Thiết kế đồng bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát LUENBERGER cho hệ tuyền động khớp nối mềm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (301.45 KB, 27 trang )
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
*****
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI
DÙNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ
TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
Học viên
: Đặng Nguyên Bình
Lớp
: Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH :TS. Bùi Chính Minh
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
HỌC VIÊN
TS. Bùi Chính Minh
Đặng Nguyên Bình
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tổng hợp của cá nhân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Chính Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã
được liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình
thức nào. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Người cam đoan
Đặng Nguyên Bình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU........................................ 7
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 11
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI
MỀM ........................................................................................................................... 13
1.1. Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm ................................................................. 13
1.1.1. Khớp nối ................................................................................................... 13
1.1.2. Khớp nối mềm .......................................................................................... 13
1.2. Đặc điểm của một số loại khớp nối .................................................................... 14
1.2.1. Khớp nối kiểu đai truyền ........................................................................... 14
1.2.2. Khớp nối kiểu xích ................................................................................... 14
1.2.3. Khớp nối kiểu bánh răng ăn khớp ............................................................ 15
1.3. Độ cứng của các khớp nối .................................................................................... 15
1.3.1. Độ cứng của của trục làm việc khi bị xoắn............................................... 15
1.3.2. Độ cứng của thanh làm việc khi kéo và nén ............................................ 16
1.3.3. Độ cứng của mối nối ren........................................................................... 16
1.3.4. Độ cứng của truyền động bánh răng ......................................................... 17
1.3.5. Độ cứng của nối then và chêm.................................................................. 17
1.3.6. Độ cứng của truyền động đai da và truyền động xích .............................. 18
1.4. Hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống truyền động khớp nối mềm .................. 18
1.5. Các giải pháp về mặt cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng......................... 21
1.5.1. Tăng độ cứng các bộ phận nối từ động cơ đến tải .................................... 21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
1.5.2. Thay đổi tỷ lệ quán tính giữa tải và động cơ ............................................ 23
1.6. Kết luận chương 1 ................................................................................................ 24
Chƣơng 2: GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG
KHỚP NỐI MỀM ..................................................................................................... 25
2.1. Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm .............................................. 25
2.2. Bộ điều khiển PID ................................................................................................ 31
2.3. Sử dụng bộ lọc ...................................................................................................... 32
2.3.1. Bộ lọc thông thấp ...................................................................................... 32
2.3.2. Bộ lọc dải hẹp ........................................................................................... 33
2.3.3. Bộ lọc bậc hai ........................................................................................... 34
2.4. Điều khiển PI kết hợp phản hồi mômen xoắn ...................................................... 34
2.5. Phương pháp dùng các biến thể của PID ............................................................. 38
2.5.1. Bộ điều khiển I-P ...................................................................................... 38
2.5.2. Bộ điều khiển I-PD ................................................................................... 39
2.6. Hệ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát ....................................... 40
2.7. Kết luận chương 2 ................................................................................................ 41
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI DÙNG
BỘ QUAN SÁT LUENBERGER CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI
MỀM ........................................................................................................................... 42
3.1. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực .......... 42
3.1.1. Điều khiển hồi tiếp trạng thái ................................................................. 42
3.1.2. Phương pháp áp đặt cực cho hệ điều khiển hồi tiếp trạng thái .............. 45
3.1.3. Các chuẩn tối ưu hoá đáp ứng quá độ .................................................... 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
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 ....................................................................... 53
3.2. Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp áp đặt cực dùng bộ
quan sát Luenberger .................................................................................................... 60
3.2.1. Bộ quan sát Luenberger ......................................................................... 60
3.2.2. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger ......... 62
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 ................................................................................................ 64
3.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm và kết quả mô phỏng: ............. 66
3.3.1. Mô hình hóa hệ thống điều khiển khớp nối mềm .................................. 66
3.3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 69
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 76
Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THÍ NGHIỆM THỰC TRÊN MÔ HÌNH
TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM PP400 .......................................................... 77
4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 ..................................................................................... 77
4.2. Card NI6014 ........................................................................................................ 79
4.2.1. Đầu vào tương tự(AI) ............................................................................. 81
4.2.2. Đầu ra tương tự (AO) ............................................................................. 82
4.2.3. Cổng vào ra số (DIO) ............................................................................. 82
4.2.4. Counter ................................................................................................... 83
4.2.5. Các đầu vào ra chức năng khả trình (Programmable Function
Interface-PFI) .............................................................................................................. 83
4.3. Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển ................................................................ 84
4.3.1. Thiết kế mạch lực ................................................................................... 84
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển ....................................................................... 87
4.4. Sơ đồ tổng thể của thiết bị thí nghiệm ................................................................. 89
4.5. Các sơ đồ Simulink của hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp
nối mềm PP400 ........................................................................................................... 90
4.6. Kết luận chương 4 ................................................................................................ 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 93
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU
NỘI DUNG
TRANG
Hình 1.1. Các sai lệch của khớp nối
13
Hình 1.2. Chi tiết trục
15
Hình 1.3. Mối nối ren
16
Hình 1.4. Truyền động bánh răng
17
Hình 1.5. Nối then
17
Hình 1.6. Truyền động đai
18
Hình 1.7. Mô tả tính kém cứng của khớp mềm
19
Hình 1.8. Khớp nối mềm giữa động cơ và tải
20
Hình 1.9. Sơ đồ khối của hệ truyền động khớp nối mềm
21
Hình 1.10. Đặc tính tần số_ biên pha của hệ đối tượng
22
khớp nối mềm khi K=1,2 và K=1,97
Hình 1.11. Ảnh hưởng của tỷ số JL/JM đến hiện tượng cộng hưởng cơ học
23
Hình 2.1. Hệ truyền động khớp nối mềm
25
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm
28
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm khi bỏ qua bS
31
Hình 2.4. Bộ điều khiển PI áp dụng cho hệ truyền động khớp nối mềm
31
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có sử
32
dụng bộ lọc thông thấp kết hợp với khâu PI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm có sử
33
dụng bộ lọc dải hẹp kết hợp với khâu PI
Hình 2.7. Bộ quan sát mô men xoắn.
35
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống điều khiển PI kết hợp với phản hồi mô men
36
xoắn.
Hình 2.9. Đặc tính tốc độ động cơ và tải khi sử dụng bộ điều khiển PI có kết
37
hợp với phản hồi momen xoắn cho hệ truyền động khớp nối mềm
Hình 2.10. Bộ điều khiển I-P cho hệ truyền động khớp nối mềm
38
Hình 2.11. Bộ điều khiển I-PD cho hệ truyền động khớp nối mềm.
39
Hình 2.12. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger
40
cho hệ truyền động khớp nối mềm
Hình 2.13. Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ lọc Kalman cho hệ
41
truyền động khớp nối mềm
Hình 3.1. Sơ đồ điều khiển phản hồi trạng thái.
42
Hình 3.2. Minh họa cho việc trình bày công thức Mason
48
Hình 3.3. Sự phân chia các vùng cực trong mặt phẳng phức.
50
Hình 3.4. Vùng điểm cực trội và điểm cực không quan trọng trong mặt phẳng
51
s
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp nối mềm khi bỏ qua bs
53
Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển phản hồi trạng thái áp đặt cực cho hệ
56
truyền động khớp nối mềm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc của bộ quan sát Luenberger
61
Hình 3.8. Hệ thống phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát Luenberger
62
Hình 3.9. Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát
65
Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm
Hình 3.10. Mô hình hóa động cơ-khớp nối mềm-tải
66
Hình 3.11. Mô hình hóa bộ quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối
66
mềm
Hình 3.12. Mô hình hóa khâu phản hồi momen xoắn trục động cơ
67
Hình 3.13. Mô hình hóa bộ quan sát momen xoắn trục động cơ
67
Hình 3.14. Mô hình hóa bộ lọc thông thấp
67
Hình 3.15. Mô hình hóa bộ điều khiển PI
68
Hình 3.16. Mô hình hóa hệ thống điều khiển PI cho hệ truyền động khớp nối
68
mềm
Hình 3.17. Mô hình hóa hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ
68
quan sát Luenberger cho hệ truyền động khớp nối mềm
Hình 3.18. So sánh tốc độ tải và tốc độ động cơ của hệ khớp nối mềm khi sử
70
dụng bộ điều khiển PI kết hợp với bộ phản hồi momen xoắn
Hình 3.19. So sánh tốc độ động cơ thực và tốc độ động cơ quan sát được
72
Hình 3.20. So sánh tốc độ tải thực và tốc độ tải quan sát được
72
Hình 3.21. So sánh momen xoắn trên trục động cơ thực và momen xoắn trên
73
trục động cơ quan sát được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
Hình 3.22. So sánh tốc độ tải và tốc độ động cơ ứng với bộ điều khiển phản
74
hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Hình 3.23. So sánh tốc độ tải khi dùng bộ điều khiển PI và bộ điều khiển
75
phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Hình 4.1. Hệ truyền động PP400
77
Hình 4.2. Sơ đồ khối các phần tử trong Card NI6014
80
Hình 4.3. Dạng của một counter
83
Hình 4.4. Sơ đồ mạch cầu băm xung áp một chiều
84
Hình 4.5. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung đối xứng
85
Hình 4.6. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung không đối xứng
85
(T4 luôn mở và T3 luôn khoá)
Hình 4.7. Sơ đồ một cầu van của vi mạch L298
86
Hình 4.8. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đóng mở các van bán dẫn
87
Hình 4.9. Mạch logic tạo xung đóng mở van
88
Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển hệ truyền động khớp
89
nối mềm
Hình 4.11. Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 bằng thuật
90
toán điều khiển PI
Hình 4.12. Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm PP400 bằng thuật
91
toán điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Bảng 3.1. Dạng tối ưu của hàm truyền mạch kín dựa trên tiêu chuẩn ITAE
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
52
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
