợc Gang Tao đƣa ra ở [16] là mô hình lý tƣởng của hàm rơ.
Tuy nhiên, theo tổng hợp của Jozef Vörös trong [17], các hàm rơ vi mô của hệ truyền
động lại phức tạp hơn, và ảnh hƣởng của các hàm rơ này xuất hiện không chỉ khi hệ
truyền động đảo chiều, mà ngay cả khi có sự thay đổi tốc độ truyền động. Để xác định


13
đƣợc thông số của các hàm rơ này đòi hỏi một số giải thuật phức tạp. Một số phƣơng
pháp nhận dạng hàm rơ vi mô tiêu biểu đƣợc giới thiệu sau đây:
 Hệ thống đƣợc xem là gần nhƣ tuyến tính và có thể tách lớp. Qua đó, áp dụng

kỹ thuật phân tách hệ thống thành một hệ thống tuyến tính động và một hệ thống
phi tuyến động. Cuối cùng, áp dụng phƣơng pháp lặp để ƣớc lƣợng thông số của
hệ tách lớp này. [17]
 Chứng minh mối liên hệ tuyến tính giữa độ nảy tiêu chuẩn (standard bounce)
và thông số độ rơ. Sử dụng một motor phát động để cho hệ thống đi theo những
quỹ đạo đặc biệt. Bằng cách quan sát sự thay đổi của độ nảy tiêu chuẩn, có thể
xác định đƣợc thông số của độ rơ một cách tƣơng đƣơng và chính xác [17].
Trong phạm vi của đề tài, độ rơ đƣợc xét đến là hàm rơ của toàn bộ hệ thống
truyền động, có biên độ và ảnh hƣởng lớn hơn nhiều so với nhiễu hệ thống. Hàm rơ
này đƣợc xem là lý tƣởng và cố định trong hệ thống, do đó, đề tài giới thiệu một
phƣơng pháp đơn giản hơn để xác định thông số của hàm rơ này: Chạy rà hệ thống
theo quỹ đạo tam giác và xác định thông số độ rơ bằng phƣơng pháp hình học.
Ƣu điểm của việc đo thông số rơ bằng phƣơng pháp hình học là cách thức thực
hiện đơn giản, có thể quy đổi thành câu lệnh tự động và tốn ít tài nguyên điều khiển,
không cần biết trƣớc thông số hàm truyền hệ thống. Hạn chế của phƣơng pháp hình
học là chỉ có thể đo đƣợc độ rơ có biên độ lớn so với biên độ của nhiễu hệ thống,
thông số đo đƣợc chỉ áp dụng đƣợc cho công thức của hàm rơ thuần (Pure Backlash)
theo [16].
2.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển
Mô hình cơ bản của hệ truyền động cơ khí đang khảo sát đƣợc thể hiện nhƣ sau:
φ

Hộp đen
G(.)

x

Hình 2.5. Mô hình cơ bản của hệ thống
Trong đó

là vị trí cần điều khiển,

là góc quay của động cơ phát động.

là

hàm truyền của hệ thống. Thông thƣờng, nhà sản xuất đã tính toán, lƣờng trƣớc sai số,
nhiễu nội và nhiễu ngoại có thể tác động lên hệ thống. Do đó hàm truyền

có thể