Hai giải pháp nâng cao hiệu quả chất lượng hệ truyền động có khe hở

52(4): 34 - 37

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

4 - 2009

HAI GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
Lại Khắc Lãi (Đại học Thái Nguyên),
Lê Thị Thu Hà – (Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên)

Tóm tắt
Hệ truyền động có khe hở là một hệ cơ - điện tử có tính phi tuyến mạnh và đang được sử dụng rất rộng rãi
trong thực tế. Khi khe hở xuất hiện sẽ làm sai lệch truyền động, làm giảm độ bền của hệ thống, phát ra tiếng
ồn, gây rung động và hiệu suất của hệ thống bị thay đổi. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp nhằm
nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở, đó là giải pháp dùng bộ điều khiển mờ và giải pháp dùng bộ
điều khiển thông minh.

I.Mở đầu
Hệ truyền động có khe hở (TĐCKH) là một hệ
truyền động phi tuyến được sử dụng rất rộng rãi
trong thực tế như các truyền động bánh răng,
truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít
- đai ốc, truyền động trục vít - bánh vít, vv…
Trong các hệ thống truyền động trên, giữa bộ phận
chủ động và bộ phân bị động luôn tồn tại một khe
hở, làm sai lệch truyền động, giảm độ chính xác
đối với các hệ điều khiển vị trí, khe hở có thể làm
giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí, phát ra tiếng
ồn, gây rung động, sự ổn định và hiệu suất của hệ
thống bị thay đổi.
Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các

hệ điều khiển truyền động có khe hở là yêu cầu
quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác
nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng
sản phẩm. Trước đây, để hạn chế ảnh hưởng của
khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động người
ta thường chỉ quan tâm đến các biện pháp cơ khí
như tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay đổi biên dạng
bánh răng… Trong mấy năm gần đây, các nhà
khoa học bắt đầu quan tâm đến các giải pháp về
điện trên quan điểm phối hợp điều khiển giữa bộ
phận chủ động và bộ phân bị động trong hệ thống
nhằm giảm ảnh hưởng xấu của khe hở đối với hệ
thống. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về vấn
đề này và đã đạt được một số thành quả đáng kể.
Song ở Việt Nam vấn đề này còn rất mới mẻ, gần
đây mới xuất hiện một vài nghiên cứu về hệ nối
khớp mềm.
Trong [1] đã chỉ ra những nhược điểm của hệ
thống truyền động có khe hở khi sử dụng các bộ
điều khiển kinh điển theo các qui luật tỉ lệ (hình 1)
và theo qui luật PID (hình 2). Ta thấy rằng, khi sử
dụng các bộ điều khiển kinh điển chất lượng động
của hệ thống còn rất kém và luôn tồn tại dao động
do tính phi tuyến của ke hở gây nên. Để khắc phục
nhược điểm đó, chúng tôi đề xuất hai phương pháp

mới là sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển
thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe
hở. các bộ điều khiển này phù hợp với các đối
tượng có tính phi tuyến mạnh do đó đã nâng cao

được chất lượng của hệ thống.
6
Khong co
data2
co khe ho

4

2

0

-2

-4

-6

-8

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Hình 1: Đặc tính động của hệ truyền động có
khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ [1]

1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5

0

2

4

6

8

10

12

Hình 2: Đặc tính động của hệ thống truyền

động có khe hở điều khiển theo luật PID [1]

II. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động có khe hở
Sơ đồ khối của hệ hệ truyền động có khe hở được
chỉ ra trên hình 3. Trong đó trục động cơ điện (trục
dẫn động) và trục của tải (trục bị dẫn) không nối
cứng với nhau mà được nối thông qua hệ thống
bánh răng, hoặc dây xích, hoặc dây đai, … Nói
cách khác là giữa trục dẫn và trục bị dẫn tồn tại
một khe hở. Do có khe hở nên mối liên hệ giữa vị

34


Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

52(4): 34 - 37

trí trục dẫn x và trục bị dẫn z không đơn trị. Mỗi vị
trí của x tương ứng với nhiều vị trí của z nằm trong
giới hạn từ k(x - xa) đến k(x + xa) tuỳ thuộc vào vị
trí cực đại hay cực tiểu của z trước đó:

x

k(x - xa)

z

k(x + xa)

Điều
- khiển

Động n Khe n'
Tải z
hở
cơ

WDC (s)

n(s)
U(s)

WDC (s)

0,80166
1 0, 0377s 0, 0013s 2

1
®Æt

Đặc tính của khâu khe hở được mô tả bởi biểu
thức (1) và sơ đồ cấu trúc của khe hở được biểu
diễn trên hình 4 [1]

khi x 0 ; v kx a
khi x 0 ; v kx a
khi x 0 ; - kx a v kx a
khi x 0 ; - kx a v kx a

kx

k
x

d

dt

K
TS+1

0,65
0,05S+1

(3)

Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển truyền động
có khe hở được chỉ ra trên hình 5.

Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động
có khe hở.

0

(2)

Tải là một khâu quán tính có hàm số truyền:

Đo lường

z

kD
1 Tms Tm Tes 2

1
1, 2474(1 0, 0377s 0, 0377.0, 0347s 2 )

WT (s) =

kx

4 - 2009

0.80166

den(s)
®iÒu khiÓn ®éng c¬

0.65
Khe hë

0.05s+1
T¶i

1
Ra

0.029

®o l-êng

(1)

Hình 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền
động có khe hở

z

 v
x,

PID

z

Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở.

Để dễ dàng so sánh chất lượng của hệ điều
khiển có khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ và
mờ thích nghi so với khi sử dụng bộ điều khiển
kinh điển, chúng tôi lấy các thông số của hệ truyền
động đã được đề cập khảo sát trong [1]. Trong đó
khối dẫn động là động cơ một chiều kích từ độc
lập có các thông số: Công suất P =1,5(kW), tốc độ
n = 1500(vòng/phút); điện áp định mức Uđm =
220(V), dòng điện định mức: Iđm = 8,7(A), điện trở
phần ứng: R = 2,776(Ω), điện cảm phần ứng: L =
0,0961(H), mô men quán tính: J = 0,085 (KGm2).
Hàm truyền đạt của động cơ có dạng:

III. Sử dụng điều khiển mờ và điều khiển thông
minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở
Trong phần này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp
nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền
động có khe hở, đó là dùng bộ điều khiển mờ và
bộ điều khiển thông minh được thiết kế trên cơ sở
của hệ mờ.
1. Bộ điều khiển mờ:
Bộ điều khiển mờ được thiết kế để điều khiển hệ
truyền động có khe hở là bộ điều khiển mờ theo qui
luật tỉ lệ tích phân (PI) có các thông số như sau:
Đầu vào thứ nhất có miền xác định trong
khoảng [-1 1] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm
liên thuộc hình tam giác; Đầu vào thứ 2 xác định
trong khoảng [-2 2] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có
hàm liên thuộc hình tam giác, hệ số tích phân chọn
bằng 5,6; Đầu ra xác định trong khoảng [-78 78]
được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm liên thuộc hình
tam giác; luật điều khiển theo qui luật tuyến tính
[2]; giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm.
Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ được chỉ ra
trên hình 6.

35


Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

52(4): 34 - 37

Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển
mờ được chỉ ra trên hình 7.

Hình 6: Quan
hệ vào-ra của
bộ điều khiển
mờ

4 - 2009

Trong đó: u là tín hiệu đặt; e là sai lệch giữa
đầu ra của hệ thống và tín hiệu đặt; là hằng số
nói lên tốc độ hội tụ của thuật toán thích nghi. Kết
quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển thông
minh được chỉ ra trên hình 9.
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

1
0.8

1

2
3

Thoi gian (s)

4

5

Hình 9: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi
sử dụng bộ điều khiển thông minh

0.6

Để tiện so sánh chất lượng của hệ thống khi sử
dụng các bộ điều khiển khác nhau, chúng tôi tiến
hành mô phỏng và vẽ các đặc tính động trên cùng
hệ trục tọa độ (hình 10). Hình 11 là các đặc tính
động của hệ truyền động có khe hở khi sử dụng 3
bộ điều khiển trong khoảng thời gian mô phỏng từ
3 giây đến 5 giây.

0.4
0.2
0

0

0

1

2

3
Thoi gian (s)

4

5

Hình 7: Đặc tính động của hệ truyền động có
khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ

2. Bộ điều khiển thông minh:
Bộ điều khiển thông minh để điều khiển hệ
truyền động có khe hở được xây dựng trên cơ sở
của hệ mờ có sơ đồ cấu trúc như hình 8. Trong đó
bộ điều khiển mờ cơ bản (ĐKM cơ bản) được thiết
kế tương tự như bộ điều khiển mờ đã trình bày ở
mục 4.1, chỉ khác ở chỗ miền xác định ở đầu ra
của bộ ĐKM cơ bản chỉ ở nằm trong khoảng [-3
3], hệ số khuếch đại đầu ra của bộ điều khiển mờ
được chỉnh định thích nghi theo qui luật [2]:

dK
dt

ue

(4)
62

1

1
s

1
0.8

PID kinh điển
Điều khiển mờ
Điều khiển thông minh

0.6
0.4
0.2
0

0

1

2
3
Thoi gian (s)

4

5

Hình 10: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi sử
dụng bộ điều khiển PID kinh điển, bộ điều khiển

mờ và bộ điều khiển thông minh
1.06
1.04
1.02

In1
2

1

1

In2

Out1
5

1
s

K
DKM co ban

1
0.98
0.96
3

Hình 8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ
thích nghi

3.5

4

4.5

5

Hình 11: Đặc tính động của hệ ĐKCKH khi sử
dụng 3 bộ điều khiển trong khảng thời gian mô
phỏng (3 - 5)s

36


52(4): 34 - 37

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

4 - 2009

5. Kết luận
Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng sự tồn
tại khe hở đã làm xấu đặc tính động của hệ thống
điều khiển tự động truyền động cơ điện. Bằng cách
sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông
minh, chất lượng của hệ thống TĐCKH đã được
nâng lên rõ rệt. nếu với bộ điều khiển PID kinh
điển hệ thống vẫn tồn tại dao động, ngay cả khi đã

xác lập thì với bộ điều khiển mờ, hệ thống đã hết
dao động sau 4 giây, còn với bộ điều thông minh,
hệ thống hết dao động chỉ sau 1 giây. Kết quả mô
phỏng cũng cho thấy tính khả thi của việc triển
khai ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại để nâng
cao chất lượng điều khiển các hệ thống thực.
Tài liệu tham khảo
[1].
Lê Thị Thu Hà, Lại Khắc Lãi, Lê Thị Nguyệt,
"Khảo sát chất lượng hệ truyền động có khe hở" Tạp
chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số
3 năm 2009, trang 124-130
[2].
Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông
minh để điều khiển đối tượng phi tuyến khó mô hình
hoá” Đề tài NCKH cấp bộ năm 2002; Mã số:
B2002.02.03.
[3].
OdaiM.and HoriY, Speed control of 2-inertia
system with gear backlash using gear torque
compensator’’ 1998.
[4].
NakayamaY,FujikawaK.and KobayashiH. A
torque control method of three-inertia torsional system
with backlash 2000.
[5].
LinC, YuT. and FengXu Fuzzy control of a
nonlinear pointing test bed with backlash and friction
1996:Kobe
[6].

SmithM.C.
Nonlinear
and
predictive
control:Describing
functions
2004.
DhaouadiR.,KuboK.and TobiseM. Analysis and
compensation of speed drive systems
[7].
R.M.R. Bruns, J.F.P.B. Diepstraten, X.G.P.
Schuurbiers,J.A.G. Wouters “Motion Control of
Systems with Backlash” DCT number: 2006.075,
August 29, 2006.

37


Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

52(4): 3 - 12

4 - 2009

Summary
Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash
Electric drive systems with backlash belong to a class of non-linear mechatronic systems, which find a number of
vital applications. Backlash can significantly reduce performance such as instability, and unwanted noise and
vibration. In this paper, we propose Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash: to use
a fuzzy control and to use a intelligent control.

38