Hai giải pháp nâng cao hiệu quả chất lượng hệ truyền động có khe hở

52(4): 34 - 37<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 4 - 2009<br /> <br /> HAI GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ<br /> Lại Khắc Lãi (Đại học Thái Nguyên),<br /> Lê Thị Thu Hà – (Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên)<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Hệ truyền động có khe hở là một hệ cơ - điện tử có tính phi tuyến mạnh và đang được sử dụng rất rộng rãi<br /> trong thực tế. Khi khe hở xuất hiện sẽ làm sai lệch truyền động, làm giảm độ bền của hệ thống, phát ra tiếng<br /> ồn, gây rung động và hiệu suất của hệ thống bị thay đổi. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp nhằm<br /> nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở, đó là giải pháp dùng bộ điều khiển mờ và giải pháp dùng bộ<br /> điều khiển thông minh.<br /> <br /> I.Mở đầu<br /> Hệ truyền động có khe hở (TĐCKH) là một hệ<br /> truyền động phi tuyến được sử dụng rất rộng rãi<br /> trong thực tế như các truyền động bánh răng,<br /> truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít<br /> - đai ốc, truyền động trục vít - bánh vít, vv…<br /> Trong các hệ thống truyền động trên, giữa bộ phận<br /> chủ động và bộ phân bị động luôn tồn tại một khe<br /> hở, làm sai lệch truyền động, giảm độ chính xác<br /> đối với các hệ điều khiển vị trí, khe hở có thể làm<br /> giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí, phát ra tiếng<br /> ồn, gây rung động, sự ổn định và hiệu suất của hệ<br /> thống bị thay đổi.<br /> Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các<br /> hệ điều khiển truyền động có khe hở là yêu cầu<br /> quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác<br /> nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng<br /> sản phẩm. Trước đây, để hạn chế ảnh hưởng của<br /> khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động người<br /> ta thường chỉ quan tâm đến các biện pháp cơ khí<br /> như tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay đổi biên dạng<br /> bánh răng… Trong mấy năm gần đây, các nhà<br /> khoa học bắt đầu quan tâm đến các giải pháp về<br /> điện trên quan điểm phối hợp điều khiển giữa bộ<br /> phận chủ động và bộ phân bị động trong hệ thống<br /> nhằm giảm ảnh hưởng xấu của khe hở đối với hệ<br /> thống. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về vấn<br /> đề này và đã đạt được một số thành quả đáng kể.<br /> Song ở Việt Nam vấn đề này còn rất mới mẻ, gần<br /> đây mới xuất hiện một vài nghiên cứu về hệ nối<br /> khớp mềm.<br /> Trong [1] đã chỉ ra những nhược điểm của hệ<br /> thống truyền động có khe hở khi sử dụng các bộ<br /> điều khiển kinh điển theo các qui luật tỉ lệ (hình 1)<br /> và theo qui luật PID (hình 2). Ta thấy rằng, khi sử<br /> dụng các bộ điều khiển kinh điển chất lượng động<br /> của hệ thống còn rất kém và luôn tồn tại dao động<br /> do tính phi tuyến của ke hở gây nên. Để khắc phục<br /> nhược điểm đó, chúng tôi đề xuất hai phương pháp<br /> <br /> mới là sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển<br /> thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe<br /> hở. các bộ điều khiển này phù hợp với các đối<br /> tượng có tính phi tuyến mạnh do đó đã nâng cao<br /> được chất lượng của hệ thống.<br /> 6<br /> Khong co<br /> data2<br /> co khe ho<br /> <br /> 4<br /> <br /> 2<br /> <br /> 0<br /> <br /> -2<br /> <br /> -4<br /> <br /> -6<br /> <br /> -8<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2.5<br /> <br /> 3<br /> <br /> Hình 1: Đặc tính động của hệ truyền động có<br /> khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ [1]<br /> <br /> 1.5<br /> 1<br /> 0.5<br /> 0<br /> -0.5<br /> -1<br /> -1.5<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> 8<br /> <br /> 10<br /> <br /> 12<br /> <br /> Hình 2: Đặc tính động của hệ thống truyền<br /> động có khe hở điều khiển theo luật PID [1]<br /> <br /> II. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động có khe hở<br /> Sơ đồ khối của hệ hệ truyền động có khe hở được<br /> chỉ ra trên hình 3. Trong đó trục động cơ điện (trục<br /> dẫn động) và trục của tải (trục bị dẫn) không nối<br /> cứng với nhau mà được nối thông qua hệ thống<br /> bánh răng, hoặc dây xích, hoặc dây đai, … Nói<br /> cách khác là giữa trục dẫn và trục bị dẫn tồn tại<br /> một khe hở. Do có khe hở nên mối liên hệ giữa vị<br /> <br /> 34<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 52(4): 34 - 37<br /> <br /> trí trục dẫn x và trục bị dẫn z không đơn trị. Mỗi vị<br /> trí của x tương ứng với nhiều vị trí của z nằm trong<br /> giới hạn từ k(x - xa) đến k(x + xa) tuỳ thuộc vào vị<br /> trí cực đại hay cực tiểu của z trước đó:<br /> <br /> x<br /> <br /> k(x - xa)<br /> <br /> z<br /> <br /> k(x + xa)<br /> <br /> Điều<br /> - khiển<br /> <br /> Động n Khe n'<br /> Tải z<br /> hở<br /> cơ<br /> <br /> WDC (s)<br /> <br /> n(s)<br /> U(s)<br /> <br /> WDC (s)<br /> <br /> 0,80166<br /> 1 0, 0377s 0, 0013s 2<br /> <br /> 1<br /> ®Æt<br /> <br /> Đặc tính của khâu khe hở được mô tả bởi biểu<br /> thức (1) và sơ đồ cấu trúc của khe hở được biểu<br /> diễn trên hình 4 [1]<br /> <br /> khi x 0 ; v kx a<br /> khi x 0 ; v kx a<br /> khi x 0 ; - kx a v kx a<br /> khi x 0 ; - kx a v kx a<br /> kx<br /> <br /> k<br /> x<br /> <br /> d<br /> <br /> dt<br /> <br /> K<br /> TS+1<br /> <br /> 0,65<br /> 0,05S+1<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển truyền động<br /> có khe hở được chỉ ra trên hình 5.<br /> <br /> Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động<br /> có khe hở.<br /> <br /> 0<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Tải là một khâu quán tính có hàm số truyền:<br /> <br /> Đo lường<br /> <br /> z<br /> <br /> kD<br /> 1 Tms Tm Tes 2<br /> <br /> 1<br /> 1, 2474(1 0, 0377s 0, 0377.0, 0347s 2 )<br /> <br /> WT (s) =<br /> <br /> kx<br /> <br /> 4 - 2009<br /> <br /> 0.80166<br /> <br /> den(s)<br /> ®iÒu khiÓn ®éng c¬<br /> <br /> 0.65<br /> Khe hë<br /> <br /> 0.05s+1<br /> T¶i<br /> <br /> 1<br /> Ra<br /> <br /> 0.029<br /> ®o l-êng<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Hình 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền<br /> động có khe hở<br /> <br /> z<br /> <br />  v<br /> x,<br /> <br /> PID<br /> <br /> z<br /> <br /> Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở.<br /> <br /> Để dễ dàng so sánh chất lượng của hệ điều<br /> khiển có khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ và<br /> mờ thích nghi so với khi sử dụng bộ điều khiển<br /> kinh điển, chúng tôi lấy các thông số của hệ truyền<br /> động đã được đề cập khảo sát trong [1]. Trong đó<br /> khối dẫn động là động cơ một chiều kích từ độc<br /> lập có các thông số: Công suất P =1,5(kW), tốc độ<br /> n = 1500(vòng/phút); điện áp định mức Uđm =<br /> 220(V), dòng điện định mức: Iđm = 8,7(A), điện trở<br /> phần ứng: R = 2,776(Ω), điện cảm phần ứng: L =<br /> 0,0961(H), mô men quán tính: J = 0,085 (KGm2).<br /> Hàm truyền đạt của động cơ có dạng:<br /> <br /> III. Sử dụng điều khiển mờ và điều khiển thông<br /> minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở<br /> Trong phần này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp<br /> nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền<br /> động có khe hở, đó là dùng bộ điều khiển mờ và<br /> bộ điều khiển thông minh được thiết kế trên cơ sở<br /> của hệ mờ.<br /> 1. Bộ điều khiển mờ:<br /> Bộ điều khiển mờ được thiết kế để điều khiển hệ<br /> truyền động có khe hở là bộ điều khiển mờ theo qui<br /> luật tỉ lệ tích phân (PI) có các thông số như sau:<br /> Đầu vào thứ nhất có miền xác định trong<br /> khoảng [-1 1] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm<br /> liên thuộc hình tam giác; Đầu vào thứ 2 xác định<br /> trong khoảng [-2 2] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có<br /> hàm liên thuộc hình tam giác, hệ số tích phân chọn<br /> bằng 5,6; Đầu ra xác định trong khoảng [-78 78]<br /> được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm liên thuộc hình<br /> tam giác; luật điều khiển theo qui luật tuyến tính<br /> [2]; giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm.<br /> Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ được chỉ ra<br /> trên hình 6.<br /> <br /> 35<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 52(4): 34 - 37<br /> <br /> Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển<br /> mờ được chỉ ra trên hình 7.<br /> <br /> Hình 6: Quan<br /> hệ vào-ra của<br /> bộ điều khiển<br /> mờ<br /> <br /> 4 - 2009<br /> <br /> Trong đó: u là tín hiệu đặt; e là sai lệch giữa<br /> đầu ra của hệ thống và tín hiệu đặt; là hằng số<br /> nói lên tốc độ hội tụ của thuật toán thích nghi. Kết<br /> quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển thông<br /> minh được chỉ ra trên hình 9.<br /> 1<br /> 0.8<br /> 0.6<br /> 0.4<br /> 0.2<br /> 0<br /> <br /> 1<br /> 0.8<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> Thoi gian (s)<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> Hình 9: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi<br /> sử dụng bộ điều khiển thông minh<br /> <br /> 0.6<br /> <br /> Để tiện so sánh chất lượng của hệ thống khi sử<br /> dụng các bộ điều khiển khác nhau, chúng tôi tiến<br /> hành mô phỏng và vẽ các đặc tính động trên cùng<br /> hệ trục tọa độ (hình 10). Hình 11 là các đặc tính<br /> động của hệ truyền động có khe hở khi sử dụng 3<br /> bộ điều khiển trong khoảng thời gian mô phỏng từ<br /> 3 giây đến 5 giây.<br /> <br /> 0.4<br /> 0.2<br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> Thoi gian (s)<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> Hình 7: Đặc tính động của hệ truyền động có<br /> khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ<br /> <br /> 2. Bộ điều khiển thông minh:<br /> Bộ điều khiển thông minh để điều khiển hệ<br /> truyền động có khe hở được xây dựng trên cơ sở<br /> của hệ mờ có sơ đồ cấu trúc như hình 8. Trong đó<br /> bộ điều khiển mờ cơ bản (ĐKM cơ bản) được thiết<br /> kế tương tự như bộ điều khiển mờ đã trình bày ở<br /> mục 4.1, chỉ khác ở chỗ miền xác định ở đầu ra<br /> của bộ ĐKM cơ bản chỉ ở nằm trong khoảng [-3<br /> 3], hệ số khuếch đại đầu ra của bộ điều khiển mờ<br /> được chỉnh định thích nghi theo qui luật [2]:<br /> <br /> dK<br /> dt<br /> <br /> ue<br /> <br /> (4)<br /> 62<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1<br /> s<br /> <br /> 1<br /> 0.8<br /> <br /> PID kinh điển<br /> Điều khiển mờ<br /> Điều khiển thông minh<br /> <br /> 0.6<br /> 0.4<br /> 0.2<br /> 0<br /> <br /> 0<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> Thoi gian (s)<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> Hình 10: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi sử<br /> dụng bộ điều khiển PID kinh điển, bộ điều khiển<br /> mờ và bộ điều khiển thông minh<br /> 1.06<br /> 1.04<br /> 1.02<br /> <br /> In1<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> In2<br /> <br /> Out1<br /> 5<br /> <br /> 1<br /> s<br /> <br /> K<br /> DKM co ban<br /> <br /> 1<br /> 0.98<br /> 0.96<br /> 3<br /> <br /> Hình 8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ<br /> thích nghi<br /> <br /> 3.5<br /> <br /> 4<br /> <br /> 4.5<br /> <br /> 5<br /> <br /> Hình 11: Đặc tính động của hệ ĐKCKH khi sử<br /> dụng 3 bộ điều khiển trong khảng thời gian mô<br /> phỏng (3 - 5)s<br /> <br /> 36<br /> <br /> 52(4): 34 - 37<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 4 - 2009<br /> <br /> 5. Kết luận<br /> Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng sự tồn<br /> tại khe hở đã làm xấu đặc tính động của hệ thống<br /> điều khiển tự động truyền động cơ điện. Bằng cách<br /> sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông<br /> minh, chất lượng của hệ thống TĐCKH đã được<br /> nâng lên rõ rệt. nếu với bộ điều khiển PID kinh<br /> điển hệ thống vẫn tồn tại dao động, ngay cả khi đã<br /> xác lập thì với bộ điều khiển mờ, hệ thống đã hết<br /> dao động sau 4 giây, còn với bộ điều thông minh,<br /> hệ thống hết dao động chỉ sau 1 giây. Kết quả mô<br /> phỏng cũng cho thấy tính khả thi của việc triển<br /> khai ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại để nâng<br /> cao chất lượng điều khiển các hệ thống thực.<br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1].<br /> Lê Thị Thu Hà, Lại Khắc Lãi, Lê Thị Nguyệt,<br /> "Khảo sát chất lượng hệ truyền động có khe hở" Tạp<br /> chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số<br /> 3 năm 2009, trang 124-130<br /> [2].<br /> Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông<br /> minh để điều khiển đối tượng phi tuyến khó mô hình<br /> hoá” Đề tài NCKH cấp bộ năm 2002; Mã số:<br /> B2002.02.03.<br /> [3].<br /> OdaiM.and HoriY, Speed control of 2-inertia<br /> system with gear backlash using gear torque<br /> compensator’’ 1998.<br /> [4].<br /> NakayamaY,FujikawaK.and KobayashiH. A<br /> torque control method of three-inertia torsional system<br /> with backlash 2000.<br /> [5].<br /> LinC, YuT. and FengXu Fuzzy control of a<br /> nonlinear pointing test bed with backlash and friction<br /> 1996:Kobe<br /> [6].<br /> SmithM.C.<br /> Nonlinear<br /> and<br /> predictive<br /> control:Describing<br /> functions<br /> 2004.<br /> DhaouadiR.,KuboK.and TobiseM. Analysis and<br /> compensation of speed drive systems<br /> [7].<br /> R.M.R. Bruns, J.F.P.B. Diepstraten, X.G.P.<br /> Schuurbiers,J.A.G. Wouters “Motion Control of<br /> Systems with Backlash” DCT number: 2006.075,<br /> August 29, 2006.<br /> <br /> 37<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 52(4): 3 - 12<br /> <br /> 4 - 2009<br /> <br /> Summary<br /> Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash<br /> Electric drive systems with backlash belong to a class of non-linear mechatronic systems, which find a number of<br /> vital applications. Backlash can significantly reduce performance such as instability, and unwanted noise and<br /> vibration. In this paper, we propose Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash: to use<br /> a fuzzy control and to use a intelligent control.<br /> <br /> 38<br /> <br />