Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện

Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện MỞ ĐẦU Các hệ thống Điều chỉnh tự động - Truyền động điện ĐCTĐ-TĐĐ được sử dụng để tạo nên các chuyển động t

Trang 1

- TRẦN THÁI TRANG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT NHIỄU ỨNG DỤNG TRONG CÁC

Trang 2

Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ứng dụng trong các hệ truyền động điện

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo TS Tạ Cao Minh Số liệu và kết quả trong đề tài

là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham

khảo đã được ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài

liệu nào khác mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Học viên

Trần Thái Trang

Trang 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung của hệ truyền động 8

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống 14 Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống khi có tác động của nhiễu 15 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý bộ quan sát mô men nhiễu 24 Hình 2.4 Sơ đồ phản hồi mô men nhiễu tính toán 25 Hình 2 5 Cấu trúc hệ thống điều khiển chung 25

Hình 2.7 Mô hình quan sát nhiễu thứ 2 27 Hình 2.8 Mô hình quan sát nhiễu thứ 3 27 Hình 2.9 Bộ điều khiển hai bậc tự do trong hệ thống servo 28 Hình 2 10 Sơ đồ khối hệ quan sát nhiễu 28

Hình 2.12 Sơ đồ khối của động cơ dựa trên sự xác định nhiễu 32 Hình 2.13 Bù nhiễu bằng bộ phản hồi nhiễu 32 Hình 2.14 Sơ đồ thay thế tương đương hình 3 33

Hình 2.16 Bộ điều khiển vị trí dựa trên bộ điều khiển gia tốc 34 Hình 2.17 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí 35 Hình 2.18 Bộ điều khiển lực dựa trên bộ điều khiển gia tốc 36 Hình 2.19 Tính toán nhiễu bằng tín hiệu gia tốc 39 Hình 2.20 bộ quan sát nhiễu bằng tín hiệu tốc độ 40 Hình 2.21 Bộ quan sát nhiễu bằng tín hiệu vị trí 41

Ch ương III Xây dựng bộ quan sát nhiễu trong hệ thống điều khiển tốc

Hình 3.1 Cấu hình chung của hệ điều khiển 2 bậc tự do 44

Hình 3.2: Thiết kế hệ thống servo dựa trên bộ điều khiển 2 bậc tự do 46

Hình 3.3 Cấu hình mô tả của hệ thống servo đề xuất trong hình 49

Hình 3-5: Bộ quan sát nhiễu hệ thống servo 51

Hình 3.6: Đặc tính tần số của hàm nhạy 53

Trang 5

Hình 3.7 Đặc tính tần số của hàm nhạy bổ xung 54

Hình 4- 1 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện 49

Hình 4.2 Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ 60

Hình 4.3 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống 62

Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát nhiễu 63

Hình 4.5 Đặc tính tốc độ và dòng điện khi có bộ quan sát nhiễu 64

Hình 4.6 Đặc tính tốc độ khi có bộ quan sát nhiễu 64

Hình 4.7 Đặc tính tốc độ và dòng điện khi không có bộ quan sát nhiễu 65

Hình 4.18 Đặc tính dòng điện và tốc độ khi có bộ quan sát nhiễu 72

Hình 4.20 So sánh đặc tính tốc độ và dòng điện khi có và không có bộ

Trang 6

MỤC LỤC

Hình 4.29 So sánh đặc tính tốc độ khi có và không có bộ quan sát nhiễu 79

Hình 4.33 Đặc tính dòng điện và tốc khi không có bộ quan sát nhiễu 82

Hình 4.36 Đặc tính dòng điện và tốc khi không có bộ quan sát nhiễu 84

Hình 4.37&4.38 So sánh đặc tính tốc độ khi có và không có bộ quan sát

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN……….1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU……… 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……… 3

M Ở ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 10

1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG 10

1.2 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 11

1.3 PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 12

1.4 KẾT LUẬN 15

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH QUAN SÁT NHIỄU VÀ ỨNG DỤNG 17

2.1TỔNG QUAN VỀ NHIỄU 19

2.1.1 Mô hình toán học nhiễu – Ước lượng nhiễu 19

2.1.2 Xấp xỉ nhiễu bậc cao 24

2.1.3 Quan sát nhiễu 24

2.1.4 Khử nhiễu 25

2.2 MÔ HÌNH QUAN SÁT NHIỄU 26

2.2.1 Tổng quan về việc thiết kế bộ quan sát nhiễu 26

2.2.2 Cấu hình hệ thống điều khiển tổng quát 28

2.2.3 M ô hình quan sát nhiễu trong hệ thống đơn giản 28

2.2.4 Mối quan hệ giữa bộ điều khiển hai bậc tự do và mô hình quan sát nhiễu 30

2.3 ỨNG DỤNG CỦA QUAN SÁT NHIỄU TRONG ĐIỀU KHIỂN Error! Bookmark not defined. 2.3.1 Nhiễu tác động vào động cơ 32

2.3.2 Phản hồi nhiễu 33

2.3.3 Bộ điều khiển gia tốc 34

2.3.4 Điều khiển chuyển động dựa trên bộ điều khiển gia tốc 35

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU 44

3.1THAM SỐ HÓA BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI BẬC TỰ DO 45

3.2THIẾT KẾ HỆ THỐNG SERVO BỀN VỮNG HAI BẬC TỰ DO 46

3.2.1 Tham số hóa 46

3.2.2 Thiết kế tham số Q(s) 50

3.3 ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SERVO SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI BẬC TỰ DO 51

3.3.1 Tương đương hệ thống servo dựa trên quan sát mômen nhiễu 51

3.3.2 Thay đổi tham số động cơ và nhiễu tải 52

3.4KẾT LUẬN 55

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 56

4.1 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 56

4.2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ SERVO 58

4.3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 61

4.3.1 Tham số động cơ servo dùng mô phỏng: 62

4.3.2 Tham số bộ điều chỉnh 62

4.3.2 Tham số bộ quan sát nhiễu 62

4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 64

Trang 8

4.4.1 TH1: Khảo sát với τ = 0.03s 64

4.4.1.1 Thực hiện mô phỏng khi có nhiễu tải M = 1Nm, tốc độ 300v/ph 64

4.4.1.2 Thực hiện mô phỏng khi có nhiễu tải M T = 5Nm, tốc độ 300v/ph 66

4.4.1.3 Thực hiện mô phỏng khi nhiễu tải M T =1Nm, tốc độ 100v/ph 70

4.4.1.4 Thực hiện mô phỏng với nhiễu tải M T = 5Nm, tốc độ 100v/ph 72

4.4.1.5 Thực hiện mô phỏng khi nhiễu tải M=5Nm, tốc độ 500v/ph, 74

4.4.2 TH2: Khảo sát với τ = 0.3s 79

4.4.2.1 Thực hiện mô phỏng khi tốc độ = 500v/ph và M = 1Nm 79

4.4.3 TH3: Khảo sát với τ = 0.003s 86

4.4.3.3 Th ực hiện mô phỏng khi tốc độ = 500v/ph và M = 5Nm 90

4.5 KẾT LUẬN……… 96

KẾT LUẬN……… ……… 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 100

TÓM TĂT LUẬN VĂN……… ………101

Trang 9

MỞ ĐẦU

Các hệ thống Điều chỉnh tự động - Truyền động điện (ĐCTĐ-TĐĐ) được sử dụng để tạo nên các chuyển động trong các máy và thiết bị công nghiệp Các máy và thiết bị công nghiệp phục vụ trong các dây chuyền công nghệ, muốn tạo thành các chi tiết hay các sản phẩm thì đều phải có những chuyển động cần thiết, thậm chí các chuyển động này lại có liên động chặt chẽ với nhau Ví dụ: Trên các máy cắt kim loại, muốn gia công được các chi tiết thì phải có các chuyển động chính, chuyển động ăn dao và chuyển động phụ, các chuyển động này phối hợp với nhau theo yêu cầu của quá trình công nghệ Các khớp của tay máy (ROBOT) sẽ có các chuyển động riêng trong các

hệ toạ độ suy rộng để phối hợp với nhau tạo nên các quỹ đạo chuyển động yêu cầu.v.v Mặt khác mỗi chuyển động lại có những yêu cầu riêng như: Phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ trơn điều chỉnh, tính chất của mômen cản, v.v

Trong thực tế các hệ thống điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) phải tạo ra các chuyển động cơ học là quay tròn hay tịnh tiến hoặc vừa quay tròn vừa tịnh tiến (song phẳng) Nguồn động lực cho các chuyển động này có thể là nhiệt, thuỷ lực, khí nén, điện, v.v Đối với những hệ thống điều khiển chuyển động trong lĩnh vực truyền động điện tự động thì mục tiêu cơ bản là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào các tác động nhiễu lên hệ thống

Hệ thống điều khiển chuyển động cần phải tin cậy, chính xác, giá thành

rẻ và tiết kiệm năng lượng, thường bao gồm 6 phần: Nguồn năng lượng điện với điện áp và tần số ổn định; bộ biến đổi có điện áp và tần số thay đổi; hệ thống điều khiển số hoặc tương tự với các liên hệ phản hồi cơ - điện; động cơ điện; các bộ truyền cơ khí và phụ tải

Trang 10

Ba lĩnh vực chủ yếu liên quan đến sự phát triển của điều khiển chuyển động là: Điện tử công suất (bao gồm cả các thiết bị và mạch điện), máy điện (chủ yếu là động cơ điện các loại) và kỹ thuật điều khiển (bao gồm cả kỹ thuật

xử lý tín hiệu) Khó có thể nói lĩnh vực nào quan trọng hơn lĩnh vực nào, tuy vậy sự đóng góp của ba lĩnh vực trên vào sự phát triển của điều khiển chuyển động là rất to lớn Do đòi hỏi của việc tăng hiệu quả và cải tiến chất lượng sản phẩm, cho nên các thiết bị kỹ thuật ngoài việc giảm giá thành còn phải tăng hiệu suất, giảm sóng hài của nguồn, kết cấu gọn nhẹ, xử dụng thuận tiện và tiêu chuẩn hoá cao

Trong xu thế hiện tại các hệ thống điều khiển chuyển động ngày càng tin cậy hơn, chính xác hơn, dễ sử dụng hơn và giá rẻ hơn là vì:

a) Việc đưa vào sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất cao tần và hiệu suất cao

b) Sự phát triển của kết cấu máy điện mới

c) Việc sử dụng các thuật toán điều khiển hiện đại trực tiếp, tinh xảo Mục tiêu cơ bản của hệ điều khiển chuyển động là: Đảm bảo điều khiển tin cậy trong các lĩnh vực hoạt động yêu cầu Hệ điều khiển phải động nhưng

ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: Tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp

và dòng điện quá lớn, v.v

Trang 11

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất

và chất lượng sản phẩm Vì vậy các hệ thống truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao

Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống truyền động điện không những đáp ứng được

độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước

và hạ giá thành của hệ

Hệ truyền động điện có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, nó thực hiện nhiệm vụ: biến đổi điện năng thành cơ năng quay máy sản xuất đồng thời điều khiển sự biến đổi dòng năng lượng này theo yêu cầu công nghệ của máy và dây chuyền sản xuất Vì vậy khi nghiên cứu hệ truyền động điện người ta cần quan tâm giải quyết hai vấn đề: Vấn đề thứ nhất là nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của các hệ truyền động điện và phương pháp điều khiển dòng năng lượng đó, ta gọi đó là phần “Cơ sở truyền động điện” Vấn

đề thứ hai là nghiên cứu điều khiển các hệ truyền động trong đó cần phải xây

Trang 12

Hình 1-1 Mô tả cấu trúc chung của hệ truyền động

BBĐ- Bộ biến đổi; ĐC- Động cơ truyền động; MSX- Máy

sản xuất; R T- Bộ điều chỉnh công nghệ; K T – Các bộ đóng

ngắt phục vụ công nghệ; R – Các bộ điều chỉnh truyền động; K – Các bộ đóng ngắt phục vụ truyền động; VH – Người vận hành; GN – Mạch ghép nối

dựng cấu trúc điều khiển các hệ truyền động và thiết kế các bộ điều khiển, phần này được gọi là “Điều khiển truyền động”

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện tử, phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện-cơ cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó

1.2 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Muốn đáp ứng mục tiêu trên thì các hệ thống điều khiển chuyển động trong lĩnh vực này phải là các hệ thống điều chỉnh tự động - truyền động điện, cấu trúc tổng quát của nó như hình 1

Phần lực bao gồm: Bộ biến đổi năng lượng (BĐ) cung cấp cho động cơ điện (M) kéo máy sản xuất (Mx) Phần điều khiển gồm: thiết bị đo lường

R

K

VH GN

ÐC

R T

K T

Trang 13

(ĐL), các bộ điều chỉnh (R) Tín hiệu điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt (THĐ), ngoài ra còn có các tín hiệu nhiễu loạn (NL) tác động lên hệ thống

Các bộ điều chỉnh (R) nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt (THĐ) với tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động (ĐL) Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh được khuếch đại, tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống truyền động Trong thực tế các đại lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động là mômen (dòng điện), tốc độ, vị trí Để đảm bảo chất lượng của hệ thống có nhiều mạch vòng điều chỉnh như: điện áp, dòng điện, tốc độ, từ thông, công suất, mômen, tần số, v.v

Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, không phải hệ truyền động nào cũng

có đầy đủ cấu trúc như vậy Cho nên có thể phân loại hệ truyền động điện như sau

1.3 PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

- Truyền động nhiều động cơ :Trong hệ TĐ này ,mỗi chuyển động riêng biệt của máy do một động cơ riêng đảm nhận

Trang 14

Hình thức TĐ này làm đơn giản nhiều kết cấu cơ khí, giảm kích thứơc và trọng lượng máy, công suất động cơ được tận dụng, dễ tự đông hoá ngay ở mức độ cao

b Theo đặc điểm truyền động

- Chuyển động quay

- Chuyển động thẳng

c Theo chế độ làm việc

- Chế độ làm việc liên tục

- Chế độ làm việc gián đoạn

d Theo chiều quay của động cơ

- Truyền động có đảo chiều (quay)

- Truyền động không đảo chiều (quay)

e Theo loại dòng điện

- Truyền động điện xoay chiều: dùng động cơ xoay chiều

- Truyền động điện một chiều: dùng động cơ một chiều

f Theo đặc điểm thay đổi các thông số điện

- Truyền động không điều chỉnh: động cơ nối thẳng với nguồn điện và kéo máy với một tốc độ nhất định Thông số điện của hệ thống thay đổi là do nhiễu bên ngoài

- Truyền động có điều chỉnh:

Trong loại này, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ Ngoài ra tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta

Trang 15

có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều khiển theo chương trình v.v

g Theo thiết bị biến đổi

- Hệ máy phát – động cơ (F-Đ): động cơ điện một chiều được cấp điện từ máy phát một chiều (bộ biến đổi máy điện)

Thuộc hệ này có hệ máy điện khuyếch đại - động cơ (MĐK–Đ) Đó là hệ

số có bộ BĐ máy điện là máy điện khuyếch đại (MĐKĐ) từ trường ngang

- Hệ chỉnh lưu - động cơ (CL-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ bộ chỉnh lưu Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu diode) hay có điều khiển (chỉnh lưu thyristor: hệ T-Đ) v v

h Theo tín hiệu điều chỉnh

Nếu quan tâm tới tín hiệu điều chỉnh ta có bộ điều chỉnh tương tự (analog) và bộ điều chỉnh số (digital) Mặt khác nếu quan tâm tới cấu trúc hoặc thuật điều khiển ta có: Điều khiển thích nghi, điều chỉnh vectơ, v.v Căn cứ vào số trục truyền động trong hệ thống ta có hệ một trục, hai trục và nhiều trục Khi xét nhiệm vụ chung của hệ thống ta có thể chia làm hai loại:

- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước không đổi, thí dụ như duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi, duy trì công suất không đổi, v.v

- Hệ điều chỉnh vị trí, hệ này lại chia ra:

- Hệ truyền động hay gọi là hệ bám, trong đó điều khiển truyền động theo lượng đặt trước biến thiên tuỳ ý, ta thường gặp ở cơ cấu truyền động ăn dao, máy cắt kim loại, quay ăngten, rada, kính viễn vọng, tay máy, người máy, v.v

Trang 16

- Hệ điều khiển chương trình: Đại lượng điều khiển lại tuân theo một chương trình đặt trước Thông thường đại lượng điều chỉnh ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp cho nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục Chương trình điều khiển ở đây được mã hoá ghi vào bìa, băng từ, đĩa từ, v.v Hệ điều khiển chương trình có cấu trúc phức tạp nhất, vì

nó vừa phải thoả mãn yêu cầu điều chỉnh duy trì theo lượng đặt không đổi, lại vừa thoả mãn yêu cầu của truyền động SERV0 và dùng điều khiển số có máy tính điện tử hệ CNC (Computer Numeric Control)

1.4 KẾT LUẬN

Trong nhiều trường hợp kỹ thuật điện làm ảnh hưởng tới vị trí cạnh tranh trong công nghiệp Ví dụ việc giảm giá thành của các thiết bị bán dẫn công suất, việc nâng cao hiệu suất, tần số của các bộ biến đổi mới làm cho tỷ trọng truyền động xoay chiều đã đạt từ (15 ÷ 20) % đến 50% trong năm 2000 Trong các năm đầu thế kỷ 21 tỷ trọng này sẽ tăng lên

Tương lai của các hệ điều khiển chuyển động sẽ thuộc về ứng dụng động cơ xoay chiều, các bộ biến đổi có giá trị rẻ, kết cấu động cơ mới như: Động cơ từ trường vĩnh cửu, động cơ từ trễ, v.v các thuật toán điều khiển tinh vi cho phép tạo ra các thiết bị có hiệu suất cao Các thiết bị xoay chiều sẽ được sử dụng rộng rãi vì giá thành rẻ hay hiệu suất cao hơn khi cùng vốn đầu

tư ban đầu

Ngày nay trong kỹ thuật sử dụng rộng rãi các bộ vi xử lý, xử lý tín hiệu

số như VLSI sẽ làm giảm số lượng và kích thước máy, làm tinh tế thêm kỹ thuật điều khiển kết quả là tạo ra các thiết bị gọn hơn, hiệu suất cao hơn và tin cậy hơn

Cuối cùng ứng dụng mô phỏng số hoá một mô hình động hoàn toàn của một hệ thống điều khiển chuyển động sẽ trả lời đầy đủ câu hỏi: "Hệ thống

Trang 17

thiết bị nào sẽ được người tiêu dùng chọn ở giá nhất định và chức năng nào là quan trọng?" Nói cách khác thiết kế theo yêu cầu của người sử dụng là vấn

đề trong tương lai của hệ điều khiển chuyển động

Tuy nhiên, một vấn đề cốt lõi trong điều khiển nói chung và trong truyền động nói riêng đó là giảm thiểu sự sai lệch hay nói cách khác là hạn chế tối đa

sự tác động của nhiễu lên hệ thống Vì vậy, trong phạm vi luận văn này, chúng ta sẽ nghiên cứu một số vấn đề về nhiễu và cách giảm thiểu sự ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống

Trang 18

CHƯƠNG II

Như đã biết, một hệ thống điều khiển thông thường và tổng quát nhất có sơ đồ khối như sau:

Trong đó:

C: Bộ điều khiển

P: Đối tượng

y: Đáp ứng đầu ra hệ thống

Uđ: Đầu vào đặt

Nếu hệ thống là tuyến tính và ở điều kiện lý tưởng thì ta sẽ thu được đáp ứng đầu ra y trùng với giá trị đầu vào đặt u Tuy nhiên trong thực tế luôn có các nhiễu loạn tác động gồm các sai lệch như sau:

- Sai lệch tham số: Các sai lệch này liên quan đến sự thay đổi của các tham

số, ví dụ như sự thay đổi của Ra, La trong các phương trình trạng thái của động cơ một chiều

- Sai lệch động học: Mô hình toán học thu được có thể đúng ở một số (hay một dải tần số nào đó, ví dụ như ở dải tần số thấp), nhưng có thể không đúng

Uđ

Uph

y _

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

Trang 19

(hoặc bị sai lệch) ở một số tần số khác Hay nói cách khác, mô hình toán học không phản ánh được đúng bản chất vật lý của hệ thống trong toàn bộ dải tần làm việc

- Sai lệch tham số và sai lệch động học còn được gọi là sai lệch có (được) cấu trúc (structured uncertainties) Hiểu nôm na là khi nhìn vào các phương trình

mô tả hệ thống (hay cấu trúc của hệ thống) ta có thể chỉ ra được sai lệch đó là

do thành phần nào gây ra

- Sai lệch không có cấu trúc (unstructured uncertainties): Nếu thành phần sai lệch không tuân theo bất kỳ một cấu trúc đặc biệt nào (hay nôm na là không thể biểu diễn nó ra được dưới dạng tường minh) thì sai lệch đó gọi là sai lệch không có cấu trúc Ví dụ, khi xây dựng các phương trình mô tả một đối tượng nào đó ta có thể bỏ qua một số yếu tố (để cho việc xây dựng mô hình được đơn giản hay cho phép tuyến tính hóa mô hình), đại loại như: do ở dải công suất lớn điện trở Ra rất nhỏ, có thể bỏ qua, hay do điện áp biến thiên chậm nên đạo hàm của nó theo thời gian bằng 0

Tất cả những nhiễu này tác động lên hệ thống làm cho y ≠ u (như hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống khi có tác động của nhiễu

Tdis

Trang 20

Vì vậy vấn đề đặt ra ở bài toán điều khiển chính xác và bền vững là làm sao khử Tdis đó hay chính là bù được ảnh hưởng của Tdis để đầu ra gần đầu vào nhất Tuy nhiên việc đo trực tiếp Tdis gặp rất nhiều khó khăn, vì vậy trong thực tế người ta thường tính toán Tdis bằng cách ước lượng nhiễu, sau đó ta tiến hành quan sát bằng một bộ quan sát thông qua việc đo những tín hiệu vào/ra khác nhau Trong phần lớn các trường hợp, ta có thể tính toán được Tdis thông qua việc đo giá trị dòng điện và tốc độ động cơ để bù sự sai lệch do nhiễu gây ra hay nói cách khác, sau khi ước lượng, quan sát ta sẽ khử Tdis gây

ra sai lệch

2.1 TỔNG QUAN VỀ NHIỄU

2.1.1 Mô hình toán học nhiễu – Ước lượng nhiễu

Mục tiêu đầu tiên là ước lượng nhiễu trong một hệ thống tuyến tính Đối với mục đích này, chúng ta giả sử rằng hệ thống tuyến tính là hệ một đầu vào-một đầu ra (SISO) Theo [2] hệ thống tuyến tính có phương trình như biểu thức 2.1 Ở đây d là nhiễu thêm vào như là một hàm đơn trị

ed bu Ax

y là đầu ra và u là đầu vào của hệ thống,

a a

A

1

00

0

10

0

01

0

3 2

Trang 21

B là véc tơ phân phối có dạng sau:

00

2 1 1

1 2

1 1

)(

a s a s

a s

c s c s

c s c K s U

s Y

n n

n n n

m m

++++

+

++++

a a

A

0 03

02

1

00

0

10

0

01

Trang 22

a a

A

0 03

02

1

00

0

10

0

01

00



Chú ý rằng, sự thay đổi của ma trận động học A cân bằng với sự thay đổi của hệ số trong cột thấp nhất của ma trận A Cũng như vậy, sự thay đổi của b thực chất là cân bằng với sự thay đổi của hệ số K Biểu thức hệ thống được biến đổi thành biểu thức 2.4

)(

0 0

ed bu Ax

u b x A

ed u b b

x A A

x

+

∆+

∆++

=

+

∆++

∆+

=

•

(2.4) Thành phần thứ 3 là tổng ảnh hưởng của nhiễu và sự thay đổi tham số Có thể định nghĩa hàm vô hướng như một nhiễu tương đương:

)(

~

bu Ax

e d

0x b u e d A

Trang 23

Bởi vì d~ là hàm của thời gian, nên đuợc khai triển thành chuỗi theo thời gian Nếu như d~ được so sánh là thấp hơn với hệ thống động lực học, nó có thể được xấp xỉ như dạng sau:

0

~ ) (

=

p p

dt

d d

Biểu thức (2.7) kết hợp với biểu thức (2.6) cho kết quả là:

u b x A x

~ 0

~

~ 0

~

d d d x

x x

n

a a

000

00

0

00

0

00

1

00

01

00

0

00

10

0

000

01

0

0 03

02 01

0

~

Trang 24

0

b là một véc tơ phân phối được tăng lên có dạng:

p n K

00

Trong biểu thức 2.8, một nhiễu tương đương được coi như là một biến trạng thái có khả năng thay đổi Đây là điểm mấu chốt trong quá trình thiết kế Biểu thức 2.8 giống với biểu thức 2.1 Tuy nhiên, biểu thức 2.8 có vẻ như không có bất kỳ nhiễu hay sự thay đổi tham số nào Sự khác nhau là kích thước của biểu thức Rõ ràng không còn khả năng điều chỉnh, tuy nhiên may mắn rằng vẫn bảo toàn được khả năng quan sát Có thể xây dựng được bộ quan sát với nhiễu tương đương ước lượng d~ Một bộ quan sát như vậy được gọi là bộ quan sát nhiễu Khi nhiễu tương đương được ước lượng hoặc xác định, thì có thể tổng hợp được 1 đầu vào u để thêm vào một tín hiệu nhằm khử nhiễu Đây

là nguyên lý của kỹ thuật quan sát và khử nhiễu Đôi khi công nghệ này được gọi là “zeroing” hoặc “cancellation”

Trang 25

dụ, nếu d~ được xấp xỉ bởi từng đoạn đường dạng chữ nhật, đạo hàm bằng không ở hầu hết các nơi Đây là trường hợp p = 1 trong biểu thức 2.7 Tương

tự, nếu như hàm được xấp xỉ bởi từng đoạn thẳng, đạo hàm bậc hai bằng không Bằng việc tăng sự phù hợp của hàm bởi một đa thức bậc (p-1), chúng

ta sẽ thu được biểu thức 2.7, điều này có nghĩa là nhiễu tương đương của 1) bước được ước lượng phía trước Từ một luận điểm thực tế, p nhỏ hơn 3 cho ta sự xấp xỉ đủ tốt Trong trường hợp biểu thức 2.7, ma trận trạng thái được tăng lên và được sắp đặt là đáp ứng theo biểu thức 2.8

(p-2.1.3 Quan sát nhiễu

Khi hệ thống tuyến tính với nhiễu thêm vào đã được đưa ra trong biểu thức 2.8, ta có thể xây dựng bộ quan sát (giảm bậc) với d ~ xấp xỉ với đạo hàm theo p bằng 0 Sử dụng biểu thức 2.8, các bộ quan sát có thể được xây dựng Một bộ quan sát giảm bậc được thiết kế bởi phương pháp Gopinath’s với bậc

là n+p-m Một bộ quan sát đủ bậc n+p cũng áp dụng được Có một vài phương pháp thiết kế cho việc thiết kế bộ quan sát như trên Hầu hết chúng đều bao hàm phương pháp Gopinath’s Một ví dụ đã được áp dụng là hệ thống chuyển động sẽ được chỉ ra sau Tính động lực học của bất kỳ một bộ quan sát

Trang 26

nào là được xác định rõ; những kết quả tốt đã đạt được bởi tư duy cẩn thận của việc định rõ cực của bộ quan sát

Số hạng thứ 2 được tổng hợp, và vì vậy nhiễu tương đương được khử bởi phản hồi của nhiễu ước lượng tương đương d Rõ ràng u~ disđược xác định bởi biểu thức sau:

Trang 27

2.2 MÔ HÌNH QUAN SÁT NHI ỄU

2.2.1 Tổng quan về việc thiết kế bộ quan sát nhiễu

Như đã phân tích ở trên, nhiễu có nhiều loại và do nhiều nguyên nhân gây ra Tuy nhiên trong phạm vi luận văn nghiên cứu này chúng ta chỉ xét tới một trường hợp cụ thể và khá phổ biến trong thực tế của nhiễu, đó là nhiễu tải Ta gọi đây là Tdis

Từ phương trình chuyển động của động cơ:

dt

d J T

=

M M M dis T J s

Trong đó: TM = Kt Ia là mômen của động cơ [Nm]

Kt : là hằng số mômen của động cơ [Nm/A]

Ia : là dòng điện động cơ [A]

Vậy mômen nhiễu được tính toán như sau:

M Mn t

tn dis K I J s

Trang 28

Sau khi tính toán được tín hiệu mômen nhiễu T~dis tín hiệu này được đưa qua

bộ lọc thông thấp bậc nhất GLF(s) Nhiệm vụ của bộ lọc này là triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu tần số cao, ảnh hưởng của nhiễu mômen bên ngoài, sự thay đổi các tham số vật lý của động cơ: Kt, JM

Hàm truyền đạt của GLF(s) như sau:

g s

+

=)( , g là tần số cắt của bộ lọc [rad/s]

Giá trị mômen thu được sau bộ lọc sẽ là:

~

~'dis T dis

g s

g T

+

=Vậy ta có sơ đồ phản hồi mômen nhiễu tính toán như sau:

Như vậy, sự kết hợp sơ đồ tính toán mômen nhiễu thông thường với bộ lọc thông thấp, từ đó phản hồi mô men nhiễu T’dis để bù ảnh hưởng của mômen nhiễu về hệ thống trở thành bền vững với nhiễu, bền vững với sự thay đổi tham số của hệ thống

Trang 29

2.2.2 Cấu hình hệ thống điều khiển tổng quát

2.2.3 Mô hình quan sát nhiễu trong hệ thống đơn giản

Đầu tiên ta có mô hình quan sát nhiễu đơn giản nhất như sau:

u: input

d: disturbance

y: output r: reference

+ + ξ : observation noise

Hình 2-5 Cấu trúc hệ thống điều khiển chung

1/Js

JnS

yd

d^

+-

Hình 2- 6 Mô hình quan sát nhiễu 1

Jns

Trang 30

Trong mô hình quan sát này:

y = (1/Js) u + (1/Js) d d^ = Jnsy – u

u + d = Jsy khi đó : d^ = (Jn – J)sy + d

Để khử tín hiệu nhiễu loạn d, thì giá trị d^ được hồi tiếp trở lại đầu vào như hình sau:

Trong mô hình này, đầu ra y = (1/Jns) u + 0*d

Tuy nhiên với mô hình trên hệ thống sẽ mất ổn định, dó đó một bộ lọc Q được thêm vào như sau:

1/Js

JnS

yd

d^’

u + +

+-

+

u’

-Hình 2.7 Mô hình quan sát nhiễu 2

Jns

1/Js

J n S

y d

d^’’

+ -

+

u’

-Q

Hình 2.8 Mô hình quan sát nhiễu 3

Jns

Trang 31

-+ +

Xét sơ đồ khối hệ quan sát nhiễu:

Hình 2.9 Bộ điều khiển hai bậc tự do trong hệ thống servo

+

Q

P -

-+ -

low pass filter inverse system

Gry * 1- Gry *

1 Pn

Hình 2-10 Sơ đồ khối hệ quan sát nhiễu

Trang 32

Chúng ta nhận thấy hai sơ đồ này có sự tương đồng như sau:

n ry

ry b

P G

Q

1+

=

Điều này cho thấy, giữa bộ điều khiển hai bậc tự do và bộ quan sát nhiễu có

sự tương đồng về mặt hình thức và ý nghĩa Một cách cụ thể, có thể nói, bộ quan sát nhiễu là một trường hợp riêng của bộ điều khiển hai bậc tự do

2.3 ỨNG DỤNG CỦA QUAN SÁT NHIỄU TRONG ĐIỀU KHIỂN

Mục này giới thiệu ứng dụng của bộ quan sát nhiễu trong điều khiển chuyển động động cơ điều khiển trực tiếp Các đầu vào của bộ quan sát nhiễu này là dòng điện được lấy từ bộ chuyển đổi công suất và một tín hiệu vị trí được tính toán đơn giản

Theo [3] động cơ điều khiển trực tiếp là động cơ điều khiển tải không qua hộp giảm tốc; độ cứng cao, do đó tổn thất ma sát nhỏ được mong đợi Động

cơ điều khiển trực tiếp nhạy cảm với nhiễu và bị thay đổi thông số hơn so với động cơ có hộp giảm tốc Động cơ điều khiển trực tiếp tạo mômen lớn thường sinh ra độ nhấp nhô mômen lớn Khi mômen của động cơ tuyến tính – một dạng của động cơ điều khiển trực tiếp giảm bởi hiệu ứng biên, việc điều khiển động cơ tuyến tính là khá khó khăn

Để thực hiện được điều khiển chuyển động nhanh và chính xác động cơ trực tiếp, ta phải bù nhiễu và sự thay đổi thông số Do có những đối tượng chưa biết trước, ma sát và độ nhấp nhô mômen nên động học ngược không thể tính toán được sự thay đổi của tải

Trang 33

2.3.1 Nh iễu tác động vào động cơ

Đầu tiên, chúng ta định nghĩa nhiễu trong động cơ Sơ đồ khối của động

cơ như hình 2-11

Iq: lực (mômen) đưa vào

X: vị trí của động cơ (góc rotor)

M: tải

B: hệ số nhớt

Kt: hằng số đưa vào

Ffre: Lực masat

Fext: lực tương tác khi tiếp xúc

Fint: lực tác động từ bên ngòai

Các tham số M, B, K, và các lực nhiễu Ffre, Fext, Fint thay đổi bất kỳ Động cơ bao gồm 2 loại: 1 là tuyến tính, và 2 là quay Tại đây, chúng ta khảo sát chúng bằng cách tiếp cận hợp lý nhất, và giả định rằng động cơ được điều khiển như động cơ một chiều Từ giả thiết này, chúng ta chỉ sử dụng thuật ngữ dịch Để thực hiện điều khiển gia tốc, chúng ta giả thiết rằng động cơ có hằng số lực Ktn danh định, và khối lượng danh định Mn được chỉ ra như trên hình 2-12 Nhiễu được đưa ra bởi:

q t tn ext

fre n

Hình 2.11 Sơ đồ khối của động cơ

Trang 34

Nhiễu bao gồm sự lực biến đổi tải, lực nhớt, lực tương tác, lực ma sát, phản lực dẫn tới ma sát và nhấp nhô mômen Nếu Iq là dòng điện quy chiếu tới bộ biến đổi thay cho dòng điện dò, sai số dòng điện bắt nguồn từ bộ biến đổi công suất bao gồm hằng số mômen Kt,

Hình 2.12 Sơ đồ khối của động cơ dựa trên sự xác định nhiễu

Trang 35

Fdis = (M-Mn)s2

X+ DsX + Fint +Ffre + (Ktn - Kt) ref

q

I (2.15) Trong đó G(s): ( )

)1

)(

(1

)(1

tn

t cmp

cmp

K

K s

G

s G s

2.3.3 Bộ điều khiển gia tốc

Nếu như dòng điện đặt của hệ thống danh định được chỉ ra trên hình 2-14 được tính toán từ biểu thức:

ref n

ref

K

M I

ref

F M

s G X s X

Trang 36

2.3.4 Điều khiển chuyển động dựa trên bộ điều khiển gia tốc

2.3.4.1 Điều khiển vị trí

Bộ điều khiển tự hiệu chỉnh được chỉ ra trên hình 2-16 được thực hiện bằng bộ điều khiển gia tốc chỉ ra trên hình 2-15 Bộ điều khiển có 3 giá trị đặt của vị trí (xcmd), tốc độ và gia tốc và tính toán quy chiếu gia tốc từ bộ điều khiển gia tốc sử dụng 2-19

Hình 2.15 Bộ điều khiển gia tốc

Cơ cấu điều chỉnh bộ điều khiển truyền động

Trang 37

Bằng việc kết hợp bộ điều khiển gia tốc với bộ điều khiển vị trí, sơ đồ khối đạt được như hình 2-13 Biểu thức sai số được chỉ ra như sau:

dis n

cmd

F K s K s M

s G X

X

)(

2 1

2.3.4.2 Điều khiển lực

Bộ điều khiển lực được chỉ ra trên hình 2-18 cũng được hiện thực hóa bởi bộ điều khiển gia tốc Bộ điều khiển lực tính toán gia tốc đặt từ bộ điều khiển gia tốc (2.21)

xref =

1 1

Hình 2.17 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí

K 1 s+K 2

s2

+_

Trang 38

Kt hệ số phản hồi tốc độ

Sơ đồ khối của bộ điều khiển lực được chỉ ra trên hình 2-19 Mối liên hệ giữa giá trị đặt của lực và đáp ứng của nó cũng được chỉ ra:

dis n

f e

e e

e f

e

cmd

F s G M

M F K

s B s M

K s K M B s M M

2

= +

+

+ +

Ở đây chúng ta giả thiết rằng, đáp ứng lực được biểu diễn bởi

F = (Mes2 + Bes + Ke) ∆X (2.23) Với

Me Khối lượng của đối tượng điều chỉnh

e f

e

e e e

cmd

K s K M B s M M

K s B s M F

F

+ +

=

) (

Trang 39

Từ (2.24), chúng ta thấy rằng đáp ứng lực trùng với giá trị đặt trong trạng thái

ổn định nếu như ảnh hưởng của nhiễu bằng 0 Hơn nữa đáp ứng quá độ được điều khiển như mong muốn nếu như tham số của môi trường là đã biết

2.3.4.3 Phương pháp tính toán nhiễu

Từ việc thảo luận ở trên, chúng ta thấy rằng phản hồi nhiễu thực hiện điều khiển gia tốc của động cơ, và đặc tính của bộ điều khiển vị trí và lực sử dụng bộ điều khiển gia tốc được làm rõ Vì vậy, chúng ta chỉ ra một vài phương pháp để tính toán nhiễu

Trong trường hợp cánh tay robot, có thể tính toán hầu hết nhiễu chỉ ra trong 2.14 lần lượt từng bước một Hơn nữa, sự thay đổi tham số như là sự thay đổi

về khối lượng là không biết trước Vì vậy, việc tính toán nhiễu từ mối liên hệ đầu vào / đầu ra của động cơ là thông minh nhất

2.3.4.4 Ước lượng nhiễu từ mối liên hệ đầu ra/đầu vào

Có một vài phương pháp tính toán nhiễu trong biểu thức 2.14 từ tín hiệu dòng điện mômen và tín hiệu gia tốc, tốc độ hoặc vị trí Phương pháp được chỉ ra trong hình 2-20 tới hình 2-22 và đặc tính của được mô tả trong cột (B) tới cột (D) bảng 1 Cột (A) của bảng 1 chỉ ra trường hợp không có bộ bù nhiễu

Trang 40

Bảng 1 Bù nhiễu bằng thay đổi tín hiệu

g s

g

2

g s g s

g

+ +

'

g s

g

1 2

g s g s

s g s

+ + +

Xcmd - X

) (s2 K1s K2M

) (

Phương trình (9)

) (

K

τ τ

(A) Trong trường hợp không có bộ bù nhiễu (Gcmp(s) = 0) Hàm nhạy G(s) trong (2.16) trở thành hàm đơn vị Khi đó sẽ có sự sai lệch về lực và vị trí trong cả hai trạng thái tức thời và bền vững

(B) Tổng nhiễu cmp

dis

F đạt được mà không có sự trễ (Gcmp(s) = 1) bởi việc tính toán từ dòng điện sinh mô men Iq và gia tốc s2X như hình 2-20

Bởi vì hàm nhạy G(s) = 0 nên không có sự ảnh hưởng của nhiễu và không có

sự sai lệch vị trí trong cả 2 trạng thái tức thời và ổn định Đáp ứng lực được xác định bởi biểu thức 2-24, và trùng với giá trị lực đặt trong trạng thái cố định Phương pháp tính toán nhiễu này là lý tưởng nhưng phi thực tế bởi vì không có các cảm biến gia tốc lý tưởng Hơn nữa, chúng ta cũng không thể đạt được tín hiệu gia tốc mà không có nhiễu bởi sự khác nhau của các tín hiệu

từ cảm biến tốc độ với các cảm biến vị trí

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	1,27 MB