ABSTRACT This article develops the state-space representation using in analyzing and examining the performance of engineering systems, also includes the solution using direct numerical m
Trang 1Phương pháp phân tích hệ thống và lời giải số trực tiếp
The method of analyzing engineering systems and its direct numerical solution
Bùi Trương Vĩ
Đại học kỹ thuật Đà Nẵng
TÓM TẮT
Nội dung bài báo trình bày phương pháp không
gian-trạng thái dùng trong kỹ thuật phân tích và
đánh giá chất lượng các hệ thống động lực cũng
như lời giải số trực tiếp có thể dễ dàng thực hiện
trên các máy tính số Các ví dụ ứng dụng bao gồm
khảo sát và giải cho2 hệ thống 1.Hệ thống cơ học :
Khảo sát ảnh hưởng độ đàn hồi của chiều dài vít
me hộp chạy dao máy CNC đến độ chính xác gia
công trên máy 2.Hệ thống cơ-điện tử :Khảo sát đặc
tính động lực của động cơ điện 1 chiều điều khiển
tốc độ bằng dòng điện phần ứng cho cả 2 trường
hợp : trục cứng vững tuyệt đối và trục có tính đến
độ đàn hồi
ABSTRACT
This article develops the state-space representation using in analyzing and examining the performance of engineering systems, also includes the solution using direct numerical method One of the most advantages of this approach is the ease to solve numerically by computer Two applications are introduced as illustrating examples, one is the solution of a mechanical system in which the performance of the system can be investigated and examined, the other
is the solution of an electromechanical system : a system with an armature-controlled DC motor,both rigid and flexible shaft
ĐẶT VẤN ĐỀ:
Sau khi đã nhận được các phương trình đặc trưng
mô tả mô hình các hệ thống động lực dùng làm hệ
thống chấp hành máy, các mô hình toán học nầy
cần được biểu diễn sao cho lời giải của chúng có
thể mô tả được trạng thái hoạt động của hệ thống
chấp hành ở một thời điểm bất kỳ t nào đó (t≥to ,với
to là thời điểm bắt đầu)
Một phương pháp tổng quát cho phép xác định
trạng thái chuyển động của một hệ thống là phương
pháp không gian - trạng thái, dựa trên tập hợp các
biến trạng thái Các biến trạng thái nói chung là các
đại lượng toán học dùng để mô tả 1 hệ thống ở dạng
tường minh
NỘI DUNG:
Phương pháp không gian - trạng thái mô tả lại các
phương trình chuyển động của hệ thống qua các
biến trạng thái :
• Số biến trạng thái bằng số điều kiện
đầu để giải được phương trình chuyển
động
• Các biến trạng thái chính là các biến
mà điều kiện đầu đòi hỏi
+ DẠNG TỔNG QUÁT CỦA PHƯƠNG
TRÌNH KHÔNG GIAN-TRẠNG THÁI :
+
=
+
= Du Cx y
Bu Ax x&
với :
A,B,C,D là các ma trận không
gian-trạng thái ; x,u là các véctơ
Ma trận A có kích thước n × n , là ma
trận hệ thống
Ma trận B có kích thước n × m , là ma
trận biến vào
Ma trận C có kích thước p × n , là ma
trận biến ra
Ma trận D có kích thước p × m , là ma
trận truyền
x là véctơ trạng thái có kích thước n × 1
(véc tơ cột)
u là véctơ biến vào có kích thước m × 1
y là véctơ biến ra , có kích thước p × 1 Để phân tích và khảo sát đặc tính chất lượng của các hệ thống động lực dùng trong hệ chấp hành máy công cụ ĐKS, ta phải tìm lời giải cho dạng tổng quát của phương trình không gian-trạng thái Bài toán quy về việc giải các phương trình biến trạng thái, bởi vì phương trình biến ra y dễ dàng tính được một khi chúng ta đã tìm được x
+ LỜI GIẢI SỐ TRỰC TIẾP CỦA PHƯƠNG TRÌNH BIẾN TRẠNG THÁI :
1 trong những ưu điểm chính của phương pháp không gian- trạng thái là thuận tiện giải trên các máy tính số đối với các phương trình mô tả hệ
thống
Phép tính xấp xỉ đạo hàm của 1 biến x:
t ) t ( x ) t t ( x x
∆
−
∆ +
=
& hay : x(t + ∆t) = x(t) + x&∆t
Đây có thể được coi là biểu thức xấp xỉ kế tiếp để
tính giá trị của x ở thời điểm (t +∆) khi biết giá
trị của x và x& ở thời điểm t Thay x& ở phương trình biến trạng thái vào biểu thức xấp xỉ kế tiếp , ta có:
x(t+∆t)=x(t)+[Ax(t)+Bu]∆t Chú ý rằng các hệ thống động lực dùng làm hệ
chấp hành máy công cụ được mô tả ở trên với giả
thiết có các số hạng A và B là tuyến tính và không đổi theo thời gian, nhưng biểu thức xấp xỉ kế tiếp ở
trên vẫn áp dụng được nếu các số hạng ( và do đó là
hệ thống ) phụ thuộc theo thời gian và/hay không tuyến tính
Như vậy, bắt đầu từ thời điểm t = 0 , cùng với các điều kiện đầu đã biết , ta có thể xác định được các
biến trạng thái ở các bước thời gian kế tiếp
ỨNG DỤNG :
VÍ DỤ 1 : Khảo sát ảnh hưởng độ đàn hồi của
chiều dài vít me hộp chạy dao máy CNC đến độ
chính xác gia công trên máy
Trang 2Bài toán đặt ra là giả sử ta có 1 hệ thống cơ học
dùng làm hệ thống truyền động chạy dao cho máy
CNC, bao gồm động cơ truyền động cho trục vít me
qua hộp giảm tốc bánh răng Trục vít me dẫn động
bàn máy mang chi tiết gia công đến vị trí chính xác
càng nhanh càng tốt Do vít me có chiều dài nhất
định cũng như tính đàn hồi của các bánh răng trong
hộp giảm tốc, góc xoay của vít me tại vị trí làm việc
(vị trí ăn khớp với đai ốc bàn máy ) sẽ khác với góc
xoay tính toán, và dẫn đến không tiên đoán được vị
trí thực tế của bàn máy
Yêu cầu của bài toán nhằm tìm ra các ảnh hưởng
do tính đàn hồi của vít me tác dụng đến sự làm việc
của cơ cấu chấp hành (bàn máy) cũng như biện
pháp khắc phục để bàn máy mang chi tiết gia công
đến vị trí mong muốn với độ chính xác cao Yêu
cầu nầy là đặc biệt có ý nghĩa khi bàn máy mang
chi tiết gia công đang thực hiện chuyển động cắt
gọt , bởi vì dụng cụ cắt có thể cắt lẹm vào bề mặt
gia công
LỜI GIẢI
4
4
4
M1 θ1
J1
J3
3
θ
4
θ
J4
Mt
k N
H 1a) : Hệ thống truyền động
4
4
M1
Mt k
1
θ
J1
2
θ
J2
J3
J4
3
H 1b) : Mô hình hệ thống
4θ2
J2 I
II
Hình 1trình bày sơ đồ hệ thống truyền động chạy
dao theo 1trục toạ độ của máy công cụ ĐKS(CNC)
Các giả thiết ban đầu :
Trục I : trục động cơ, giả sử cứng vững tuyệt đối ,
khi đó rô to động cơ cùng với trục I và bánh răng 2
quay cùng tốc độ, hay nói một cách khác
θ1 = θ2 = θm ;
Trục II : trục vít me,có độ cứng
k
vm
4
l 32 d Gπ
= với G : mô đun đàn hồi chống xoắn của vật liệu;
d,lvm : đường kính trung bình của ren và chiều dài
vít me ;
N>1: tỉ số truyền giảm tốc ;
J1: mômen quán tính rô to động cơ
J4:mômen quán tính bàn mang tải quy về trục II;
Bỏ qua mômen quán tính các bánh răng J2 và J3 ;
b1,b2 : hệ số ma sát trên các trục I và II tương ứng Phương trình chuyển động của hệ thống truyền động cơ học :
M1-b1θ&m-M2 = J1θ&&m (1.1)
θ −θ & && (1.2) Ngoài ra, do trục I truyền chuyển động đến trục vít me qua cặp bánh răng trung gian được giả thiết bỏ qua mô men quán tính, nên ta có thể viết :
θ −θ
4 m
N
k (1.3) Áp dụng kỹ thuật phân tích không gian-trạng thái với định nghĩa véc tơ biến trạng thái x như sau :
x1 = θm ; x3 = θ4 ; x2 = θ& ; xm 4 = θ& 4 Khi đó có thể viết :
2
x& = ; x&3 =x4 ; x&2= &&θm; x&4 = &&θ4 Từ các phương trình (1),(2),(3), ta có:
1
1 4 1 m 2 1 m 1
1 m
J
M N J
k N
J
k J
−
=
θ&& &
1
1 3 1 1 2 1 2 1
1
J
M x N J
k x N J
k x J
−
=
4
2 4 4 m 4
b J
k N J
=
4
2 3 4 1 4
x J
b x J
k x N J
=
Viết lại ở dạng phương trình biến trạng thái :
=
4 3 2 1
x x x x
−
N J k 0
N J k 0
4
2
0 0 J b 1
1 1
−
4
1
J k 0
N J k 0
−
− 4
2 J b 1 0 0
4 3 2 1
x x x x
+
0 0 J 1 0
1 M1
Thay các số liệu thành phần của A và B, trong đó
cho trước :
J1 = 0,0001Nms2/rad ;
J4 = 0,001Nms2/rad ;
b1 = b2 = 0,01Nms/rad;
k = 1Nm/rad ; N = 5 và giải bằng lời giải số trực tiếp phương trình biến trạng thái
Lời giảisố trực tiếp Kết quả :H1.c,d.
Trang 30 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
1 , 2
0 0 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 , 7 0 , 8 0 , 9 1
T h ơ ̀i g ia n t (s ) H1.c)Lời giải số trực tiếp hệ thống cơ học
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Thời gian t ( s )
H1.d)Lời giải số trực tiếp hệ thống cơ học
Thuật toán
• Xác định gia số thời gian và các giá trị
đầu
dt = 0,01 N=1000
x 1 (0) = 0 x 2 (0) = 0; u (0) = M 1 (0)= 1/100
• Thời điểm bắt đầu : t 1 = 0
• Thực hiện các phép tính với i=1
−
−
+
= +
+
= +
+
+
−
− +
= +
+
= +
∆t
* (t)]
10x (t) 1000x
(t) [200x (t) x
∆t) (t
x
∆t (t)*
x (t) x
∆t) (t
x
∆t
* ] 10000M
(t) 2000x (t) 100x
(t) 400x [ (t) x
∆t) (t
x
∆t (t)*
x (t) x
∆t) (t
x
4 3
1 4
4
4 3 3
1
3 2
1 2
2
2 1 1
• Cập nhật các giá trị của x và t tại điểm kế tiếp
• Tiếp tục cho đến i = N+1
Lời giải nhận được chỉ ra đặc tính động lực của hệ thống chấp hành cơ học
Trên đồ thị H1c,d là các đường đặc tính x2 và x4
biểu thị sự biến đổi tốc độ góc của trục I và trục II theo thời gian , qua đó ta có thể thấy rằng có thể coi đáp ứng đạt giá trị xác lập sau khoảng 1s, đây là khoảng thời gian khá dài khi gia công với tốc độ cao Mặt khác, bản chất dao động của đáp ứng có thể sản sinh ra các mấp mô trên bề mặt gia công Biện pháp khắc phục : Cần thiết lập hệ thống điều khiển có phản hồi cho hệ thống khảo sát
Σ
-Hệ thống chấphành
x
H1.e:Mô hình hệ thống có phản hồi dạng không gian-trạng thái
Σ +
+ B
A
y x&
G
+
C
Trong trường hợp tổng quát , đối với hệ thống có phản hồi mô tả ở dạng không gian - trạng thái (H 1.e), cần xác định véc tơ phản hồi G sao cho hệ thống được cung cấp 1 véc tơ điều khiển u đảm bảo đáp ứng hệ đúng theo mong muốn
Các trị riêng của hệ thống hở:
eig(A)= 0.0000 , -96.2922 , -6.8539 +32.1414i và -6.8539 -32.1414i
Trước hết kiểm tra tính điều khiển được của hệ thống ( có đặt các cực tuỳ ý được hay không ):
Rk CT = Rk [ B][AB][A2B][A3B] = 4 = bậc của hệ thống : Hệ có tính điều khiển được
Đặt cực: Để có cản tới hạn ( ξ = 1), ta đặt tất cả 4 cực tại s = -20 và sau đó tìm véctơ hệ số phản hồi thích hợp
Véctơ cực vòng kín mong muốn :
dp = [-20 -20 -20 -20]
Véctơ hệ số phản hồi :
k = acker(A,B,dp) cho kết quả :
k =[ 0.0300 -0.0030 -0.0700 -0.0225 ] Các mô tả hệ thống có phản hồi trở thành :
AC = A-B*k ; BC = B; CC=C ;DC=0 trong đó: AC= [0 1 0 0;-700 -70 2700 225;0 0 0 1;
200 0 -1000 -10]
Kiểm tra các trị riêng của AC: eig(AC) = -20.0050 , -19.9950 , -20.0000 + 0.0050i và -20.0000 - 0.0050i Kết quả là phù hợp
Đáp ứng nấc hệ thống có phản hồi nhận được như
Trang 4(H 1.f)
Đường x3 mô tả đặc tính chuyển vị góc tại vị trí
mang tải trên trục II của hệ thống chấp hành theo
yêu cầu thiết kế ξ = 1 ( đáp ứng không dao động
nhanh nhất ); tương ứng với sự biến đổi tốc độ góc
trên các trục I và II sau thời gian xác lập sẽ bằng 0
(các đường x2 và x4 ở H1 c,d )
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Thời gian t(s)
x3
H1.f): Đáp ứng nấc của hệ thống có phản hồi
Kết quả của phương pháp trên là rõ ràng , tuy vậy
có 1 số nhược điểm , ví dụ việc đặt cực tuỳ ý có thể
vượt quá khả năng thực tế của hệ điều khiển hệ
thống truyền động, cũng như tất cả các biến trạng
thái phải được phản hồi (trường hợp đang khảo sát,
cần 2 chuyển vị kế và 2 tốc kế ), dẫn đến hệ phức
tạp, tăng giá thành
VÍ DỤ 2: Khảo sát đặc tính động
lực của động cơ điện 1 chiều điều khiển tốc độ
bằng dòng điện phần ứng
Các giả thiết ban đầu :
Trục tuyệt đối cứng ( k→∞) và là thành phần
đàn hồi , do vậy có thể coi rô to, trục và điã mang
tải là 1 vật thể rắn duy nhất quay cùng tốc độ ω
Momen quán tính khối lượng tổng là : J= Jr+Jđ
ia : dòng điện phần ứng
Ra,La: điện trở , cuộn cảm trong mạch điện
Vi : thế hiệu đặt vào (biến vào)
LỜI GIẢI
Hệ thống có thể được mô tả bởi 2 phương trình vi
phân
Đối với mạch điện, ứng dụng định luật Kirchoff
phân tích mạch vòng, ta có :
ΣVđiện áp rơi = 0
VRa + VLa +Eb - Vi = 0
trong đó : Eb là sức phản điện sinh ra trong động cơ
khi cuộn dây rô to bắt đầu quay
Eb = Keω =Keθ&
với Ke : hệ số phản điện, là hằng số Ke
s
1 rad Volt
Đối với hệ thống cơ học, dựa vào sơ đồ H2b, ta có : + 4→ΣMc = Ic→4+
hay
M1+Mt - bθ&=Jθ&& (2.1)
+
-Vi
+
-k
ia
4 θ
= ω
θ, &
Mt
H2 a) Hệ thống động lực với động cơ điện 1 chiều điều khiển tốc độ bằng dòng điện phần ứng
H2 b) Sơ đồ phân tích
Hệ có 1biến vào Vivà 2biến ra, iavàθ ,là các biến độc lập
θ&
b
M1+Mt
4 θ
Momen sinh ra bởi động cơ tỉ lệ với dòng phần ứng ia :
M1= kmia
trong đó
km : hằng số ngẫu của động cơ Km
A
Nm Viết lại :
J&& b+ θ& - kmia = Mt (2.2)
Cuối cùng , phương trình mô tả hê thống :
= θ + +
=
− θ + θ
i e a a a a
t a m
V k i R dt
di L
M i k b J
&
&
&&
Sắp xếp lại ở dạng ma trận bậc 2, phương trình vi phân mô tả mô hình hệ thống trên (H2 a) có thể
được biểu diễn :
0
J
0
0
θ
a
i&&
&& +
e
k
b
a
L
0
θ
a
i&
&
+
0
−
a
m
R
k
θ
a
i
t
V
M
Do hệ phương trình không chứa số hạng độ cứng , nên có thể thay ω = θ&
Khi đó các phương trình hệ trở thành :
= ω + +
=
− ω + ω
i e a a a a
t a m
V k i R dt
di L
M i k b
J &
và ở dạng ma trận :
Trang 5
0
J
a
L
0
ω
a
i&& +
e
k
b
−
a
m
R
k
ω
a
i =
i
t
V
M
Áp dụng lời giải số trực tiếp cho hệ thống cơ-điện
tử trình bày ở H2 với phương trình vi phân mô tả ở
dạng ma trận như trên
Các số liệu ban đầu cho trước
Điều kiện đầu
ia(0) = 0 ;
)
0
(
ia
& =0
La = 1H ;
Ra = 1Ω
ke = 1 Vs
J = 1kgm2
b = 2Nms
km = 1Nm/A
Mt = 0
Thay các giá trị bằng số, ta có:
0
1
1
0
ω
a
i&& +
1
2
− 1
1
ω
a
i =
10 H2.c) là lời giải nhận được đối với hệ thống cơ -
điện tử H2 khi chịu tác động của biến vào là hàm
dòng nấc đơn vị theo các số liệu và điều kiện đầu
cho trước như trên
Giá trị xác lập của dòng và tốc độ đạt được là
0,67A và 0,33 rad/s tương ứng , được tìm thấy qua
đồ thị
Lời giải số trực tiếp
Kết quả :H2.c
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Thời gian t(s)
) t ( ω
i(t)
H2.c) :Lời giải số trực tiếp hệ thống cơ-điện tử
Nếu giả thiết trục có độ cứng hữu hạn k , hệ
thống điện ở (H2a) không thay đổi, nhưng sơ đồ
phân tích hệ thống cơ học ở (H2b) được thay đổi
như sau:
Mô tả hệ thống cơ học (H2b) theo mô hình hệ
thống có 2 bậc tự do, với
1
θ ,θ là các toạ độ vị trí 2 góc
Jt 4 4
4
M1=kmia
θ1
θ2
Mt
H2 d) :Sơ đồ phân tích hệ thống cơ học khi trục có độ cứng hữu hạn
Phương trình vi phân mô tả hệ thống điện :
La + Raia+ ke = Vi (3.1) dt
dia
1
θ&
Đối với hệ thống cơ học,các phương trình momen :
) 2 3 ( i k M ) ( k ) ( b
Jrθ&&1+ θ&1−θ&2 + θ1−θ2 = 1= ma
) 3 3 ( M ) ( k ) ( b
Jtθ&&2+ θ&2−θ&1 − θ1−θ2 = t Viết lại ở dạng phương trình biến traṇg thái với các biến traṇg thái được chọn :
x1= 1
θ ;
x2= θ& =1 x&1 ;
x3 = θ ; 2
x4 = θ& =2 x&3;
x5 = ia ;
x6 = i& = a x&5 Khi đó đối với toàn hệ thống điện và cơ :
6 5 4 3 2 1
x x x x x x
&
&
&
&
&
&
=
−
0 0 J k 0 J k 0
t r
0 L k J b 0 J b 1
a e t r
−
−
0 0 J k 0 J k 0
t
r
− 0 0 J b 1 J b 0
t
r
−
0 L R 0 0 J k 0
a a
r m
−
0 0 0 0 0 0
6 5 4 3 2 1
x x x x x x
+
i a
V
0
L / 1 0 0 0 0
+
t t
M
0 0
J / 1 0 0 0
Áp dụng lời giải số trực tiếp cho hệ thống cơ-điện tử trình bày ở H2 với phương trình vi phân mô tả ở dạng ma trận như trên
Các số liệu ban đầu cho trước : Điều kiện đầu :
ia(0) = 0 ; ) 0 (
ia
& =0 ;
1
θ (0 ) = 0;
0 ) 0 (
θ&
Trang 6)
0
(
0
)
0
(
θ&
Lời giải số trực tiếp
Kết quả :H2.e
H2e): Lời giải số trực tiếp hệ thống cơ-điện tử
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Thời gian t(s)
x2 x4 x5
Điện áp đặt vào là hàm nấc đơn vị :
Vi(t) =1;
Mt = 0
La = 1H
Ra = 1Ω;
k = 1Nm/rad;
b = 2Nms ;
ke=1Vs
km =1Nm/A ;
Jr = 0,1kgm2;
Jt = 1 kgm2 ;
Thay vào các giá trị bằng số , ta có:
6
5
4
3
2
1
x
x
x
x
x
x
&
&
&
&
&
&
=
−
0
0
1
0
10
0
0
1 2
0
20 1
−
−
0 0 1 0 10 0
−
0 0 2 1 20 0
−
0 1 0 0 10 0
−
0 0 0 0 0 0
6 5 4 3 2 1
x x x x x x
+
i
V
0
1
0
0
0
0
+
t
M
0
0
1
0
0
0
H2.e) là lời giải nhận được đối với hệ thống cơ -
điện tử H2 khi chịu tác động của biến vào là hàm
nấc đơn vị theo các số liệu và điều kiện đầu cho trước như trên
Trên đồ thị ,các đường đặc tính x2 và x4 biểu thị sự biến đổi tốc độ góc tại vị trí rô to và tại vị trí đĩa mang tải theo thời gian Rõ ràng là do ảnh hưởng bởi độ đàn hồi của trục gây ra 1 lượng chuyển vị vượt quá trong giai đoạn quá độ của hệ thống chấp hành Lượng vượt quá nầy lên đến hơn 10% theo đồ thị sau thời gian 4,71 s
KẾT LUẬN Trên đây là phương pháp mô tả không gian -trạng thái trong phân tích thiết kế các hệ thống kỹ thuật và cách dùng lởi giải số trực tiếp để nhận được kết quả tính toán
Độ chính xác kết quả nhận được ngoài việc phụ thuộc vào mô hình thiết lập còn phụ thuộc vào thuật toán tìm lời giải
Đối với thuật toán của lời giải số trực tiếp, độ chính xác kết quả nhận được chỉ phụ thuộc vào số phép lặp, và độ dài thời gian thực hiện, và tùy theo tính chất hệ thống khảo sát cũng như tùy thuộc vào chỉ tiêu cụ thể khi phân tích , đánh giá chất lượng hệ thống để lựa chọn số phép lặp N và gia số thời gian ∆t thích hợp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn đắc Lộc,Tăng Huy : Điều khiển số và công nghệ trên máy điều khiển số CNC,Nhà xuất bản Khoa học-Kỹ thuật,Hà Nội 1996
[2] Hung V.Vu,Ramin S.Esfandiari : Dynamic Systems,Mc Graw Hill Inc 1998
[3] Đỗ Sanh : Cơ học Tập 2 , Nhà xuất bản Giáo Dục , Hà Nội 1996
[4] Đặng văn Đào, Lê văn Doanh: Kỹ thuật điện,Nhà xuất bản Khoa học-Kỹ thuật, Hà Nội
1997 [5] Morris Driels : Linear Control Systems Engineering ,Mc Graw Hill International Editions , Mechanical Engineering Series , 1995
[6]Trần văn Minh : Phương pháp số và chương trình bằng Turbo Pascal (Tài liệu dùng cho cán bộ và sinh viên các ngành kỹ thuật),Nhà xuất bản Khoa học-Kỹ thuật,Hà Nội 1998
[7]Elliot B.Koffman : Turbo Pascal, Problem Solving and Program Design, Addison-Wesley Publishing Company, Inc,1991
[8] MatLab 6p5 ,The MathWorks Inc,2002