Điều khiển hệ truyền động servo phi tuyến

Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo 2 Hình 1.1: Cơ cấu truyền động của động cơ servo ng, thì chúng Trong việc đánh giá hệ thống truyền động động cơ trợ độ ta nhấn mạnh đến tính năng điều kh

M C L C Ụ Ụ

M c l c ụ ụ

ng c ng b nam châm v nh c

K t lu n và ki n ngh ế ậ ế ị

Phụ ụ l c

Động cơ servo là một bộ phận cấu thành quan trọng của một cơ cấu truyền động Hiện nay các động cơ servo rất gọn nhẹ, chắc chắn, dễ hoà hợp,

có hiệu quả, điều khiển được, và gần như không phải bảo dưỡng Việc bảo dưỡng động cơ servo rất đơn giản, đặc biệt là việc xác định vị trí trong các nhà máy không người vận hành, ở đó sử dụng lượng lớn các động cơ servo không chổi than (động cơ khích thích vĩnh cửu) là một trong những ứng dụng quan trọng Những động cơ servo không chổi than có một số ưu điểm sau:+ Có công suất và tốc độ cực đại cao

+ Cấu trúc vững trắc

+ Không gây ồn và ít phải bảo dưỡng

Động cơ servo không chổi than được phân thành các động có bước (ISM, IRM), động cơ một chiều không chổi than, động cơ kích thích vĩnh cửu (động cơ đồng bộ) và động cơ không đồng bộ Những yếu tố chính điều khiển động cơ servo là vận tốc góc, dòng điện, điện áp, từ thông Cảm biến nhiệt độ,

và bộ biến đổi công suất bán dẫn (khuyếch đại công suất) bao gồm các IC số

Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo

2

Hình 1.1: Cơ cấu truyền động của động cơ servo

ng, thì chúng Trong việc đánh giá hệ thống truyền động động cơ trợ độ

ta nhấn mạnh đến tính năng điều khiển, tỷ lệ tốc độ, tốc độ của động cơ, phạm

vi mômen ứng dụng và gia tốc Những nhân tố quyết định tính năng điều khiển và tỷ lệ tốc độ chính là công suất tiêu thụ và độ chính xác của thiết bị

đo ở cả trong chính động cơ và bộ biến đổi công suất Các thiết bị đo phải tìm

ra những vị trí quay cho bộ điều khiển vị trí và nhận biết tốc độ cho bộ điều khiển tốc độ

Trong các trường hợp điều khiển số tín hiệu tốc độ được tạo ra do việc

xử lý tín hiệu vị trí, có thể sử dụng thiết bị Encoder và Resolver

Những bộ biến đổi công suất bán dẫn đã được sử dụng như là một phần chính của những kỹ thuật điện tử công suất Những transitor lưỡng cực và

mở tốc độ cao đã được ứng dụng và ngày càng được cải tiến trên khắp thế giới Những bộ phận có tính năng cao đó được sử dụng trong những bộ điều

Cs Ngu n ồ B Bán dẫnộ biến đổi

tín hiệu cổng

B i ộ đ ều khi n ể

C m bi n bán ả ế

d n IC ẫ

B ộ khyế ch đại

Phần đ ề i u khi n ể DSP

M c 1 ứ

M c 2 ứ

M c 3 ứ

Dòng i đ ện , i n áp đ ệ

Đ ệ i n áp

Những kỹ thuật sản xuất IC kỹ thuật cao có thể tạo ra những IC số, IC

Những thiết bị này có thể cho chúng ta độ tin cậy và tính năng điều khiển tốt Những kỹ thuật IC cũng có thể được ứng dụng trong việc thiết kế những thiết

bị bán dẫn công suất/tốc độ cao

1.2 Một số hệ truyền động servo thông dụng

1.2.1 Hệ truyền động servo một chiều

Hình 1.2 Hệ truyền động servo một chiều

Đối với động cơ một chiều (ĐCMC) có thể điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích thích) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch điện phần ứng) Do hai mạch điện ĐCMC hoàn toàn cách ly ta thu được các thuật toán điều chỉnh đơn giản và đòi hỏi ở vi xử lý một lượng thời gian tính không lớn Tín hiệu phản hồi tốc độ được đo bằng máy phát tốc

so sánh với tín hiệu đặt tạo ra tín hiệu sai lệch Nếu mômen cản làm tốc độ quay giảm xuống thì giá trị sai lệch tăng lên, điện áp phần ứng tăng lên với

Tín hiêu tốc

độ đặ t

M ch ạ

so sánh

Mach phát sóng

r ng c a ă ư

diver driver

PWM

Phả n h i dòng i n ồ đ ệ

Phả n h i t c độ ồ ố

độ quyết định Nếu dòng điện tải có xu hướng vượt quá giá trị này thì tín hiệu sai lệch của dòng điện giảm, đầu ra cuả bộ chỉnh lưu giảm, do đó dòng điện tải giảm đi Trong bộ hạn chế dòng điện, phản hồi dòng điện phát hiện dòng điện lớn do đó làm giảm điện áp điều khiển và làm tăng góc mở ở các chu kỳ sau Nếu biến thiên đầu vào lớn ở các chu kỳ đầu tiên góc mở gần bằng không thì dòng điện rất lớn Nếu dòng điện quá tạo nên xung đột mômen trên trục động cơ và có nguy cơ tạo nên hư hỏng cơ học Để tránh việc đưa thẳng những biến thiên đột ngột đến đầu vào của bộ khuyếch đại, sử dụng mạch phát sóng răng cưa để biến đổi biên thiên đầu vào thành một đường nghiêng đảm bảo góc mở thay đổi từ từ

1.2.2 Hệ truyền động servo không chổi than

Truyền động servo hiện đang được ứng dụng và phát triển trong lĩnh vực công nghiệp đòi hỏi khả năng lớn với sự phát triển ứng dụng công nghệ của bán dẫn lực Sự phát triển của động cơ servo không chổi than đã và đang được

sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới

Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo

5

Hình 1.3: Hệ thống truyền động servo không chổi than

Việc ứng dụng động cơ servo không chổi than rất tiện ích vì một số yếu

tố sau: rẻ hơn so với động cơ dùng transitor công suất, thiết lập phương pháp điều khiển dòng của bộ biến đổi điều biến độ rộng xung, khai thác vật liệu nam châm vĩnh cửu, phát triển các trạng thái khác nhau của thiết bị đo có độ chính xác cao, sản suất ra các thành phần tạo nên hình dạng chắc chắn Theo cách này thì động cơ servo không có chổi than được trang bị với sự tinh xảo mềm dẻo của động cơ một chiều và cấu trúc vững chắc của động cơ xoay chiều Ngoài ra nó còn được giải phóng hoàn toàn khỏi việc giảm công suất đầu ra do bộ chuyển mạch và sự phức tạp về duy trì bảo vệ

1.3 Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động

phả n h i dòng ồ

đ ệ i n tạo sóng sin đ o v ị

trí rotor

đ ố o t c độ

RE SM

phát xung r ng ă

c a ư

b ộ so sán h

b so ộ sánh

b so ộ sánh

khu ch ế đại tốc độ

t ốc độ

đặt

khu ch ế đại dòng

đ ệ i n

phả n h i t c ồ ố độ

m ch ạ PMW

U

V

W

1.3.1 Điều khiển vị trí

Hệ thống truyền động điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại…

Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển có ý nghĩa quan trọng

hàm của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính, hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol, hoặc hàm điều hoà

Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám

1.3.1.1 Hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính

Giả sử các mạch vòng trong đã được tổng hợp theo phương pháp môdun tối

ưu dạng chuẩn, hàm truyền đạt kín của mạch vòng tốc độ là:

2 2

1 ) (

p p

K p

Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo

7

Hình 1.4: Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 1.3.1.2 Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng thái ổn định khác Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp cao Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp môdun tối ưu hoặc môdun đối xứng sao cho hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân Cấu trúc của hệ như sau:

Phương trình đối với tốc độ và vị trí:

vị trí là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế luợng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch Tuỳ theo sai lệch vị trí mà bộ điều chỉnh sẽ đưa ra lệnh hãm, mômen điện từ của động cơ được tính bằng:

) ( ¦ max  −

2

Ch-¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ servo

8

H1.5 Sơ đồ điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian

H1.5 Sơ đồ điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian 1.3.1.3 Điều chỉnh vị trí tối ưu với mạch vòng điều chỉnh gia tốc không đổi

Trong các phần trên chúng ta có yêu cầu là phải giữ gia tốc không đổi, điều này sẽ không thực hiện được nếu như ảng hưởng của mômen phụ tải lớn tác động lên quá trình quá độ không được bù Do vậy người ta thường dùng thêm mạch vòng điều chỉnh gia tốc để giữ gia tốc không đổi Sau khi tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện ta có thể thay gần đúng nó bằng khâu quán

chỉnh vòng gia tốc sẽ là:

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh gia tốc

) 1

)(

1 (

1 )





f I

I I

p

K U

U F

+ +

f I

K K J

1.3.1.4 Hệ điều chỉnh vị trí làm việc trong chế độ bám

Yêu cầu hệ truyền đồng điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám là: đảm bảo cơ cấu dịch chuyển bám theo đại lượng điều khiển với sai lệch không vượt quá giá trị cho phép Thông thường trong chế độ bám, đại lượng điều khiển biến thiên theo hàm điều hoà hoặc theo luật này tuỳ ý không biết trước

định tới độ chính xác của hệ thống Có hai yếu tố chính ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ

- Quan hệ giữa đại lượng điều khiển  w và cấu trúc hệ

• Xét độ chính xác của hệ theo lượng điều khiển

Lượng điều khiển  w thường là hàm biến đổi theo thời gian có tốc độ không đổi hay giatốc không đổi hoặc là một hàm điều hoà

Nếu bộ phận điều chỉnh vị trí tổng hợp theo hàm chuẩn môđun đối xứng

có hàm truyền là PI, thì hệ điều khiển có đặc tính vô sai cấp hai tức là hệ không có sai lệch khi lượng điều khiển có tốc độ không đổi

Khi lượng điều khiển  w có gia tốc không đổi, để hệ không có sai lệch cần có cấu trúc hệ là vi sai cấp ba Điều này dẫn đến giảm độ dự trữ ổn định,

tính tần số logarit lớn hơn tần số cực đại của đại lượng điều khiển Như vậy

muốn nhằm đảm bảo độ chính xác của hệ theo lượng điều khiển.

Từ lý luận ở trên ta thấy rằng: muốn nâng cao độ chính xác của hệ có thể thực hiện bằng cách tăng hệ số phẩm chất hoặc tăng cấp vô sai của hệ Điều này dẫn đến làm giảm độ dự trữ ổn định của hệ, tức là làm giảm vùng biến đổi của lượng điều khiển.Như vậy hệ buộc phải làm việc ở vùng tuyến tính tức là làm tăng ảnh hưởng của nhiễu loạn lúc đó phải chỉnh định lại tham số của bộ điều chỉnh tốc độ và vị trí Để khắc phục khó khăn trên người ta thường dùng phương pháp điều khiển bù

• Nâng cao độ chính xác hệ nhờ phương pháp điều khiển bù theo

lượng điều khiển.

Trong đó ta bố trí thêm Wb là hàm truyền khâu bù Tín hiệu bù được đưa vào W''(p) Hàm truyền W'(p) được xác định

( )

p p

p

WW

W''

=

 =W''( )p W'( )p ( −  +w ) Wb p( )w (1.14) Hàm truyền kín của hệ:

( )

( ) ( )

1 W'' p WW

Hình 1 7: Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng điều khiển

Ta xét trong hệ truyền động điều khiển vị trí tiristo động cơ một chiều,

tương ứng với mạch vòng kín điều chỉnh tốc độ nối tiếp với khâu tích phân W''( )p WK p( )1

W 

Giả thiết mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo tiêu chuẩn môđun tối

WR( )p = KR K' p( )

R

1W

Tc p 1K

Điều kiện để thực hiện hàm bù Wb(p) theo (1.20) cần có: mạch vòng

c w

T p  tác động tới mạch vòng tốc độ

Trong thực tế không thực hiện được điều kiện bất biến vòng do mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo môđun tối ưu có dạng

( )

KI p 2 2

1W

p p

2 ( 4 8

) 1 (

64

2 2

3 3

+ + + +

2 ( 4 8

1 ( 8 32

64

2 2

) 1 2

2 4

3

+ + + +

− +

+

=

1.3.1.5 Sai lệch của hệ hệ thống truyền động bám khi có tác động của nhiễu loạn phụ tải

tải tác động Phụ tải của truyền động bám thường là phụ tải phản kháng

thay đổi khi chế độ cắt thay đổi, trong truyền động quay anten rađa mômen phụ tải thay đổi theo tác động của gió v v…Trong phần này ta nghiên cứu ảnh hưởng của tác động nhiễu loạn phụ tải tới độ chính xác của hệ và phương pháp khắc phục

Nếu hệ có ba mạch vòng điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí Nếu

Giả thiết hệ được tổng hợp theo tiêu chuẩn môđun tối ưu có vô sai cấp 1

Hệ có sai lệch tĩnh với lượng nhiễu loạn, giá trị của nó là:

Sai lệch tĩnh của hệ có thể loại trừ nếu bộ điều chỉnh tốc độ chỉnh theo

Mặt khác theo (1.28) hệ vô sai với tác động phụ tải khi phụ tải biến thiên nhảy cấp Thực tế phụ tải biến đổi là hàm không xác định được trứơc

Vì vậy biện pháp người ta thường sử dụng để khắc phục ảnh hưởng của nhiễu loạn phụ tải là dùng cấu trúc bất biến đổi với nhiễu loạn phụ tải Trên

hình 1.8 là một trong cấu trúc được sử dụng

Hình 1.8: Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu

Trong sơ đồ cấu trúc, ngoài các khối chức năng truyền thống, ta còn

p T

+ - -

c t

K W W

Theo (1.32) muốn bù hoàn toàn ta có

b p( )

KI 1

1 W

W W

Kết hợp (1.36) và (1.34) ta có

Chú ý trong các biểu thức toán học trên ta điều dùng đơn vị tương đối nên

1 u

UK

1.3.2 Điều khiển khử rung cơ học

Hệ thống sản xuất tích hợp máy tính hiện đại đòi hỏi sự chuyển động nhanh trong những hệ thống cơ học Vì vậy, những hệ thống cơ học được thiết kế để trọng lượng nhỏ Do đó, những bộ phận cơ khí đặc biệt bộ truyền động bánh răng, và cơ cấu truyền mô men phải có tính mềm Những bộ phận

cơ khí cứng tạo ra những quán tính lớn Một số những vấn đề rung do tính mềm và quán tính tăng khi hệ thống vận hành tốc độ cao sau được nghiên cứu:

• Tần số rung tự nhiên thay đổi do sự thay đổi tải

• Tần số đa rung được quan sát do sự tương tác giữa máy móc

Vì thế, những phương pháp sau được tạo ra để triệt rung:

Máy chống rung cơ khí được sử dụng để thu sự rungtuy nhiên, phương pháp này không bền vững Điều ảnh hưởng tới sự thay đổi tham số và không kinh tế

độ được đưa ra Tuy nhiên phương pháp khá phức tạp

• Điều khiển phản hồi tính mềm, lực: Gần đây, phương pháp này được

sử dụng nhiều nhất, lực được đo hoặc được ước lượng, sau đó nó được phản hồi tới đầu vào nhưng rất đắt để thực hiện

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

18

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT LÝ THUYẾT ĐIỂU KHIỂN

Trong chương này chúng ta sẽ bàn đến một số luật điều khiển hiện đại được áp dụng để điều khiển truyền động servo Thực tế có sự khác biệt giữa

lý thuyết điểu khiển hiện đại và thực nghiệm Vì thế một người kỹ sư phải biết điểu khiển hệ thống tốt, hiệu chỉnh, mở rộng, và kết hợp lý thuyết điểu khiển hiện đại và lý thuyết điểu khiển cổ điển Trong chương này giới thiệu phương pháp điều khiển vector máy điện đồng thời để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống servo một số phương pháp điều khiển áp dụng luật điều khiển bền vững số được đưa ra Các luật điều khiển này loại trừ được các nhiễu loạn tương đương mà đó là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển hệ thống Mặt khác, các thuật toán này không chỉ áp dụng cho hệ truyền động servo với chu kỳ đơn giản mà còn áp dụng cho hệ truyền động trong phạm vi rộng

2.1 Điều khiển vector

Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo dùng cho truyền động máy công

cụ, tay máy và robot phải thoả mãn yêu cầu sau:

• Mật độ từ thông khe hở không khí rất cao

• Tỷ số “ công suất/ trọng lượng” cao

• Tỷ số “mômen/ quán tính” lớn

• Mô men đều ngay cả khi tốc độ rất thấp

• Có thể điều khiển được mô men ngắn mạch

• Tốc độ vận hành cao

• Có khả năng sinh mômen lớn

• Hiệu suất cao và hệ số công suất cao

• Cấu trúc vững chắc

Có thể thoả mãn những yêu cầu này bằng sử dụng điều khiển vector các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Trong luận văn này sẽ nghiên cứu

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

M

TÝnh momen

TÝnh tõ th«ng

Bé nghÞch l-u

Hình2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển DTC 2.2 Bộ quan sát nhiễu loạn tương đương và loại trừ nhiễu loạn tương đương

2.2.1 Bộ quan sát nhiễu loạn tương đương

u : đại lượng điều khiển, u R

y : đại lượng đầu ra, y R

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

exp(

0

c ) d h A

exp(

c = cc

) T m A exp(

==m.0

c

c ) d b A

exp(

bˆ

==m0

c

c ) d h A

exp(

hˆ

• Bộ quan sát nhiễu loạn tương đương

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

) u bˆ c xˆ Aˆ c Z (

) hˆ c (

Thay phương trình (2.6) vào (2.3) ta có:

i

1 i

1 i

1 1

1 i

i c

1 1

1 1

i

Bằng cách chọn k trong (2.10) sao cho (2.11) ổn định, e tiến tới không

• Cải thiện sự hội tụ của sai số đánh giá :

Lượng vượt quá sẽ được tính trong khoảng thời gian đáp ứng của phương

vào phương trình (2.7) , ta được dạng sau:

) y yˆ ( ) hˆ c ( ) u bˆ c xˆ

Aˆc Z (

) hˆ c (

i i

i 1

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

22

Lấy (2.12) trừ đi (2.6) ta được:

i i

i i c

1 ( c Aˆ )( xˆ x ) ( c hˆ ) ( c Aˆ) e )

hˆ c

| e

|

| )

Aˆ c ( ) hˆ c (

1 ( c A ) | )

1 T 1 min | ( c hˆ ) ( c c ) ( c Aˆ c c c c Aˆ ) |

2.2.2 Loại trừ nhiễu loạn tương đương bằng cách chỉnh không

Thông thường điều kiện cần c.h = 0 cho việc chỉnh không với d trong các phương trình (2.3) và (2.4)

Tuy nhiên, thường c.h 0, vì vậy việc chỉnh không không thực hiện được

áp dụng phương trình (2.1) ta có:

xi+1 = A xi + A bˆ vi + bˆ i+ h di (2.17.1)

yi = c.xi (2.17.2)

(2.17.3)

Trong đó :

) T ) m 1 ( A exp(

==m.0

c

c ) d b A

exp(

bˆ

i i

i

i c A x c bˆ v c hˆ d

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

1 i

1 i

i c

1 1

i ( A h ( c hˆ ) c Aˆ k ) xˆ k y h ( c hˆ ) Z ( A bˆ h ( c hˆ ) c b ) v bˆ u

+

T : thời gian lấy mẫu

Các công thức về sai lệch ở các phương trình (2.10) và (2.11) tương tự ta cũng có thể áp dụng cho (2.18) và (2.19)

i i

i i

1 1

i 1

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

1

k A c ) h c ( h A 0

Aˆ c ) hˆ c ( h c ) bˆ c ( bˆ A A

i i

i i

i

x L e L x L

xˆ L

i i

i i

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

25

i i 2 1

g b L bˆ A Aˆ c ) hˆ c ( h c ) bˆ c ( bˆ g bˆ L b Aˆ A g b L

.

b

1 1

2 1

2.2.3 Điều khiển không nhậy với tải

Kỹ thuật điều chỉnh không với nhiễu loạn nêu trên có thể được hiểu theo cách khác như sau:

H 2.3 gồm một khâu bù và một hệ thống truyền động động cơ bám

• Khâu bù là một hệ thống ngược của các mạch điện động cơ

• Nhiễu loạn bên ngoài gồm nhiễu loạn tương đương dựa trên các biến

1 1

)

(

ˆ ˆ ) (

) (

t

a K K

R S L ˆ ˆ

ˆ

ˆ +

Kˆt

R S

u(s)

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

D(s) : nhiễu loạn

Gt(s) tải (s) : vị chí góc quay

2.3 Bộ điều khiển trượt cải tiến

Điều khiển có cấu trúc thay đổi bao gồm điều khiển phản hồi hệ số khuyếch đại thích nghi liên tục và điều khiển bù Với một bộ quan sát nhiễu loạn bên ngoài luật điều khiển này được phát triển để đạt đến một mô hình bền vững Các bước điều khiển được thực hiện bởi bộ vi xử lý tín hiệu số tốc

độ cao (DSP) và được kiểm chứng qua thực tế, quỹ đạo chuyển động là trơn

và bám chính xác theo lượng đặt Bám theo quỹ đạo đặt là một thách thức điều khiển trong quá trình phát triển công nghệ Robot hiện đại và trong các hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, phương pháp naỳ được sử dụng nhiều trong điều khiển truyền động

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

27

Điểm hạn chế chính của phương pháp này là điều khiển không liên tục và gây ra những rung động không mong muốn Vì vậy, để khắc phục điều này một phương pháp điều khiển cấu trúc thay đổi mới được ra Ta đã biết về tính phi tuyến của các hệ thống, nhiều phương pháp được đưa ra để khắc phục điều này, trong đó có biện pháp bù phi tuyến Nhưng phương pháp này rất phức tạp khi thực hiện Vì một quỹ đạo như vậy phải thoả yêu cầu của mô hình cụ thể và dự báo tải

Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn (MARC) cũng được áp dụng cho điều khiển truyền động Tuy nhiên, độ ổn định của hệ thống MARC trong trường hợp đối tượng phi tuyến không xác định vẫn là vấn đề nan giải, đặc biệt MARC rất nhạy với nhiễu ngoài và các đặc tính động thay đổi chậm Phần này trình bày một phương pháp luận của việc điều khiển theo sự thay đổi của mô hình bằng việc cải tiến điều khiển theo chế độ trượt

Phương pháp đưa ra dựa trên cơ sở của bước điều khiển cấu trúc thay đổi, bước điều khiển này bao gồm: điều kiển có phản hồi thích nghi hệ số khuyếch đại kiểu liên tục, điều khiển có bù và mô hình lực Đường bù được thêm vào để loại bỏ nhiễu loạn bên ngoài và làm cho thời gian đáp ứng nhanh hơn Vòng phản hồi nhằm mục đích đạt được sự hội tụ của sai lệch Việc đưa

ra sự cải tiến đối với điều khiển chế độ trượt là liên tục, nó không chỉ bảo đảm rằng sai lệch giữ ở mức giới hạn mà nó còn có xu hướng giảm nhỏ Hơn nữa với một bộ phận quan sát nhiễu bên ngoài tương đương thì ảnh hưởng của nhiễu loạn ngoài (nhiễu loạn do sự biến thiên thông số của hệ thống ) được loại trừ

Phương pháp đưa ra thực tế đã được áp dụng cho hệ thống điều khiển theo mô hình cách ly cho tay máy Các bộ vi điều khiển DSP sẵn có (TI-TMS 320C25) thực hiện quỹ đạo điều khiển Các bộ vi điều khiển này có vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ truyền động

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

28

được hệ số phản hồi thích hợp và điều khiển bù để lọai trừ sai lệch e(t) khi t

→

Để làm cho thời gian đáp ứng nhanh hơn và loại bỏ bớt nhiễu loạn bên

ngoài, điều khiển bù thích nghi được áp dụng

.Di =

1-| g

|

g

| l.

i

S.li = Ci ei1 + ei2 =bT

0i.Pi.| ei1 ei2 |T = 0 (2.30)

Trong đó:

i i fDi i

i ( g , g ) b ( g ) K | g | g f

Mani_ pulator

Gear trains

DC secvo mortor

1

g i model

Hình 2.4 B i u khi n tr t c i ti n ộ đ ề ể ượ ả ế

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

29

được áp dụng để toàn hệ thống đạt ổn định tiệm cận

Trong đó :

i Sl

Sli Kvi

1 +

−

i là hằng số dương Các bước thiết kế một bộ điều khiển như sau:

Chứng tỏ sự hội tụ của sai lệch giữa đầu ra của mô hình và đầu ra của đối tượng điều khiển

Tóm lại, điều khiển chế độ trượt sinh ra rung động không mong muốn khi tồn tại nhiễu loạn lâu dài bên ngoài Vì vậy một bộ quan sát mômen nhanh

và nhậy mà những ưu điểm của nó được dựa trên kỹ thuật chỉnh không, gồm

có một bộ quan sát tương đương mô tả trong phần 2.2

Ta ước lượng tổng của các lực (lực quán tính, lực hướng tâm, lực masat,

độ nhớt, trọng lực, tải trọng và thậm chí cả mômen sinh ra bởi các sự biến đổi thông số của hệ thống ) trong một chu kỳ T bằng việc sử dụng các giá trị thông số quan sát hiệu dụng

Tiếp đến Mômen nhiễu loạn bên ngoài được ước lượng T được đặt trở về đầu vào điều khiển để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu loạn Độ rộng băng thông của bộ lọc phải rộng hơn dải băng thông của tín hiệu ngoài T, hơn nữa vấn đề

ổn định của hệ cũng được đề cập đến

Nếu ta sử dụng khâu quan sát nhiễu loạn thì khâu điều khiển bù thích

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

Bộ điều khiển cấu trúc thay đổi mới gồm một khâu phản hồi thích nghi

PI kiểu liên tục và các điều khiển bù Người ta đã phát triển phương pháp điều khiển mới này để đạt được một mô hình cách ly và chính xác Tiếp sau là một lớp các hệ thống phi tuyến theo thời gian bởi các thông số như: nhiễu loạn, sự biến thiên của thông số và sự tương tác động học phi tuyến

Phương pháp đã được phát triển để áp dụng cho điều khiển truyền động theo mô hình cách ly, với thao tác ở 2 bậc tự do, mạnh bởi các động cơ bám

sử dụng bộ biến đổi Transistor theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Toàn bộ quá trình điều khiển được thực hiện với một bộ vi điều khiển DSP (TI, TMS 320 C25) Thực tế thực hiện cho thấy là bộ điều khiển đơn giản dễ thiết kế và hoạt động khá hoàn hảo

Trong phần này ta trình bày phương pháp luận cho việc hiệu chỉnh điều khiển theo mô hình, với một số cải tiến của điều khiển chế độ trượt Phương pháp đưa ra dựa trên bước điều khiển cấu trúc thay đổi được, bước điều khiển này bao gồm : phản hồi thích nghi hệ số khuyếch đại theo kiểu liên tục (PI), các quá trình điều khiển bù và mô hình của lực

Để loại bỏ bớt nhiễu loạn bên ngoài và làm cho thời gian đáp ứng nhanh hơn ta thêm vào một đường bù Mạch vòng bù có mục đích là đạt được đặc tính của sai lệch ổn định về không nhanh Điều khiển chế độ trượt đã nêu ở trên là liên tục, phương pháp này không chỉ đạt được sai lệch giữ ở mức giới hạn mà nó còn có xu hướng giảm nhỏ về không

Vì những lý do trên mà phương pháp này thực tế đã được áp dụng cho

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

31

điều khiển theo mô hình cách ly với thao tác trên 2 bậc tự do Các quá trình

điều khiển được thực hiện bởi họ vi điều khiển có sẵn DSP(TI,TMS 320

C25), loại vi điều khiển này có vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ động

cơ

Sự bền vững của bộ điều khiển nêu trên là kết quả của thực hiện bám

chính xác và cách ly, nó cũng được kiểm nghiệm bằng thực tế Bộ điều khiển

này được xem là dễ thiết kế vì nó cần ít thông tin về đối tượng cần điều khiển

phản hồi hệ số khuyếch đại phù hợp và điều khiển bù sao cho loại bỏ được

sai lệch e(t) khi t→

Để loại bỏ bớt nhiễu loạn bên ngoài và làm cho thời gian đáp ứng nhanh

giống như bộ điều khiển đạo hàm , vì vậy điều khiển hệ số phản hồi thích

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

32

theo Sli, gần đường cong trượt , một miền điều khiển thích hợp

Các bước thiết kế cho một bộ điều khiển như sau :

Sli=b0 iTp i|ei1 ei2|

Chứng tỏ sự hội tụ về không của sai lệch giữa đầu ra của mô hình và đầu ra của đối tượng điều khiển

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

33

Trong trường hợp cần thiết ( ví dụ khi nhiễu loạn có biên độ lớn và tần

số cao) thì một bộ quan sát nhiễu loạn tương đương được thêm vào hệ thống

để loại bỏ nhiễu loạn

2.4 Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

2.4.1.Điều khiển tốc độ

Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ( MRAC ) được áp dụng cho truyền động động cơ một chiều có điều chỉnh tốc độ dựa trên cơ sở là bộ vi điều khiển

Thuật toán của MRAC dựa trên điều khiển theo mô hình tuyến tính Bộ điều khiển tốc độ dựa trên MRAC không yêu cầu các thông số chính xác của động cơ và tải trong hệ thống thiết kế mà vẫn giữ được hoạt động điều khiển yêu cầu dù có sự tác động của nhiễu loạn do tải và sự thay đổi các thông số động cơ

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

Hình 2.7 ảnh hưởng của bộ điều khiển dòng

( a ) Mạch vòng thứ yếu điều chỉnh dòng điện

( b ) Sơ đồ khối tương đương

Bộ điều chỉnh tốc độ dựa trên MRAC có một mạch vòng điều chỉnh dòng điện Logic điều khiển của bộ điều chỉnh dòng điện là PI, P , I Các bộ này được xác định sao cho thời gian tăng của dòng đáp ứng nhanh hơn thời gian

mà nó đạt được bởi bộ điều khiển PI thông thường thực tế thiết kế Mạch vòng dòng điện cũng có tác dụng loại bỏ ảnh hưởng của sức điện động phản hồi E

Trong công nghệ thiết kế làm giảm hàm truyền giữa giá trị đặt dòng điện I

và tốc độ động cơ N xuống bậc một, như trên hình 2.8 Vì vậy mà bộ điều khiển MRAC bậc 1 được áp dụng cho việc điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

R S L

1 +

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

Sự ra đời của thuật toán MRAC

Thuật toán MRAC được dựa trên cơ sở của phương pháp điều khiển theo mô hình tuyến tính (LMFC ) và cũng có thể được coi như là điều khiển theo mô hình thích nghi (AMFC)

Tq

D S J

1 + 1+ K

c) Hệ thống theo mô hình mẫu

Ch-¬ng 2: Kh¸i qu¸t lý thuyÕt ®iÒu khiÓn

Trong ứng dụng của hệ thống điều khiển thích nghi, các thông số của hệ thống được điều khiển p, q coi như đã biết và (hoặc) biến đổi Các thông số

không còn là hằng số mà được điều chỉnh trong suốt quá trình hoạt động theo ước lượng của p(k) và q(k)