Tiến Sĩ Một số giải pháp nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở trên cơ sở điều khiển thích nghi, bền

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NĂM 12013

Mục lục
Các ký hiệu được sử dụng vi
Bảng các ký hiệu viết tắt vii
Bảng danh mục các hình vẽ viii
PHẦN MỞ ĐẦU 1
Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ truyền động 1
Đặc điểm bài toán điều khiển hệ truyền động . 1
Các phương pháp điều khiển hiện có 2
Về tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài 13
Tính cấp thiết của đề tài 13
Mục tiêu nghiên cứu 15
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 16
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 17
Những đóng góp của luận án 17
Cấu trúc của luận án 18

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG PHI
TUYẾN 20
1.1 Giới thiệu chung 20
1.2 Các khái niệm mô tả 21
1.2.1 Khái niệm ổn định Lyapunov 21
1.2.2 Khái niệm ổn định ISS . 23
1.2.3 Tiêu chuẩn xét tính ổn định Lyapunov 24
1.3 Các phương pháp điều khiển phi tuyến 26
1.3.1 Điều khiển ổn định và phương pháp backstepping 27
1.3.2 Điều khiển ổn định thích nghi và nguyên tắc certainty equivalence . 29
1.3.3 Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 31
1.3.4 Điều khiển ổn định bền vững và phương pháp ISS-CLF 32
1.3.5 Điều khiển trượt . 34
1.4 Điều khiển thích nghi với hệ mờ và mạng neural 35
1.4.1 Xấp xỉ bằng hệ mờ . 35
1.4.2 Xấp xỉ bằng mạng neural . 37
1.4.3 Điều khiển mờ thích nghi 39
1.5 Kết luận .41

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 43
2.1 Hệ truyền động qua bánh răng 43
2.1.1 Giới thiệu chung 43
2.1.2 Một số yêu cầu về cơ khí đối với hệ truyền động bánh răng . 44
2.1.3 Biện pháp cơ học làm giảm sai số khi gia công bánh răng 45
2.2 Xây dựng mô hình toán tổng quát .47
2.2.1 Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng 48
2.2.2 Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ
đàn hồi và moment ma sát . 51
2.2.3 Mô hình toán ở chế độ khe hở (dead zone) . 53
2.2.4 Mô hình tổng quát 54
2.3 Mô tả hệ ở chế độ xác lập .54
2.3.1 Mô hình toán ở chế độ xác lập . 54
2.3.2 Mô phỏng trên MatLab 55
2.4 Kết luận .57

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ BỀN VỮNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
QUA BÁNH RĂNG 59
3.1 Điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu .59
3.1.1 Xây dựng cơ cấu bù theo nguyên tắc cân bằng với mô hình mẫu . 59
3.1.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho hệ đã được bù bất định 61
3.1.3 Kết quả mô phỏng trên MatLab . 64
3.2 Điều khiển thích nghi bền vững trong không gian trạng thái .65
3.2.1 Xây dựng bộ điều khiển bám thích nghi bền vững trên nền điều khiển trượt
và giả định rõ cho hệ phi tuyến truyền ngược chặt 65
3.2.2 Ứng dụng cho hệ truyền động qua bánh răng 71
3.2.3 Kết quả mô phỏng trên MatLab . 74
3.3 Điều khiển thích nghi bền vững với phản hồi tốc độ .79
3.3.1 Mô hình phản hồi tốc độ 79
3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững 79
3.3.3 Kết quả mô phỏng trên MatLab . 80
3.4 Kết luận .87

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH
RĂNG VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 89
4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 89
4.1.1 Máy tính Pentum IV - phần mềm Matlab 7.0.4 và phần mềm ControlDesk
Version 5.0 . 90
4.1.2 Card điều khiển DS1104 90
v
4.1.3 Driver Servo motor Midi-Maestro 140x14/28 . 92
4.1.4 Động cơ, khớp nối hai bánh răng và tải . 92
4.2 Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID .93
4.2.1 Hệ truyền động qua bánh răng khi chưa có bộ điều khiển 93
4.2.2 Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID kinh điển 95
4.2.3 Kết quả với bộ điều khiển PI mờ . 97
4.3 Kết quả thí nghiệm khi có thêm khâu chỉnh định thích nghi theo mô hình mẫu 99
4.4 Kết luận .101
Kết luận và những hướng nghiên cứu tiếp theo 102

PHẦN MỞ ĐẦU
Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ truyền động
Đặc điểm bài toán điều khiển hệ truyền động
Theo Meriam-Webster thì hệ truyền động được hiểu là một tập hợp các cơ cấu ghép nối cơ khí phục vụ biến đổi tốc độ, moment. Các hệ truyền động này có thể có nhiều dạng cấu trúc cơ học khác nhau, chẳng hạn như cơ cấu xích, khớp ly hợp, cơ cấu trục dẫn, cơ cấu bánh răng Hệ truyền động luôn tồn tại trong các hệ biến đổi và truyền tải năng lượng [ 53]. Hình 0.1 cho ta một cách nhìn trực quan về một số hệ truyền động qua trục hay bánh răng thường gặp. Hình 0.1a) là một hệ truyền động điện đơn giản gồm một động cơ phát công suất điện (động cơ tạo moment dẫn động), một trục truyền động dẫn công suất từ động cơ điện tới tải và một động cơ quay giữ vai trò của tải. Còn lại, ở hình 0.1b) là cơ cấu truyền động qua cặp bánh răng để truyền moment quay và thay đổi vận tốc góc quay.
Nhiệm vụ của bài toán điều khiển hệ truyền động là phải xác định được quy luật thay đổi moment dẫn động tạo ra từ động cơ dẫn động để hệ có được tốc độ góc của tải đầu ra luôn bám ổn định được theo một quỹ đạo đặt trước và điều này phải không
được phụ thuộc vào các tác động không mong muốn vào hệ.
Tất nhiên, để thực hiện được bài toán điều khiển trên, ta cần phải xây dựng được mô hình toán mô tả tính chất động lực học của hệ truyền động với đầy đủ những yếu tố kết cấu cơ khí, vật liệu của nó. Từ mô hình toán cụ thể của từng lớp hệ truyền động mà người ta mới có thể phân tích được, cũng như lựa chọn được phương pháp điều khiển thích hợp và tổng hợp được bộ điều khiển cho hệ truyền động đó. Song, nhìn nhận một cách tổng quát thì các bài toán điều khiển hệ truyền động đều có những đặc điểm
chung như sau:
ư Thứ nhất, hệ truyền động là một hệ phi tuyến, không tự sinh ra năng lượng (hệ thụ động). Nó luôn có thể mô tả được bằng mô hình Euler-Lagrange.
ư Thứ hai, hệ luôn chứa những thành phần rất khó xác định được một cách chính xác trong mô hình. Điển hình của các thành phần đó là các moment ma sát trên những trục truyền động, moment tải, độ không cứng vững tuyệt đối của vật liệu làm trục truyền động hoặc bánh răng và sự không chính xác trong chế tạo cơ khí hoặc sự mài mòn của vật liệu tạo ra các khe hở giữa những khớp truyền động khi
nối với nhau.
Nhìn chung, nhiệm vụ điều khiển bám ổn định vận tốc hay quỹ đạo góc của cơ cấu chấp hành trong các hệ truyền động của máy tổ hợp nói chung là một bài toán động lực học rất phức tạp. Nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: Nguồn năng lượng dẫn động, lực hoặc moment cản, moment ma sát, bôi trơn, khe hở, độ đàn hồi của các khâu và độ cứng vững của toàn hệ thống cũng như các yếu tố môi trường. Đặc biệt đối với các máy tổ hợp sau một thời gian làm việc các yếu tố tác động kể trên là những yếu tố ngẫu nhiên, khó lường trước và nó thay đổi theo thời gian dẫn tới mất ổn định động lực học. Mất ổn định động lực học là trạng thái nguy hiểm nhất xẩy ra khi tần số lực
kích động có giá trị bằng hoặc xấp xỉ với tần số dao động riêng của hệ. Khi một quá trình gia công bị rơi vào trạng thái mất ổn định thì biên độ dao động của hệ rất lớn, làm cho hệ thống rung động mạnh, gây ồn và giảm độ chính xác cũng như chất lượng của sản phẩm. Vì vậy điều khiển bám ổn định tốc độ của cơ cấu chấp hành là nhiệm vụ hàng đầu đang được đặt ra cho các nhà tích hợp hệ thống điều khiển hệ truyền động nói chung và hệ truyền động qua bánh răng nói riêng.
Các phương pháp điều khiển hiện có Trong bài toán điều khiển hệ truyền động, bên cạnh việc có được khả năng bám
ổn định theo quỹ đạo góc quay đặt trước, người ta còn phải rất quan tâm tới những vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống, bao gồm:
1. Việc ổn định tốc độ của các cơ cấu chấp hành.
2. Giảm thiểu tối đa các dao động sinh ra từ độ xoắn của các trục truyền moment.
3. Giảm thiểu tối đa sự ảnh hưởng của các xung moment trên trục truyền động ở quá trình quá độ, sự ảnh hưởng của tiếng ồn, va đập sinh ra từ các khe hở giữa các trục truyền động.
4. Chất lượng bám ổn định tốc độ hoặc góc quay của hệ theo quỹ đạo mong muốn đặt trước không bị ảnh hưởng bởi những moment ma sát, moment cản trong hệ.
Những yêu cầu nâng cao chất lượng kể trên là một vấn đề cấp thiết của thực tế ứng dụng vì nó liên quan tới tuổi bền của máy, độ tin cậy và chính xác của dụng cụ và đảm bảo môi trường làm việc cho người lao động, do tiếng ồn và rung động gây ra. Từ trước đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm nhằm giải thích nguyên nhân, bản chất của hiện tượng mất ổn định động lực học và đã đưa ra các giải pháp kỹ thuật để tìm cách khống chế và loại trừ nó. Chẳng hạn như các biện pháp cơ khí phổ thông hiện được dùng là lắp thêm bánh đà, nâng cao độ chính xác khi chế tạo các chi tiết, điều chỉnh và lắp ráp theo các quy trình nghiêm ngặt, chấp hành các chế độ bảo trì
Các giải pháp cơ học nêu trên chỉ thích hợp với chế độ làm việc xác lập của hệ thống cũng như hệ thống có tính động học biến đổi chậm và cũng chỉ giải quyết được một phần mang tính chất định kỳ. Trường hợp chung, khi các yếu tố ngẫu nhiên xẩy ra
bất thường tác động lên hệ thống, thì các biện pháp cơ khí nêu trên không thể khắc phục ngay được.
Với những bài toán nâng cao chất lượng hệ thống ở chế độ làm việc quá độ cũng như có tính động học nhanh, dưới giả thiết không thể đo được chính xác các moment ma sát, moment cản, độ xoắn trên trục truyền động và khe hở giữa các bánh răng, người ta phải sử dụng kèm thêm cùng giải pháp cơ khí là các bộ điều khiển điện, điện tử nhằm có thể dễ dàng cài đặt được các phương pháp điều khiển chỉnh định thích nghi và bền vững làm việc theo cơ chế phản hồi.