Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền động hai khối

Bộ điều khiển trượt thích nghi ước lượng chính xác hệ số độ cứng của trục, vận tốc động cơ đạt độ ổn định cao nhưng lại làm cho vận tốc của tải bị dao động khi có momen tải tác động, cần

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN GIA KHÔI

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO

HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI

CONTROLLER DESIGN FOR TWO-MASS RESONANT SYSTEM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 60520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2019

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Đoàn Thế Thảo

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Thanh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 7 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí

2 Thư ký: TS Ngô Hà Quang Thịnh

3 Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

4 Phản biện 2: TS Lê Thanh Hải

5 Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Duy Anh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có):

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN GIA KHÔI MSHV: 1670762

Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1989 Nơi sinh: ĐakLak

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 60520114

I TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO

HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI CONTROLLER DESIGN FOR TWO-MASS RESONANT SYSTEM NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Tổng quan về hệ thống truyền động hai khối với khối tác động là động cơ DC Servo

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết bộ điều khiển trượt thích nghi và bộ điều khiển trượt

tích phân, điều khiển vận tốc động cơ bám theo vận tốc đặt có xét yếu tố độ cứng xoắn của trục và tải thay đổi

- Mô phỏng bộ điều khiển, chế tạo mô hình và làm thực nghiệm để kiểm nghiệm bộ

điều khiển trên mô hình thí nghiệm

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/01/2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/6/2019

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐOÀN THẾ THẢO

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG Tp.HCM là nơi tôi mong muốn được học tập lâu nay Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi chân thành cảm ơn đến tất cả các Thầy/Cô bộ môn Cơ điện tử và các Thầy/Cô ở các bộ môn khác đã thực hiện công việc giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi Trong quá trình học tập, dưới sự giảng dạy của các quý Thầy/Cô đã giúp tôi tích lũy được rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm

về lĩnh vực chuyên môn cũng như trong cuộc sống

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Đoàn Thế Thảo đã tận tình hướng dẫn kiến thức chuyên môn và luôn luôn động viên tôi về tinh thần để hoàn thành luận văn đạt kết quả tốt

Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, các anh em học viên cùng khóa cao học đã luôn quan tâm và động viên tôi trong quá trình học tập tại trường

Tp HCM, tháng 7 năm 2019

Nguyễn Gia Khôi

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bày nghiên cứu về hệ thống truyền động hai khối và phương pháp điều khiển vận tốc hệ thống truyền động hai khối sử dụng bộ điều khiển trượt thích nghi và bộ điều khiển trượt tích phân Mục đích của bộ điều khiển là phải đảm bảo sao cho vận tốc của động cơ bám theo vận tốc tham chiếu đồng thời giảm sai số giữa vận tốc của tải và vận tốc động cơ Bộ điều khiển trượt thích nghi ước lượng chính xác hệ số độ cứng của trục, vận tốc động cơ đạt độ ổn định cao nhưng lại làm cho vận tốc của tải bị dao động khi có momen tải tác động, cần phải đo lường hai biến trạng thái vận tốc động cơ và vận tốc tải Bộ điều khiển trượt tích phân chỉ cần

đo lường một biến trạng thái là vận tốc động cơ, vận tốc động cơ đạt độ ổn định cao, giảm sai số vận tốc động cơ và tải khi có momen tải tác động Kết quả của hai bộ điều khiển được mô phỏng trên Mathlab và lập trình nhúng trên vi điều khiển STM32F722VC , mô hình thực nghiệm hệ truyền động hai khối với khối tác động sử dụng động cơ DC Servo

ABSTRACT

The thesis presents research on two-mass resonant system and speed control method of two-mass resonant system using adaptive sliding mode controller and integral sliding mode controller The target of the controller has to ensure that the speed of the motor tracking the reference speed while reducing error between load and motor speeds The adaptive sliding mode controller accurately estimates the axial stiffness coefficient, the motor speed reaches high stability, but the load speed is oscillated when the load torque is applied, two state variables of the system must be measured including motor and load speeds The integral sliding mode controller only needs to measure a state variable is the motor speed, it is reached high stability, reducing error between load and motor speeds while the load torque is applied The results of the two controllers were simulated on Mathlab and embedded programming

on STM32F722VC microcontroller, experimental model of two-mass resonant

system with the active mass using DC servo motor

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các nội dung trong luận văn là kết quả nghiên cứu được tôi thực hiện một cách nghiêm túc

Tất cả các nội dung tham khảo có liên quan được trình bày trong luận văn đều được tôi trích dẫn cụ thể, rõ ràng và chi tiết

HỌC VIÊN

NGUYỄN GIA KHÔI

Trang 7

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Cấu tạo hệ thống truyền động hai khối 1

1.2 Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống truyền động hai khối 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 10

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 11

2.1 Mô hình toán động cơ DC Servo 11

2.2 Nhận dạng các thông số của động cơ DC Servo 12

2.3 Mô hình toán hệ truyền động hai khối với khối tác động là động cơ DC 16

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 21

3.1 Lý thuyết điều khiển trượt 21

3.2 Xây dựng bộ điều khiển trượt thích nghi 25

3.2.1 Lý thuyết điều khiển trượt thích nghi 25

3.2.2 Áp dụng luật điều khiển trượt thích nghi 27

3.3 Xây dựng bộ điều khiển trượt tích phân 33

3.3.1 Lý thuyết điều khiển trượt tích phân 33

3.3.2 Áp dụng luật điều khiển trượt tích phân 35

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 40

4.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm 40

4.1.1 Tổng quan về các thiết bị phần cứng 40

4.1.2 Giới thiệu về vi điều khiển STM32F722VCT6 41

4.1.3 Giao diện phần mềm đo lường và điều khiển 42

4.2 Đáp ứng thực nghiệm của hệ truyền động hai khối 43

4.2.1 Đáp ứng thực nghiệm bộ điều khiển PID 43

4.2.2 Đáp ứng thực nghiệm bộ điều khiển ASMC 45

4.2.3 Đáp ứng thực nghiệm bộ điều khiển ISMC 48

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Phương hướng phát triển 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 1: SƠ ĐỒ SIMULINK 55

PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỆN 57

PHỤ LỤC 3: CHƯƠNG TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN 60

Trang 8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Trục nối trong hệ thống cán 1

Hình 1.2: Khớp nối mềm giữa động cơ và tải 2

Hình 1.3: Hệ truyền động hai khối với động cơ và tải 2

Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ TMRS 3

Hình 1.5: Sơ đồ khối hệ TMRS tham khảo trong [2] 4

Hình 1.6: Sơ đồ khối tương đương hệ TMRS 4

Hình 1.7: Biểu đồ Bode hàm truyền G mL( )s 5

Hình 1.8: Biểu đồ Bode hàm truyền G mm( )s 6

Hình 1.9: Giới hạn gia tốc 7

Hình 1.10: Cấu trúc điều khiển tham khảo trong [4] 7

Hình 1.11: Kết quả nghiên cứu tham khảo trong [4] 8

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều 11

Hình 2.2 : Hàm truyền vòng hở của động cơ DC 12

Hình 2.3: Động cơ DC Servo sử dụng trong mô hình 13

Hình 2.4: Mạch đo lường và điều khiển 13

Hình 2.5: Đáp ứng vận tốc thực tế của động cơ khi thay đổi điện áp 14

Hình 2.6: Mô hình cập nhật các tham số ước lượng của động cơ 14

Hình 2.7: Qúa trình ước lượng lần 1 các thông số động cơ trên Mathlab 15

Hình 2.8: Qúa trình ước lượng lần 2 các thông số động cơ trên Mathlab 15

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc hệ TMRS sử dụng động cơ DC 16

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển PID vận tốc động cơ trong hệ RTMS 18

Hình 2.11: Vận tốc của động cơ và tải với trục có độ cứng K c20Nm rad/ 18

Hình 2.12: Góc lệch  giữa động cơ và tải với trục có độ cứng K c20Nm rad/ 19

Hình 2.13: Vận tốc của động cơ và tải với trục có độ cứng K c  2Nm rad/ 19

Hình 2.14: Góc lệch  giữa động cơ và tải với trục có độ cứng K c  2Nm rad/ 20

Trang 9

Hình 3.1: Hàm sign 22

Hình 3.2: Hiện tượng chattering 23

Hình 3.3: Hàm satlin 24

Hình 3.4: Hàm tanh 24

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tham khảo trong [11] 25

Hình 3.6: Sơ đồ điều khiển ASMC vận tốc động cơ trong hệ RTMS 29

Hình 3.7: Đáp ứng của tốc độ động cơ, tốc độ tải và tín hiệu điều khiển 29

Hình 3.8: Hệ số độ cứng xoắn của trục dựa trên luật thích nghi 30

Hình 3.9: Thành phần tín hiệu điều khiển u hatdựa trên luật thích nghi 30

Hình 3.10: Phase trajectory của bộ điều khiển ASMC 30

Hình 3.11: Đáp ứng của tốc độ động cơ, tốc độ tải và tín hiệu điều khiển khi giảm các hệ số c, ,  31

Hình 3.12: Hệ số độ cứng xoắn của trục khi giảm hệ số thích nghi  31

Hình 3.13: Thành phần tín hiệu điều khiển u hat khi giảm hệ số thích nghi  32

Hình 3.14: Phase trajectory khi giảm các hệ số , ,c   32

Hình 3.15: Sơ đồ điều khiển ISMC vận tốc động cơ trong hệ RTMS 36

Hình 3.16: Đáp ứng của tốc độ động cơ, tốc độ tải và tín hiệu điều khiển khi sử dụng ISMC 37

Hình 3.17: Các thành phần tín hiệu điều khiển u0,u1 37

Hình 3.18: Phase trajectory khi sử dụng ISMC 37

Hình 3.19: Đáp ứng của tốc độ động cơ, tốc độ tải và tín hiệu điều khiển khi giảm hệ số  38

Hình 3.20: Các thành phần tín hiệu điều khiển khi giảm hệ số  38

Hình 3.21: Phase trajectory khi giảm các hệ số  39

Hình 4.1: Hệ thống các thiết bị và linh kiện trong thực nghiệm 41

Hình 4.2: Mô hình hệ TMRS trong thực tế 41

Hình 4.3: Dead time chống ngắn mạch trong điều chế PWM 42

Hình 4.4: Phương pháp đọc encoder trong chế độ x2 42

Hình 4.5: Giao diện phần mềm đo lường và điều khiển 43

Hình 4.6: Hiện tượng dao động khi khởi động động cơ 44

Trang 10

Hình 4.7: Đáp ứng của tốc độ động cơ và tốc độ tải với các

hệ sốK P 235, K I 11320, K D 70 44 Hình 4.8: Tín hiệu điều khiển với các hệ số K P  235,K I  11320, K D  70 44 Hình 4.9: Đáp ứng của tốc độ động cơ và tốc độ tải với các

hệ số c65, 4820,  1045 45 Hình 4.10: Đáp ứng của tốc độ động cơ và tốc độ tải với các

hệ số c65,  30000,  30000 45 Hình 4.11: Đáp ứng của tốc độ động cơ và tốc độ tải với các

hệ số c70,  7540, K 70 48 Hình 4.14: Đáp ứng của tốc độ động cơ và tốc độ tải với các

hệ số c70, 6880, K70 49 Hình 4.15: Đáp ứng của tốc độ động cơ và tốc độ tải với các

hệ số c70, 6820, K70 50

Trang 11

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TMRS: Two-Mass Resonant System

ASMC: Adaptive Sliding Mode Control

ISMC: Integral Sliding Mode Control

ADC: Analog Digital Convert

DAC: Digital Analog Convert

PWM: Pulse Width Modulation

Trang 12

1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Cấu tạo hệ thống truyền động hai khối

Hiện nay, các hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Cơ cấu chấp hành tiếp nhận chuyển động này thông qua các

hệ thống dẫn động cơ khí trung gian như bánh răng, trục nối, khớp nối Thực tế, tất

cả các vật liệu kim loại sử dụng trong hệ truyền động thống dẫn động cơ khí đều có

hệ số modul trượt đàn hồiG(Shear modulus), khi hệ dẫn động chịu tác dụng của momen xoắn sẽ tạo ra góc chuyển vị xoắn giữa điểm đầu và điểm cuối của hệ dẫn động, yếu tố này tạo cho hệ thống trở thành hệ cộng hưởng và có tần số dao động riêng

Trong công nghiệp, tùy theo kết cấu của hệ dẫn động có thể thạo thành hệ truyền động đa khối, xấp xỉ mô hình của hệ truyền động đa khối là hệ truyền động hai khối Hệ thống truyền động hai khối có tính đến yếu tố đàn hồi trên trục được biết đến với tên gọi khác là hệ cộng hưởng hai khối (two-mass resonant system)

Hệ truyền động hai khối khá phổ biến trong các hệ truyền động cơ khí, khi tải

và động cơ được kết nối qua một trục quá dài (long shaft) như trong hệ thống cán, hoặc khớp nối mềm (flexible coupling)

Hình 1.1: Trục nối trong hệ thống cán

(Nguồn

https://galbiatigroup.com/gear-reducers/integrated-pinion-stand-mill-drives/)

Trang 13

Hình1.2: Khớp nối mềm giữa động cơ và tải

(Nguồn

https://www.researchgate.net/figure/Ball-screw-drive-mechanism-UBC_fig7_251551614)

Hệ truyền động hai khối cơ bản có cấu trúc như sau:

- Động cơ phát động (khối thứ nhất) là động cơ điện sinh ra momen truyền động cho hệ thống, phổ biến là động cơ DC Servo và AC Servo

- Cơ cấu chấp hành (khối thứ hai) là khối tiếp nhận momen truyền động, giữa hai khối này được ghép nối bằng trục nối cứng

Hình 1.3: Hệ truyền động hai khối với động cơ và tải

(Nguồn https://sciencedocbox.com/Physics/66069636-Torsion.html)

Trong một hệ thống có đặc tính cơ học hoàn hảo, nếu trục nối là vô cùng cứng thì vận tốc của tải sẽ quay cùng với vận tốc động cơ, nghĩa là không có sai số giữa vận tốc động cơ và tải Trong thực tế, trục không cứng tuyệt đối nên tồn tại sai số giữa vận tốc động cơ và và tốc tải, momen xoắn trên trục bị dao động và tác động

Trang 14

3

ngược trở lại động cơ, trong trường hợp tệ nhất là tải quay ngược chiều động cơ hoặc khuếch đại momen xoắn của động cơ, dao động của vận tốc động cơ và tải xảy ra trong các trường hợp sau:

- Khi vận tốc tham chiếu thay đổi làm thay đổi momen động cơ

- Chịu tác động của momen tải biến thiên

Nếu các yếu tố biến thiên tác động có tần số dao động bằng tần số riêng của

hệ sẽ gây ra hiện tượng dao động cộng hưởng với biên độ cực đại Hiện tượng dao động này làm cho hệ thống mất tính ổn định, nguy hiểm hơn là có thể làm hư hỏng các linh kiện cơ khí của hệ thống

Mô hình hệ truyền động hai khối với động cơ và tải được kết nối bằng một trục và có tính đến yếu tố đàn hồi trên trục như trên Hình 1.4



P

J d : momen quán tính của mặt cắt ngang đối với trục đặc

P c

GJ K

l

 là hệ số độ cứng xoắn của trục [1]

c

K tỷ lệ nghịch với độ dài l của trục, tỷ lệ thuận với modun trượt đàn hồi G

của vật liệu và đường kính d của trục

Trang 15

m m

K

G s s

Hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống

0( ( ) ( ))

Trang 16

Hình 1.7: Biểu đồ Bode hàm truyền G mL( )s

Từ biểu đồ bode biên độ hàm truyền G mL( )s ta thấy rằng, đáp ứng biên độ ( )

L  theo tần số  của hệ thống là tỉ số giữa tín hiệu ra ở trạng thái xác lập ωm(j)

và tín hiệu vào T L(j) hình sin với tần số  tăng dần có xuất hiện tần số cộng hưởng, tại đó có đỉnh cộng hưởng với biên độ cực đại M( )  G mL(j) [5]

Trang 17

Xét hàm truyền giữa vận tốc góc mcủa khối tác động và momen T mcủa khối

tác động [2], [3], [4]

2 2 1

2 2 0

s s

tần số phản cộng hưởng [2]

Trong hàm truyền G mm( )s ngoài tần số cộng hưởng còn có sự xuất hiện của tần số phản cộng hưởng, kết quả là roto của động cơ đứng yên trong khi tải dao động qua lại, hầu hết các thiết kế chỉ gắn cảm biến phản hồi trên động cơ, điều này có thể làm hỏng động cơ trong khi dao động của tải không được phát hiện

1.2 Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống truyền động hai khối

Nghiên cứu tìm ra tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng của hệ thống và tránh thay đổi tín hiệu điều khiển hệ thống vào dải tần này

Tăng tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng để mở rộng băng thông của hệ thống bằng cách tăng độ cứng của trục, giảm quán tính của tải Tuy nhiên, việc tăng

độ cứng của trục thì việc lắp đặt phải rất chính xác, lỗi căn chỉnh có thể gây mài mòn nhanh các ổ bi dẫn đến hư hỏng Thu hẹp băng thông giữa tần số cộng hưởng và tần

số phản cộng hưởng có thể tăng quán tính của động cơ bằng cách sử dụng động cơ lớn hơn nhưng lại làm tăng chi phí và thừa công suất, hoặc lắp thêm khối quán tính vào trục động cơ nhưng lại gây giảm đáp ứng của hệ thống

Trang 18

7

Bổ sung vòng điều khiển gia tốc để thay đổi chậm tốc độ tham chiếu, tuy nhiên

sẽ làm hệ thống hoạt động chậm và có thể dao động khi momen tải thay đổi

Hình 1.9: Giới hạn gia tốc

(Nguồn https://www.controldesign.com/articles/2007/061/)

Hệ cộng truyền động hai khối có nhiều nội dung để nghiên cứu, các công trình nghiên cứu quốc tế đã được kiểm chứng tập trung giải quyết các vấn đề về giảm dao động trong hệ cộng hưởng, điều khiển vận tốc tải bám theo vận tốc đặt, ước lượng các biến trạng thái khó đo lường như momen xoắn trên trục nối và vận tốc của tải Các công trình nghiên cứu đã được biết đến :

- Phương pháp giảm dao động cộng hưởng trong hệ truyền động đa khối sử

dụng bộ điều khiển Fuzzy của Hidehiro Ikeda [4], điều khiển vận tốc sử dụng fuzzy

và điều khiển dòng sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 1.10: Cấu trúc điều khiển tham khảo trong [4]

Trang 19

Hình 1.11: Kết quả nghiên cứu tham khảo trong [4]

- Phương pháp giảm dao động cộng hưởng trong hệ truyền động hai khối sử dụng bộ điều khiển vận tốc PI và bổ sung thêm khâu phản hồi của Krzysztof Szabat

và Teresa Orlowska [6]

Trang 20

9

- Phương pháp điều khiển vận tốc hệ truyền động hai khối sử dụng bộ điều khiển PID với các hệ số PID được thiết kế theo phương pháp đặt cực và điều chỉnh

tỷ kệ quán tính của Guoguang Zhang và Junji Furusho [7]

- Phương pháp điều khiển trượt rời rạc dựa trên việc quan sát các biến trạng thái của mô hình thực dựa trên mô hình danh định của Peter Korondi, Hideki Hashimoto và Vadim Utkin [8]

Trang 21

1.3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Xây dựng mô hình toán và mô hình thực nghiệm hệ truyền động hai khối với khối tác động là động cơ DC Servo Khối tải cũng là một động cơ DC Servo để dàng

đo lường vận tốc tải, có thể tạo ra momen tải bằng cách sử dụng điện trở công suất

để tiêu thụ năng lượng từ động cở tải khi hoạt động ở chế độ máy phát

Tìm hiểu và phân tích các phương pháp điều khiển hệ truyền động hai khối, tìm hiểu bộ điều khiển trượt thích nghi và bộ điều khiển trượt tích phân để điều khiển cho đối tượng phi tuyến là hệ truyền động hai khối Bộ điều khiển phải giảm được dao động của động cơ và tải khi thay đổi vận tốc đặt hoặc khi có momen tải thay đổi tác động vào hệ thống, bảo đảm vận tốc động cơ bám theo vận tốc đặt đồng thời giảm sai lệch giữa vận tốc tải và vận tốc động cơ

Phân tích, đánh giá các kết quả đạt được từ mô hình mô phỏng, phân tích và đánh giá các kết quả đạt được từ thực nghiệm Căn cứ vào các ưu và nhược điểm của các phương pháp mà đề tài đã thực hiện để đưa ra các định hướng phát triển, cải tiến cho đề tài

Trang 22

11

CHƯƠNG II

MÔ HÌNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI

Trong chương II sẽ giới thiệu về mô hình toán hệ truyền động hai khối sử dụng động cơ DC Servo, các thông số của động cơ được nhận dạng bằng thực nghiệm để

áp dụng cho quá trình mô phỏng và thực nghiệm Mô phỏng điều khiển điều khiển hệ cộng hưởng hai khối với trục nối có độ cứng khác nhau sử dụng bộ điều khiển PID,

để đánh giá dao động của hệ thống khi tính đến trục nối có yếu tố đàn hồi

2.1 Mô hình toán động cơ DC Servo

Các thông số của động cơ điện một chiều

https://www.researchgate.net/figure/Equivalent-scheme-of-

Trang 23

Sức điện động cảm ứng tỷ lệ thuận đạo hàm vị trí của động cơ với hệ số K e

Hình 2.2 : Hàm truyền vòng hở của động cơ DC

2.2 Nhận dạng các thông số của động cơ DC Servo

Nhận dạng các thông số của động cơ DC bằng phương pháp thực nghiệm Dựa trên bộ dữ liệu đo lường với đầu vào là điện áp và đầu ra là vận tốc, kết hợp với công

cụ nhận dạng Paramater Estimattion của phần mềm Mathlab (nguồn

https://www.mathworks.com/videos/estimating-dc-motor-parameters-97057.html)

Trang 24

13

Hình 2.3: Động cơ DC Servo sử dụng trong mô hình

Động cơ DC Servo có encoder 2000 xung/vòng, vân tốc và điện áp được thu thập qua board mạch sử dụng vi điều khiển STM32F722VCT6 tốc độ 216Mhz, encoder được đọc mode 2x, thời gian lấy mẫu 10ms

Hình 2.4: Mạch đo lường và điều khiển

Bộ dữ liệu vận tốc và điện áp được truyền lên máy tính thông giao tiếp RS232

to Com, phần mềm nhận dữ liệu được viết bằng Mathlab

Trang 25

Hình 2.5: Đáp ứng vận tốc thực tế của động cơ khi thay đổi điện áp

Sử dụng công cụ Paramater Estimattion trong Simulink của Mathlab để ước

lượng các thông số trong mô hình động cơ DC Các thông số ước lượng được cập nhật vào mô hình để mô phỏng lại đáp ứng vận tốc đầu ra và so sánh sai lệch với vận tốc đo thực nghiệm

Hình 2.6: Mô hình cập nhật các tham số ước lượng của động cơ

Quá trình ước lượng sẽ dừng lại khi các thông số ước lượng hội tụ và hàm mục tiêu tổng bình phương tối thiểu đạt giá trị bé nhất

Trang 26

15

Hình 2.7: Quá trình ước lượng lần 1 các thông số động cơ trên Mathlab

Hình 2.8: Quá trình ước lượng lần 2 các thông số động cơ trên Mathlab Kết quả ước lượng các thông số của động cơ như sau:

R

(Ω)

L (H)

Ke (vol/rad/s)

Kt (Nm/Amp)

Jm (kg.m2)

Bm (kg.m)

1.31934877 0.01917414 0.0986075 0.094165 0.000213 0.00064

Trang 27

2.3 Mô hình toán hệ truyền động hai khối với khối tác động là động cơ DC

Kết hợp mô hình toán hệ truyền động hai khối và động cơ DC ta có mô hình toán của hệ thống

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc hệ TMRS sử dụng động cơ DC

Phương trình trạng thái của hệ TMRS sử dụng động cơ DC như sau [8]:

u y

Trang 28

Ke (vol/rad/s)

Kt (Nm/Amp)

Jm (kg.m2)

Bm (kg.m)

L

20.00064

L

Trang 29

- Giả sử trục động cơ, trục nối và trục của tải được ghép nối đồng tâm để trên trục chỉ tồn tại duy nhất momen xoắn, loại trừ các yếu tố khó xác định khác như momen uốn và lực kéo nén dọc trục.

- Trục nối là đồng nhất về cơ tính và vật liệu

- Mô phỏng với các trục nối có độ cứng khác nhau

Điều khiển PID hệ truyền động hai khối với trục có độ cứng xoắn

20 /

c

K  Nm rad, momen tải T L 0.1Nm tác động trong khoảng thời gian 1s, thời điểm bắt đầu tại giây thứ 2 Quan sát sự ảnh hưởng của độ cứng xoắn của trục đến dao động của hệ thống, sai số giữa vận tốc động cơ và vận tốc tải

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển PID vận tốc động cơ trong hệ RTMS

Hình 2.11: Vận tốc của động cơ và tải với trục có

độ cứng K c 20Nm rad/

Trang 30

Mô phỏng điều khiển PID hệ truyền động hai khối khi giảm độ cứng của trục

10 lần, K c 2Nm rad/

Hình 2.13: Vận tốc của động cơ và tải với trục có

Trang 31

Hình 2.14: Góc lệch  giữa động cơ và tải với trục có

- Nhận xét: Trong trường hợp trục nối có độ cứng xoắn nhỏ hơn, hệ thống bị

dao động mạnh hơn khi vân tốc đặt và momen tải thay đổi độ ngột, dẫn đến sai lệch vận tốc tải và vận tốc động cơ tăng lên, góc chuyển vị xoắn của trục lớn hơn Từ hai kết quả trên ta thấy rằng, hệ số độ cứng xoắn của trục có ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển, gây ra dao động trong hệ thống

Trang 32

21

CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ

TRUYỀN ĐỘNG HAI KHỐI 3.1 Lý thuyết điều khiển trượt

Điều khiển trượt SMC được nghiên cứu từ năm 1960, SMC có thể giải quyết các bài toán phi tuyến khi tham số của đối tượng thay đổi theo thời gian hoặc có nhiễu tác động từ bên ngoài Bộ điều khiển này sử dụng luật điều khiển chuyển đổi để đưa

hệ thống về mặt trượt và duy trì hệ thống trên mặt trượt đó Thực tế các đối tượng điều khiển luôn có quán tính nhất định, do đó bộ điều khiển SMC gây ra hiện tượng dao động (chattering) quanh mặt trượt, hiện tượng này làm hư hỏng các linh kiện cơ khí và cơ cấu chấp hành Vấn đề này đã được giải quyết bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phổ biến là sử dụng hàm satlin và tanh thay cho hàm sign

Xét đối tượng điều khiển là hệ thống phi tuyến được biểu diễn bởi phương

trình trạng thái như sau [9]:

1, (1, 2, , 1)( ) ( )

f R g R : Hàm phi tuyến mô tả hệ thống

Yêu cầu của bài toán điều khiển là thiết kế tín hiệu điều khiển u sao cho tín hiệu ra y bám theo tín hiệu đặt r Tín hiệu điều khiển u được thiết kế dựa trên hàm

s được định nghĩa như sau:

Trang 33

1, 2, , n1

c c c là các hệ số được chọn sao cho đa thức đặc trưng của phương trình

vi phân s0 có tất cả các nghiệm với phần thực âm [9]

Phương trình s0 xác định mặt cong trong không gian n chiều gọi là mặt trượt (sliding surface) Trong bài toán điều khiển trượt, cần xác định luật điều khiển

u để đưa các quỹ đạo pha của hệ thống quay về mặt trượt và duy trì trên mặt trượt bền vững đối khi f( ), ( )x g x thay đổi [9]

Chọn hàm Lyapunov: 1 2

02

s

(3.10)

Trang 34

e e t (khi t  thì e0) Tập hợp các điểm ( ( ), ( ))e t e t theo thời gian gọi là phase trajectory, hiện tượng dao động của phase trajectory quanh mặt trượt gọi là chattering

Hình 3.2: Hiện tượng chattering

Trong thực tế các cơ cấu chấp hành luôn có quán tính, chính vì vậy làm cho tín hiệu điều khiển u không thể thay đổi giá trị một các tức thời khi phase trajectory vừa chạm mặt trượt Kết quả là phase trajectory vượt qua mặt trượt và quay trở về mặt trượt, quá trình này lặp đi lặp lại làm phase trajectory dao động quanh mặt trượt Hiện tượng này được gọi là hiện tượng chattering và mang lại những hiệu ứng không

mong muốn như sau [9]:

- Phát sinh sai số điều khiển

- Làm nóng các mạch công suất

- Làm hao mòn các bộ phận cơ khí

- Kích hoạt các tần số cộng hưởng làm giảm chất lượng điều khiển hoặc làm dao động gây mất ổn định

Để khắc phục hiện tượng dao động quanh mặt trượt ta có thể thay hàm sign

bằng hàm satlin, hàm tanh hoặc hàm relay [10]

Trang 35

số độ cứng K ccủa trục và sử dụng bộ điều khiển trượt tích phân (ISMC) để điều khiển

hệ phi tuyến chứa nhiều tham số không chắc chắn mà không cần ước lượng

Trang 36

25

3.2 Xây dựng bộ điều khiển trượt thích nghi

3.2.1 Lý thuyết điều khiển trượt thích nghi

Hệ thống điều khiển trong đó các thông số của bộ điều khiển thay đổi trong quá trình vận hành nhằm giữ vững chất lượng hệ thống khi các thông số của đối tượng biến đổi không biết trước gọi là bộ điều khiển thích nghi

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tham khảo trong [11]

Tùy theo cách chỉ định thông số mà ta có các phương pháp điều khiển thích nghi khác nhau Nếu khối nhận dạng thông số của đối tượng và khối chỉnh định tính toán thông số của bộ điều khiển theo mô hình của đối tượng ta có bộ điều khiển thích nghi gián tiếp, ngược lại nếu khối nhận dạng ước lượng thông số của bộ điều khiển

ta có sơ đồ điều khiển thích nghi trực tiếp [11]

Xét hệ phi tuyến ở phương trình trạng thái (3.1):

Vector sai số bám : e( ) t x( ) t r( ) t  e t e t1( ), ( ), ,2 e t n( )

Phương trình động học sai số bám:

1, ( 1, 2, , 1)( ) ( ) ( )

n n

Trang 37

Khi tín hiệu ra bám theo tín hiệu đặt, thay u vào (3.14) với v( , )x t là giá trị tham chiếu của x ta có: n

khiển [11]

Điều khiển trượt thích nghi gián tiếp [11]

Hệ phi tuyến có thể được biểu diễn lại dưới dạng tổng quát như sau

1

, (1, 2, , 1)( ) ( )

Trong đó f0( ),x g0( )x là các hàm phi tuyến đã biết Các tham số ,  là các

hệ số chưa biết và cần được ước lượng [11]

Luật điều khiển lúc này được thay thế như sau:

Trang 38

gọi là hệ số thích nghi, liên quan đến tốc độ thích nghi của hệ thống [11]

3.2.2 Áp dụng luật điều khiển trượt thích nghi

Trong mô phỏng bộ điều khiển PID với hệ số độ cứng K c 2Nm rad và các /thông số của động cơ được chọn trong thực tế cho thấy kết quả rõ rệt, đó là sự dao động của vận tốc động cơ và vận tốc tải Do vậy, các quá trình mô phỏng tiếp theo sẽ

sử dụng trục có độ cứng K c 2Nm rad để đánh giá bộ điều khiển /

Trang 39

Trong phạm vi của đề tài, bộ điều khiển trượt thích nghi có nhiệm vụ ước lượng độ cứng xoắn K c 2Nm rad của trục, sử dụng hai phản hồi vận tốc của động /

cơ m và vận tốc của tải L để tính ra góc chuyển vị xoắn, từ đó tìm được momen xoắn trên trục Đối với bộ điều khiển trượt thích nghi, momen xoắn trên trục do quán tính của khối tải gây ra góc chuyển vị xoắn, do đó chỉ cần đo lường được góc chuyển

vị xoắn và ước lượng độ cứng xoắn của trục, để xác định momen xoắn trên trục tác động ngược trở lại động cơ mà không cần biết thông số của khối tải

Áp dụng luật điều khiển trượt thích nghi (ASMC) cho phương trình mô tả đối tượng trong phương trình (2.12)

                (3.32)

Sai số bám: e r  m  e  r  m (3.33) Phương trình động học sai số bám với clà hệ số dương:s e ce (3.34) Đạo hàm s: s e ce r  mc( r  m) (3.35)

Trang 40

Hình 3.6: Sơ đồ điều khiển ASMC vận tốc động cơ trong hệ RTMS

 Kết quả mô phỏng với các hệ số c20,80000, 120000

Hình 3.7: Đáp ứng của tốc độ động cơ, tốc độ tải và tín hiệu điều khiển

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	3,4 MB