Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền 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 (399.68 KB, 27 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
NGUYỄN MINH HẢI
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số
:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1
Chuyên ngành tự động hóa
MỤC LỤC
Trang bìa phụ .............................................................................................................
Lời cam đoan ..............................................................................................................
Mục lục .......................................................................................................................
Danh mục các bảng ....................................................................................................
Danh mục các hình vẽ và đồ thị .................................................................................
Nội dung
Trang
Mở đầu
9
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHỚP
11
NỐI MỀM
1.1 Giới thiệu
11
1.2 Khái niệm khớp nối và khớp nối mềm trong truyền động
12
1.2.1. Khớp nối
12
1.2.2. Khớp nối mềm
13
1.3 Phân loại và đặc điểm một số loại khớp nối
15
1.3.1. Khớp nối kiểu đai truyền
15
1.3.2. Khớp nối kiểu xích
15
1.3.3. Khớp nối kiểu bánh răng ăn khớp
15
1.4 Độ cứng của các khớp nối
16
1.4.1 Độ cứng của trục làm việc khi bị xoắn
16
1.4.2 Độ cứng của thanh làm việc khi kéo và nén
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
2
Chuyên ngành tự động hóa
1.4.3 Độ cứng của mối nối ren
17
1.4.4 Độ cứng của truyền động bánh răng
17
1.4.5 Độ cứng của nối then và chêm
18
1.4.6 Độ cứng của truyền động đai da và truyền động xích
19
1.5 Hiện tượng cộng hưởng cơ học trong truyền động khớp nối mềm
19
1.6 Các giải pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học
24
1.6.1 Các giải pháp cơ học khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học
24
1.6.2 Các giải pháp điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học
25
1.7 Kết luận chương 1
25
Chƣơng 2: GIẢI PHÁP VỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN
ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
27
2.1. Mô tả toán học của hệ truyền động khớp nối mềm
27
2.1.1. Mô tả toán học hệ truyền động khớp nối mềm
27
2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối mềm
32
2.1.3 Ảnh hưởng của KS đến cộng hưởng cơ học
34
2.1.4 Ảnh hưởng của bS đến cộng hưởng cơ học
36
2.1.5 Ảnh hưởng của tỷ số giữa mômen quán tính tải và mômen quán
tính động cơ
37
2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động nối khớp mềm
38
2.3 Các giải pháp về mặt điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng
38
2.3.1 Bộ điều khiển PI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
39
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
3
Chuyên ngành tự động hóa
2.3.2 Lọc thông thấp
40
2.3.3 Lọc dải hẹp
41
2.3.4 Lọc trùng phương
41
2.3.5 Hệ phản hồi mômen xoắn
44
2.3.5.1 Phương pháp phản hồi mômen xoắn kết hợp với bộ lọc thông
cao
2.3.5.2 Phương pháp phản hồi vi phân mômen xoắn
2.3.6 Phương pháp dùng các bộ điều khiển biến thể của PID
2.3.7 Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trạng
thái
2.4 Kết luận chương 2
45
47
48
52
57
Chƣơng 3: PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU
KHIỂN PHI TUYẾN THÍCH NGHI BỀN VỮNG HỆ TRUYỀN
59
ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM
3.1 Điều khiển thích nghi phi tuyến bằng phản hồi trạng thái
59
3.1.1 Đặt bài toán
59
3.1.2 Điều khiển thích nghi hệ tam giác
60
3.2 Điều khiển thích nghi bền vững cho hệ tam giác dùng trạng thái tham
khảo
64
3.2.1 Đặt bài toán và cơ sở toán học
64
3.2.2 Quá trình tổng hợp
65
3.3 Áp dụng vào điều khiển thích nghi hệ khớp nối mềm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
70
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
4
Chuyên ngành tự động hóa
3.3.1 Mô hình toán học của khớp mêm
71
3.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ truyền động
khớp mềm với đầu ra là tốc độ của trục tải
72
3.3.2.1 Đặt vấn đề
72
3.3.2.2 Quá trình tổng hợp
72
3.3.2.3 Mô phỏng
77
3.3.3. Điều khiển phi tuyến thích nghi và bền vững hệ truyền động khớp
nối mềm với đầu ra là góc quay của trục tải
79
3.3.3.1 Đặt vấn đề
79
3.3.3.2 Mô tả toán học
79
3.3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững
80
3.3.3.4 Mô phỏng
84
3.4 Kết luận chương 3
85
KẾT LUẬN
86
Tài liệu tham khảo
87
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
5
Chuyên ngành tự động hóa
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU
Nội dung
Trang
Hình 1.1. Khớp nối
12
Hình 1.2. Mô tả khớp mềm
14
Hình 1.3. Các sai lệch của khớp nối
14
Hình 1.4. Chi tiết trục
16
Hình 1.5. Mối nối ren
17
Hình 1.6. Truyền động bánh răng
18
Hình 1.7. Nối then
18
Hình 1.8. Truyền động đai
19
Hình 1.9. Sơ đồ thay thế khớp nối
20
Hình 1.10. Mô hình thay thế hệ khớp nối mềm
21
Hình 1.11. Mô hình toán học của khớp mềm
21
Hình 1.12. Đặc tuyến biên- pha hệ đối tượng khớp mềm
23
Hình 2.1. Hệ truyền động khớp nối mềm
27
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động khớp nối mềm
30
Hình 2.3. Mô tả toán học đối tượng khớp mềm
33
Hình 2.4. Đặc tính biên- pha khi KS thay đổi
35
Hình 2.5. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi KS
35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
6
Chuyên ngành tự động hóa
Hình 2.6. Ảnh hưởng của bS đến hiện tượng cộng hưởng cơ học
36
Hình 2.7. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi hệ số cản bS.
37
Hình 2.8. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi tỷ lệ k= JL/JM
37
Hình 2.9. Cấu trúc điều khiển thông thường cho khớp mềm
38
Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển khớp mềm dùng bộ điều khiển PI thông
thường
Hình 2.11. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ PI thông
thường
39
40
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển khớp mềm dùng bộ lọc
41
Hình 2.13. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải dùng bộ lọc thông thấp
41
Hình 2.14. Đáp ứng quá độ khi dùng bộ lọc dải hẹp
42
Hình 2.15. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ loc bi-quad.
43
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ quan sát mô men xoắn
44
Hình 2.17. Sơ đồ hệ điều khiển phản hồi mô men xoắn ước lượng
45
Hình 2.18. Điều khiển tốc độ khớp mềm sử dụng bộ quan sát mômem xoắn
TS kết hợp với bộ lọc thông cao
Hình 2.19. Đáp ứng quá độ tốc độ tải và động cơ khi sử dụng bộ điều
khiển P kết hợp với phản hồi mômen xoắn
46
46
Hình 2.20. Hệ điều khiển phản hồi vi phân mômen xoắn
47
Hình 2.21. Đáp ứng tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển phản hồi đạo
48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
7
Chuyên ngành tự động hóa
hàm mômen xoắn
Hình 2.22. Bộ điều khiển I_P
48
Hình 2.23. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_P
49
Hình 2. 24. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải sử dụng bộ điều khiển I_P
50
Hình 2.25. Bộ điều khiển I_PD
51
Hình 2.26. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_PD
51
Hình 2.27.
Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ điều
khiển I_PD
Hình 2.28. Nguyên lý bộ lọc Luenberger ước lượng trạng thái
Hình 2.29. Hệ thống điều khiển khớp mềm dùng bộ quan sát trạng thái
Luenberger
Hình 2.30. Sơ đồ bộ quan sát Luenberger cho hệ thống khớp mềm
Hình 2.31. Đặc tính tốc độ động cơ và tải hệ thống khớp mềm dùng bộ
điều chỉnh phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luenberger
Hình 2.32. Sơ đồ hệ truyền động khớp nối mềm dùng bộ quan sát
Kalman
53
54
55
55
56
57
Hình 3.1. Tốc độ tải
78
Hình 3.2. Góc xoắn
78
Hình 3.3. Tốc độ tải, động cơ, TM
84
Hình 3.4. Vị trí trục tải
84
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
8
Chuyên ngành tự động hóa
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
9
Chuyên ngành tự động hóa
MỞ ĐẦU
Trong quá trình phát triển đất nước thì công nghiệp hóa và hiện đại hóa là
một hướng ưu tiên. Vì thế đã có rất nhiều dây chuyền công nghiệp được chế tạo và
mua mới trong số đó có hệ truyền động. Trước đây, với các hệ truyền động chất
lượng thấp, độ chính xác không cao thì người ta xem như hệ truyền động là cứng
tuyệt đối và bỏ qua tính mềm của khớp nối. Tuy nhiên đối với các hệ truyền động
yêu cầu độ chính xác cao, chất lượng tốt phải tính đến ảnh hưởng của tính mềm
của khớp nối đối với hệ truyền động từ đó đưa ra các giải pháp xử lý. Có rất nhiều
giải pháp khắc phục được đưa ra. Bên cạch các giải pháp cơ học còn có các giải
pháp điều khiển. 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, điều khiển phản hồi trạng thái
... Mỗi giải pháp có các ưu nhược điểm riêng nhưng nhìn chung không giải quyết
triệt để các yêu cầu chất lượng đặt ra. Nếu chọn giải pháp điều khiển phản hồi
trạng thái thì số lượng các sensor đo lường lớn, chủng loại nhiều, khó khăn trong
việc vận hành và bảo dưỡng vì thế giá thành sản phẩm sẽ cao điều này sẽ giảm sức
cạnh trạnh của sản phẩm trên thị trường. Bên cạnh đó, không phải tín hiệu nào
cũng đo được bằng cảm biến mà có những tín hiệu không thể đo bằng cảm biến.
Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống cần điều khiển là các hệ phi tuyến có chứa
các tham số không biết trước và các phần tử phi tuyến. Vì thế để giải quyết vấn đề
trên tôi dùng bộ điều khiển phi tuyến. Đó là lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ truyền động khớp nối mềm” để nghiên
cứu.
Luận văn được chia thành 3 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: Phát triển lý thuyết và tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến thích
nghi bền vững hệ truyền động khớp nối mềm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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....
