Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng

Với những bài toán nâng cao chất lượng hệthống ở chế độ làm việc quá độ cũng như có tính động học nhanh,dưới giả thiết không thể đo được chính xác các momen ma sát,momen cản, độ xoắn trê

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2014

Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lại Khắc Lãi

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Thanh Hà Phản biện 2: TS Đỗ Trung Hải

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học kỹ thuật công ngiệp Thái Nguyên - Đại

học Thái Nguyên

Vào hồi giờ tháng 04 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

[1] Phan Đình Kỳ, Lại Khắc Lãi (2013): "Điều khiển hệ truyền

động qua bánh răng dựa trên bộ điều khiển mờ lai", Tạp chí Khoa

học & Công nghệ Đại học, Đại học Thái nguyên; Tập 113, số 13;

11/2013, Trang 123 - 127

với tỷ số truyền xác định Với những bài toán nâng cao chất lượng hệthống ở chế độ làm việc quá độ cũng như có tính động học nhanh,dưới giả thiết không thể đo được chính xác các momen ma sát,momen cản, độ xoắn trên trục truyền động và khe hở giữa các bánhrăng, người ta phải sử dụng kèm thêm cùng giải pháp cơ khí là các bộđiều khiển điện, điện tử để có thể dễ dàng cài đặt được các phươngpháp điều khiển chỉnh định nhằm bù lại lượng sai lệch mà các thiết bị

cơ khí không giải quyết được

Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp đượcphương thứ xử lý thông tin và điều khiển của con người và giải quyếtthành công các bài toán điều khiển phức tạp

Góp phần nâng cao chất lượng cho các hệ điều khiển truyền độngbánh răng đang được ứng dụng nhiều trong sản xuất Tác giả lựa

chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu bộ điều khiển mờ trượt Thiết kế được thuật toán điềukhiên mờ trượt để cho hệ truyền động qua bánh răng.và ứng dụngcho hệ điều khiển truyền động qua bánh răng nhằm cải thiện và nângcao chất lượng của hệ thống

3 Phương pháp và công cụ nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Tìm hiểu các công trình khoa học đã công bố, nhằm xác địnhchắc chắn các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra

+ Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu đối tượng để xây dựng thuậttoán điều khiển

+ Tiến hành mô phỏng để kiểm tra thuật toán

+ Tiến hành thực nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của thuậttoán

- Công cụ nghiên cứu: Phần mềm Matlab Simulink, mô hình thínghiệm tại phòng thí nghiệm, Đại học kỹ thuật công nghiệp

4 Kết cấu của luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ

Chương 2: Khảo sát và mô tả toán học hệ truyền động qua bánh răng Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt cho hệ truyềnđộng qua bánh răng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ

1.2 ĐIỀU KHIỂN MỜ

1.2.1 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ

1.2.2 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ

a Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra.

b Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến ngôn ngữ vào/ra.

c Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành).

d Chọn thiết bị hợp thành.

e Chọn phương pháp giải mờ.

f Tối ưu hệ thống.

1.2.3 Phân loại bộ điều khiển mờ

+ Theo số lượng đầu vào và đầu ra ta phân ra bộ Điều khiển mờ

"Một vào - một ra" (SISO); "Nhiều vào - một ra" (MISO); "Nhiềuvào - nhiều ra" (MIMO)

Hình 1.10 Các khối chức năng của bộ Điều khiển mờ

+ Theo bản chất của tín hiệu đưa vào bộ điều khiển ta phân ra bộđiều khiển mờ tĩnh và bộ điều khiển mờ động

Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiểnđộng, các khâu động học cần thiết sẽ được nối thêm vào bộ điềukhiển mờ tĩnh nhằm cung cấp cho bộ điều khiển các giá trị đạo hàmhay tích phân của tín hiệu Cùng với những khâu động học bổ sungnày, bộ điều khiển tĩnh sẽ trở thành bộ Điều khiển mờ động

1.2.4 Hệ điều khiển mờ lai

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Tập trung tìm hiểu các kiến thức cơ bản về lý thuyết điều khiểnmờ: Định nghĩa, đặc điểm, các phép toán về logic mờ Phân tích kỹcác khối chức năng của bộ điều khiển mờ

Phân tích rõ nguyên lý điều khiển mờ, các nguyên tắc thiết kế bộđiều khiển mờ Phân loại được các bộ điều khiển mờ (mờ tĩnh, mờđộng Có những cái nhìn tổng quan về hệ mờ lai và mờ thích nghihiện đang được ứng dụng nhiều trong thực tế

Chương 2 KHẢO SÁT VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG

QUA BÁNH RĂNG 2.1 KHÁI QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG

2.1.1 Giới thiệu về cơ cấu bánh răng

a Khái niệm về bánh răng

b Phân loại bánh răng

Hình 2.1 Hệ truyền động bánh răng

C Ưu, nhược điểm của hệ truyền động bánh răng

2.1.2 Yêu cầu về cơ khí đối với hệ truyền động bánh răng

Yêu cầu về độ chính xác động học

Yêu cầu về độ chính xác tiếp xúc

Yêu cầu về độ chính xác khe hở mặt bên

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 2.2.1 Đặt vấn đề

2.2.2 Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng

Hình 2.7 Cấu trúc vật lý của hệ truyền động qua một cặp bánh răng

Trong đó:

Hình 2.2 Các loại bánh răng Hình 2.3 Hệ bánh răng trục song song

DC là động cơ phát động mômen Md cho bánh răng 1

Jd, J1, J2 lần lượt là mômen quán tính của động cơ, bánhrăng 1 và bánh răng 2

Mc là mômen cản, bao gồm cả mômen tải

Mms1 và Mms2 là mômen ma sát trong các ổ trục bánh răng.Khi hai bánh răng ăn khớp với nhau, tỷ số truyền trung bìnhcủa chúng không thay đổi và phụ thuộc vào các bán kính, tuy nhiên

tỷ số truyền tức thời của chúng thường không cố định do sai số chếtạo và sự mài mòn các răng trong quá trình làm việc

2.2.3 Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi và mômen ma sát

Để có thể thiết lập phương trình chuyển động của hệ thống truyềnđộng nói trên ta làm như sau Dùng mặt cắt n-n, trên đó chịu mộtmômen đàn hồi của hai bánh răng như trên hình 2.9 Gọi J1 là mômenquán tính của phần bên trái bao gồm mômen quán tính của rotor động

cơ dẫn động, mômen quán tính của trục và bánh răng 1 và bên đóchịu tác động của mômen dẫn động của động cơ điện là Md, lực masát trong ổ là Mms1

Hình 2.8: Minh họa các định luật cân bằng giữa cặp bánh răng

Hình 2.9 Sơ đồ động lực học

Trên cơ sở lý thuyết đàn hồi và biến dạng và dựa vào định luậtNewton, ta có phương trình chuyển động của hai bánh răng 1 và 2như sau Trên hình 2.10 là mô hình tính toán sự làm việc của một cặpbánh răng có xét tới quá trình biến dạng đàn hồi, dưới tác động củalực: Q1 M / r1 01

Nếu gọi c là độ cứng của cặp bánh răng, thì: c.Δ =QQ1 hayc.Δ.r01 =Qc.r01Δ=QM1

Do vậy mô men đàn hồi trên bánh răng 1:

Sau khi biến đổi bằng cách đặt r ,r201 202 ra ngoài dấu ngoặc

và thay thế:

r  r cos  ,r  r cos  ,i  r / r ,i  r / rtrong các phương trình trên, ta sẽ có mô hình toán tổng quát của hệ:

 rL1, rL2 bán kính vòng tròn lăn của bánh răng 1 và 2

 αL góc ăn khớp của hai bánh răng và cũng là đại lượng đánh giákhe hở giữa các bánh răng Trong trường hợp hai bánh răngtiêu chuẩn và không có độ dịch tâm, thì góc ăn khớp αL =Qα =Q

là ăn khớp với nhau

2.2.4 Mô hình toán ở chế độ khe hở

Khi hai bánh răng chưa tiếp xúc với nhau do có khe hở ta cóthể xem hai bánh răng là tách rời nhau Hình 2.11 biểu diễn chế độtrạng thái này Với:

 J1, m1, J2, m2 là mômen quán tính tổng và khối lượng đốitrục đi qua trọng tâm của các bánh răng

 Gi=Qmig là trọng lượng của bánh răng i =Q 1, 2

 f là hệ số ma sát trượt khô trong ổ đỡ trục

 γ là góc ma sát

nhau do có khe hở cạnh răng, nó chỉ xẩy ra trong một khoảng thờigian ngắn và thời gian này được xác định theo công thức sau:

với giả thiết mômen ma sát trong các ổ đỡ trục không cùng giá trị

2.2.5 Mô hình toán tổng quát

Như vậy, tương ứng với hai chế độ hoạt động khác nhau của hệtruyền động qua bánh răng là chế độ chạy tự do khi có khe hở và chế

độ khi bánh răng đã ăn khớp, ta có hai mô hình khác nhau là (2.6) và(2.7) Nhìn kỹ cấu trúc của hai mô hình này cũng như từ tính thực tếrằng hằng số c trong mô hình (2.6) đo tính biến dạng đàn hồi của vậtliệu là bất định (không biết), nên ta hoàn toàn ghép chung được hai

mô hình lại với nhau như sau:

Mc và hai mômen ma sát Mms1, Mms2.

2.2.6 Mô hình toán ở chế độ xác lập

Sau đây ta sẽ xét riêng cho trường hợp hệ có ổ có bôi trơn bằng dầu và

hệ đang ở chế độ xác lập (chạy đều), tức là khi mômen ma sát chỉ tỷ lệ vớivận tốc góc của trục chứ không còn phụ thuộc vào gia tốc:

c 0







2.3 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB

2.3.1 Matlab trong điều khiển tự động

2.3.2 Ví dụ Matlab - Simulink mô phỏng hệ truyền động bánh răng

Sử dụng sơ đồ mô phỏng trên ta sẽ đánh giá sự phụ thuộc củatốc độ  2 2tại trục dẫn thứ 2 (trục bị động) theo tốc độ

   tại trục dẫn thứ nhất (trục chủ động), để thông qua đó nhìnthấy được sự ảnh hưởng của các thành phần bất định gồm độ xoắn,

ma sát, khe hở vào chất lượng truyền động

Kết quả mô phỏng ở hình 2.13 cho thấy ở chế độ máy làm việc

ổn định, do ảnh hưởng khe hở, đàn hồi và ma sát nên tốc độ trục bịđộng ω2 bị dao động rất lớn dẫn đến tỉ số truyền tức thời của cặpbánh răng luôn thay đổi

Hình 2.13 Ảnh hưởng của

các thành phần độ xoắn, ma sát, hiệu ứng khe hở tới chất lượng truyền động

cho hệ động qua một cặp bánh răng và từ mô hình đó, dưới các giảthiết bổ sung thêm, ta còn có được mô hình (2.12) đơn giản hơn để

mô tả chế độ chạy đều của hệ Mô hình (2.8), (2.9) ở đây sẽ được gọi

là mô hình tổng quát Tuy nhiên sau này trong ứng dụng ta lại chỉ sửdụng dạng xấp xỉ của nó với hàm ˆc(t) 0  bất định thích hợp đảmbảo tính điều khiển được cho mô hình (2.8), (2.9)

Việc xấp xỉ trên, tuy rằng làm mất đi tính chính xác của mô hình tổngquát (2.8), (2.9), song là chấp nhận được ở thực tế vì các lý do sau:

− Khe hở trong hệ truyền động bánh răng phải là rất nhỏ, nằmtrong dải cho phép để hệ còn có thể hoạt động được

− Việc cầu toàn cần phải có một mô hình mô tả tuyệt đối chínhxác ở mọi chế độ làm việc sẽ làm tăng tính phức tạp của mô hình cả

về bậc lẫn cấu trúc phi tuyến một cách không cần thiết

- Ở chế độ chạy trong khe hở, hệ là không điều khiển được.Ngoài ra, do mô hình (2.8), (2.9) có chứa cả hằng số bất định lẫnhàm số bất định, nên luận án sẽ sử dụng phương pháp điều khiểnthích nghi bền vững

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN

ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG 3.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI

TUYẾN

3.1.1 Các khái niệm

a Khái niệm ổn định Lyapunov

b Khái niệm ổn định ISS

c Tiêu chuẩn xét tính ổn định Lyapunov

3.1.2 Một số phương pháp điều khiển phi tuyến

a Điều khiển ổn định thích nghi và nguyên tắc certainty equivalence

b Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

c Điều khiển ổn định bền vững và phương pháp ISS-CLF

3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

3.2.1 Xuất phát điểm của phương pháp điều khiển trượt

3.2.2 Bộ điều khiển trượt ổn định bền vững

3.2.3 Bộ điều khiển trượt bám bền vững

3.3 ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT

3.3.1 Xây dựng luật điều khiển trượt

Chúng ta đã biết, hầu hết để điều khiển các đối tượng phi tuyếnbậc hai thì các quyết định điều khiển đều dựa trên sự phân tích vàtổng hợp hai tín hiệu: e tín hiệu sai lệch giữa giá trị mục tiêu y0 vàgiá trị phản hồi y, e’ tín hiệu đạo hàm của e theo thời gian Hai tínhiệu này được chọn và nếu ta gọi biến trạng thái s =Q e + e’ Cónghĩa e và e’ phụ thuộc với nhau theo mặt phẳng pha như hình 3.7

3.3.2 Cơ sở điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển

Mô hình hệ điều khiển trượt kinh điển được mô tả trên hình 3.8

Hình 3.7 Sự phụ thuộc của e và e’

Hình 3.8 Cơ sở hệ điều khiển mờ trợt từ điều khiển kinh điển

Như vậy trong bô điều khiển trượt kinh điển phía sau khối tổnghợp tín hiệu trang thái S là một khâu rơle hai trạng thái do vậy tínhiệu ra điều khiển u chỉ có thể là Umax nếu trạng thái S(e, e’) nằmphía trên đường thẳng S=Q e+ e’ hoặc bằng - Umax nếu trạng tháiS(e, e’) nằm phía dưới đường thẳng S=Q e+ e’

3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG

3.4.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt cho hệ truyền động qua bánh răng

Hình 3.9 trình bày sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mờ trượtcho hệ truyền động qua bánh răng

Bộ điều khiển mờ trợt FSMC (Fuzzy Sliding Mode Controller) là

bộ điều khiển cho đặc tính động học tốt, không quá nhạy đối với cácbiến đổi của đối tượng và đối với thiết kế mô hình đối tượng khôngchính xác

Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ như sau:

Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ

trượt cho hệ truyền động Động cơ – Bánh răng

HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG

CƠ + BÁNH RĂNG

THIẾT BỊ ĐO

X3

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

Hình 3.10 BĐK mờ trượt với 3 đầu vào

Đường chuyển

đổi

Hình 3.11 Phối hợp các tập mờ cho biến

vào/ra của bộ điều khiển mờ trượt

Hình 3.12 Các biến mờ cho đầu vào vào X1 vào X1

- Đầu vào X2 (hình 3.13):

- Đầu vào X3(hình 3.14):

Hình 3.13 Các biến mờ cho đầu vào X2

Hình 3.14 Các biến mờ cho đầu vào X3

- Đầu ra U (Hình 3.15)

Bước 2: Xây dựng luật hợp thành

1 Xây dựng các luật hợp thành gồm các luật điều khiển Rk.

Những luật điều khiển này được chia thành hai nhóm:

- Nhóm 1: Gồm các luật ứng với nửa mặt phẳng phía trên đường

chuyển mức (e+ e’ > 0):

- Nhóm 2: Gồm các luật ứng với nửa mặt phẳng phía dưới đường

chuyển mức (e+ e’ < 0):

Bảng luật hợp thành cho bộ điều khiển mờ trượt (bảng 3.1 và hình 3.16):

Bảng 3.1 Bảng luật điều khiển bộ điều khiển mờ trượt

Hình 3.16 Luật điều khiển mờ

Bước 3: Chọn thiết bị hợp thành: Nguyên tắc MAX - PROD Bước 4: Phương pháp giải mờ: Dùng phương pháp điểm trọng tâm 3.4.2 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink

Sơ đồ mô phỏng trên Simulink được trình bày như hình 3.17

Kết quả mô phỏng:

- Giả thiết cặp bánh răng tiếp xúc ngoài Khi chưa có bộ điềukhiển điện với tỉ số truyền i12  w / w1 2  2, Kết quả mô phỏngđược trình bày như các hình 3.20

Chu Dong

Bi Dong

Sai lech

0.09552 0.001s+1 Thiet bi do

0.1

Gain

Fuzzy Logic Controller

Banh rang

Mc

Tu Rw Toc do chu dong

BBD+Dong co

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động Động cơ –

Bánh răng trên Simulink

- Giả thiết cặp bánh răng tiếp xúc ngoài và tỉ số truyền của bánh

răng là i12  w / w1 2  1 Khi sử dụng bộ điều khiển kinh điển PI,

Kết quả mô phỏng được trình bày như các hình 3.21 – 3.23

Hình 3.20 Chất lượng hệ thống khi chưa có bộ điều khiển điện

Tốc độ trục

Bị động

Sai lệch e(t)

Tốc độ trục

Bị động

Sai lệch e(t)

Hình 3.21 Hệ thống sử dụng BĐK PI khi vận tốc góc chuyển

từ 40  20 (rad/s)

Tốc độ trục chủ động

Tốc độ trục

Bị động

- Giả thiết cặp bánh răng tiếp xúc ngoài và tỉ số truyền củabánh răng là i12  w / w1 2  1 Khi sử dụng bộ điều khiển mờtrượt, Kết quả mô phỏng được trình bày như các hình 3.24 – 3.26.

Tốc độ trục

Bị động

Sai lệch e(t)

Tốc độ trục

Bị động

Sai lệch e(t)

Kết luận:

- Khi chưa có bộ điều khiển bằng điện: Do ảnh hưởng khe hở, đànhồi và ma sát nên tốc độ trục bị động bị dao động rất lớn Khi khe hởlớn, độ đàn hồi và ma sát càng lớn, hệ thống càng dao động mạnh Sựdao động này có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào tốc độ làm việc của

hệ (Hình 3.20)

- Khi có bộ điều khiển điện với thuật toán điều khiển kinh điển PI,

ở chế độ xác lập sự dao động giữa trục chủ động và bị động đã giảm

đi đáng kể, tuy nhiên ở chế độ quá độ lượng quá điều chỉnh rất lớn

số lần dao động nhiều =Q> Gây mất ổn định

- Khi bộ điều khiển sử dụng là bộ điều khiển mờ trượt, chất lượngđiều khiển của hệ thống được nâng cao rõ rệt, sự dao động giảm điđáng kể (giảm hơn so với khi sử dụng bộ điều khiển PI), ở chế độ quá

độ lượng quá điều chỉnh gần như không có, số lần dao động ít (gầnnhư không có), sai lệch e(t)  0

Như vậy việc xây dựng bộ điều khiển mờ trượt đã cải thiện đáng

kể chất lượng của hệ truyền động qua bánh răng Các kết quả môphỏng của luận văn thể hiện một cách trung thực, khẳng định tínhđúng đắn của việc xây dựng các bộ điều khiển, bổ sung một phươngpháp điều khiển mới trong hệ truyền động qua bánh răng

3.5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm

- Máy tính - phần mềm Matlab 7.0.4 và phần mềm ControlDeskVersion 5.0: Toàn bộ thuật toán điều khiển đều được thực hiện thôngqua các phần mềm sau đó được dịch và nạp vào card điều khiển DSP