Thạc Sĩ Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

iii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt v
Danh mục các bảng biểu v
Danh mục các hình vẽ và đồ thị vi
Mở đầu 1
Chương- 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 2
1.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ truyền động có khe hở 2
1.1.1. Truyền động chính xác 2
1.1.2. Truyền động tốc độ cao 2
1.1.3. Truyền động công suất lớn 2
1.1.4. Độ hở mặt bên 3
1.2. Những ảnh hưởng tác động đến hệ truyền động qua bánh răng 3
1.2.1.Ảnh hưởng của đàn hồi đến phần cơ của hệ thống truyền động 8
1.2.2. Ảnh hưởng của ma sát trong hệ thống truyền động 9
1.2.3. Ảnh hưởng của khe hở trong hệ thống truyền động 10
1.3. Những đặc trưng ăn khớp của cặp bánh răng 13
1.3.1. Điều kiện ăn khớp đúng 14
1.3.2. Điều kiện ăn khớp trùng 15
1.3.3. Điều kiện ăn khớp khít 16
1.4. Kết luận chương 1 18
Chương 2 . XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN
ĐỘNG CÓ KHE HỞ
19
2.1. Xây dựng mô hình toán hệ truyền động có khe hở 19
2.1.1. Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng 20

2.1.2. Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn
vật liệu, độ đàn hồi và moment ma sát
23
2.1.3. Mô hình toán ở chế độ khe hở (dead zone) 25
2.1.4. Mô hình toán tổng quát 26
2.2. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở 28
2.3. Kết luận chương 2 29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

iv
Chương 3. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN
ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH
THAM SỐ PID
30
3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 30
3.1.1. Hệ Logic mờ 30
3.1.2. Bộ điều khiển mờ 37
3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 40
3.2.1. Phương pháp thiết kế 40
3.2.2. Nhận xét 43

3.3. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định PID và so
sánh với bộ điều khiển PID
43
3.3.1. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển PID
43

3.3.2. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham
số bộ điều khiển PID
46

3.3.3. So sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID với bộ điều khiển PID
48
3.3.4 Nhận xét
49
3.4. Kết luận chương 3 49
Chương 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
51
4.1. Giới thiệu về card DS1104 sử dụng trong hệ thống thí nghiệm 51
4.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104 52
4.2.1. Cấu trúc tổng quan 52
4.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface) 54
4.2.3. Phần mềm dSPACE 56

4.2.4. Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều
khiển chuyển động
56
4.2.5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm 60
4.2.6. Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID 61
4.2.7. Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
63
4.2.8. Nhận xét kết quả thực nghiệm
64
4.3. Kết luận chương 4 64
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
1 PID Bộ điều khiển
2 DC Một chiều
3 FLC Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ mờ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang
Bảng 4.1 Dung lượng các bộ nhớ của DS1104 52




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu Nội dung Trang
Hình 1.2 Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi 3
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ đàn hồi 4
Hình 1.5 Đặc tính logarit của hệ thống 7
Hình 1.6 Mối quan hệ ma sát khô và vận tốc 9
Hình 1.7
Mô hình vật lý khe hở
11
Hình 1.8 Đặc tính Deadzone 12
Hình 1.9 Mô hình ăn khớp bánh răn 14
Hình 1.10 Mô hình cặp bánh răng ăn khớp đúng 15
Hình 1.11 Mô hình cặp bánh răng ăn khớp trùng 16
Hình 1.12 Mô hình cặp bánh răng ăn khớp tại tâm ăn khớp P 17
Hình 2.1
Hệ nhiều cặp bánh răng là hệ truyền ngược của nhiều hệ một cặp
bánh răng
19
Hình 2.2 Cấu trúc vật lý của hệ truyền động qua một cặp bánh răng 20
Hình 2.3 Minh họa các định luật cân bằng giữa cặp bánh răng 22
Hình 2.4 Sơ đồ động lực học 23
Hình 2.5 Thiết lập phương trình động lực học khi hai bánh răng ăn khớp 23
Hình 2.6 Mô tả trạng thái hai bánh răng ở vùng chết của khe hở 25
Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động bánh răng 28
Hình 3.1 Hàm thuộc biến ngôn ngữ 31
Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 31
Hình 3.3 Luật hợp thành 32
Hình 3.4 Mờ hoá 33
Hình 3.5 Thực hiện phép suy diễn mờ 34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

vii
Hình 3.6 Thực hiện phép hợp mờ 35
Hình 3.7 Những nguyên lý giải mờ 36
Hình 3.8 Cấu trúc một hệ logic mờ 37
Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 38
Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 38
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 38
Hình 3.12 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 39
Hình 3.13 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 39
Hình 3.14 Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 39
Hình 3.15 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 40
Hình 3.16 Bên trong bộ điều chỉnh mờ 40
Hình 3.17 Tập mờ e và e’ 41
Hình 3.18 Tập mờ 41
Hình 3.19 Tập mờ K p và K D 41
Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng bằng bộ điều khiển PID 43
Hình 3.21 Khối động cơ và hệ bánh răng 44
Hình 3.22 Khối động cơ một chiều 44
Hình 3.23 Khối cặp bánh răng 44
Hình 3.24 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ không đổi 45
Hình 3.25 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ thay đổi 45
Hình 3.26 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng bằng bộ điều khiển mờ
chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
46
Hình 3.27 Sơ đồ mô phỏng ổ đỡ từ với cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số bộ điều khiển PID
46
Hình 3.28 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ không đổi 47
Hình 3.29 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ thay đổi 47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

viii
Hình 3.30 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng bằng bộ điều khiển PID
và mờ chỉnh định tham số PID
48
Hình 3.31 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ không đổi 48
Hình 3.32 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ thay đổi 49
Hình 4.1 Những bộ phận chính của Card DS1104 51
Hình 4.2 Sơ đồ khối của DS1104 55
Hình 4.3 Các Modul giao tiếp phần cứng của DSP1104 55
Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển trên Matlab/Simulink 57
Hình 4.5 Downloading and Building 58
Hình 4.6 Giao diện Control Desk 59
Hình 4.7 Hệ thống thí nghiệm hệ truyền động bánh răng 60
Hình 4.8 Hệ thống ghép nối máy tính với hệ truyền động (động cơ) 60
Hình 4.9 Đối tượng hệ truyền động bánh răng 61
Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển với bộ điều khiển PID xây dựng trên
Matlab/simulink
61
Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID (1) 62
Hình 4.12 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID (2) 62
Hình 4.13 Cấu trúc điều khiển với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
xây dựng trên Matlab/simulink
63
Hình 4.14 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID (1) 63
Hình 4.15 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định PID (2) 64
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Truyền động có khe hở đang được nhiều khoa học và NCS quan tâm bởi nó
xuất hiện nhiều trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Việc điều khiển đảm bảo
chất lượng cho hệ thống được quan tâm nhiều nhất. Hiện nay các bộ điều khiển cho
các hệ thống truyền động có khe hở có chất lượng thấp như bộ điều khiển PID kinh
điển, điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ thống
truyền động có khe hở có tính phi tuyến, các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển
cho các hệ phi tuyến chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng
dụng vào việc thiết kế bộ điều khiển đảm bảo cho các hệ thống truyền động có khe hở
có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc. Hơn nữa sau này, tôi có dự định
giảng dạy tại Các Trường Cao đẳng ,Trung cấp dạy nghề hoặc công tác tại các nhà
máy sản xuất công nghiệp . Nơi các hệ thống truyền động có khe hở, các thiết bị
truyền động có khe hở được sử dụng rất rộng rãi như các hệ truyền động bánh răng, hệ
truyền động đai vv Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển hệ thống truyền động có
khe hở tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên sẽ giúp tôi có có sở để
tiếp cận và làm chủ các thiết bị tại nơi công tác sau này Vì vậy tôi chọn đề tài:
"Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều
khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mô tả toán học của hệ thống truyền động có khe hở.
- Nâng cao chất lượng điều khiển bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số
PID so với bộ điều khiển PID.
- Mô phỏng và thực nghiệm về điều khiển hệ thống truyền động có khe hở trên
thiết bị thực của phòng thí nghiệm.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan hệ truyền động có khe hở
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở
Chương 3: Nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở bằng bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
Chương 4: Kết quả thí nghiệm hệ truyền động có khe hở.
Kết luận và kiến nghị