Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1 - Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ truyền động có khe hở; Chương 2 - Xây dựng mô hình toán của hệ thống truyền động có khe hở; Chương 3 - Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở

ĐẠI TƯ LỆNH BỘHỌC QUÂN KHU I THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO DẲNG NGHỀ SỐ 1 - BQP NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG BÀI GIẢNG Mô đun: Vi Mạch Số Lập Trình THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG ĐIỆN NGHỀ: DỤNGTỬ CHO HỆ TRUYỀN CÔNG NGHIỆP ĐỘNG CÓ KHE TRÌNH ĐỘ: HỞ CAO ĐẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Năm 2014 THÁI NGUYÊN 2019 i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA TS. LÊ THỊ THU HÀ PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2019 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Thị Kiều Trang sinh ngày 13 tháng 11 năm 1991, học viên cao học lớp CK-K20 tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đề tài "Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở" là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thị Thu Hà. Các nguồn tài liệu tham khảo liên quan đều được trích xuất rõ ràng. Nếu có điều gì không đúng với lời cam đoan tôi xin chịu theo quy chế hiện hành. Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Kiều Trang iii
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nỗ lực thực hiện luận văn đến nay luận văn của em đã được hoàn thành. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo hướng dẫn TS. Lê Thị Thu Hà đã định hướng và hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành được luận văn theo tiến độ đề ra. Ngoài ra em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu. Em cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè cũng như các đồng nghiệp đã luôn ở bên động viên em thực hiện đề tài này. Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Kiều Trang iv
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................................1 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................2 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................2 2. Mục đích của đề tài .............................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................................3 4.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................................3 4.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ ...............................................................................................................................4 1.1. Đặc điểm chung của hệ truyền động ............................................................................4 1.1.1. Đặc điểm của hệ truyền động .......................................................................................4 1.1.2. Các yêu cầu nâng cao chất lượng của hệ truyền động ..................................................5 1.2. Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở .................6 1.2.1. Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở như một khâu backlash ..........6 1.2.2. Một số phương pháp điều khiển hệ truyền động có khe hở sử dụng mô hình toán tổng quát của đối tượng ........................................................................................................12 1.3. Tổng quan về các bộ điều khiển .................................................................................13 1.3.1. Bộ điều khiển PID.......................................................................................................13 1.3.1.1. Phương pháp Ziegler-Nichols .............................................................................14 1.3.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick ...........................................................15 1.3.1.3. Phương pháp tổng T của Kuhn ...........................................................................17 1.3.1.4. Phương pháp tối ưu độ lớn..................................................................................18 1.3.1.5. Phương pháp tối ưu đối xứng .............................................................................21 1.3.2. Điều khiển mờ [11].................................................................................................24 1.3.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh.........................................................................................24 1.3.2.2. Bộ điều khiển mờ động .......................................................................................24 1.3.3. Điều khiển thích nghi [12] [29]. .............................................................................24 1.3.4. Hệ mờ lai và hệ mờ thích nghi [3] ..............................................................................25 1.3.4.1. Hệ mờ lai......................................................................................................................25 1.3.4.2. Bộ điều khiển mờ thích nghi ........................................................................................26 v
1.3.4.3. Chỉnh định thích nghi PID nhờ suy luận logic mờ ......................................................29 1.4. Kết luận ..........................................................................................................................34 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG ..................................................................................................................................................35 2.1. Hệ truyền động qua bánh răng [6].............................................................................37 2.1.1. Giới thiệu chung .....................................................................................................37 2.1.2. Một số yêu cầu về cơ khí đối với hệ truyền động bánh răng ..................................39 2.1.3. Biện pháp cơ học làm giảm sai số khi gia công bánh răng ....................................40 2.2. Xây dựng mô hình toán tổng quát .............................................................................42 2.2.1. Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng ...............................................................44 2.2.2. Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi và moment ma sát .................................................................................................................46 2.2.3. Mô hình toán ở chế độ khe hở (dead zone) ............................................................48 2.2.4. Mô hình tổng quát ..................................................................................................50 2.3. Mô tả hệ ở chế độ xác lập .........................................................................................50 2.3.1. Mô hình toán ở chế độ xác lập ...............................................................................50 2.3.2. Mô phỏng trên MatLab ...........................................................................................51 2.4 Kết luận ......................................................................................................................53 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ ..................................54 SUY LUẬN MỜ .......................................................................................................................54 3.1. Mô hình xấp xỉ tuyến tính không liên tục của hệ truyền động bánh răng .....................54 3.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID theo lý thuyết kinh điển ................................56 3.2.1. Xác định theo phương pháp Zigeler- Nichols 1..........................................................56 3.2.2. Phương pháp tổng T của Kuhn ...............................................................................58 3.3. Xác định tham số theo bộ điều khiển mờ lai ..............................................................59 3.3.1. Theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka..................................................................59 3.3.1.1. Giới thiệu về phương pháp ..........................................................................................59 3.3.1.2. Nội dung chính của phương pháp được ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở ......61 3.3.1.1. Kết quả mô phỏng trên Matlab ....................................................................................63 3.3.2. Theo phương pháp Mallesham- Rajani ..................................................................67 3.3.2.1. Giới thiệu về phương pháp ..........................................................................................67 3.3.2.2. Nội dung chính của phương pháp ................................................................................68 3.3.2.3. Kết quả mô phỏng trên Matlab ....................................................................................69 3.4. So sánh giữa các phương pháp điều khiển .................................................................72 3.5. Kết luận ......................................................................................................................73 vi
1. Kết luận chung ...............................................................................................................74 2. Kiến nghị........................................................................................................................74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................75 vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT - PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển gồm: Khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), khâu vi phân (D) - MIMO: Multiple In Multiple Out - MBC: Model Based Controller viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Bù khe hở bằng mô hình ngược 14 Hình 1.2. Điều khiển bù khe hở bằng mô hình ngược và bộ điều khiển PI 15 Hình 1.3. Điều khiển bù khe hở bằng mạng neural 16 Hình 1.4. Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural bằng chỉnh định 17 thích nghi Hình 1.5. Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural bằng phản hồi trạng 18 thái Hình 1.6. Bù khe hở moment ma sát và moment xoắn bằng phản hồi trạng thái. 18 Hình 1.7. Điều khiển bù khe hở và ma sát 20 Hình 1.8. Cấu trúc bộ điều khiển PID 21 Hình 1.9. Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ đối tượng 22 Hình 1.10. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 23 Hình 1.11. Hàm quá độ đối tượng thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones- 24 Reswick Hình 1.12. Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian 26 Hình 1.13. Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặc tính tần bằng 1 càng rộng 27 càng tốt Hình 1.14. Điều khiển khâu quán tính bậc nhất 28 Hình 1.15. Minh họa thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu đối xứng 31 Hình 1.16. Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 33 Hình 1.17. Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 34 Hình 1.18. Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 35 Hình 1.19. Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 35 Hình 1.20. Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi 37 Hình 1.21. Cấu trúc hệ PID thích nghi trên nền suy luận logic mờ 38 Hình 1.22. Giải thích khái niệm giá trị ngôn ngữ (tập mờ) 39 Hình 1.23. Minh họa nguyên lý làm việc của động cơ suy diễn max-min và 41 sum-min Hình 1.24. Minh họa nguyên tắc giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 42 Hình 2.1. Bộ truyền động đai 44 Hình 2.2. a) Cơ cấu truyền động xích; b) Cơ cấu truyền động bánh răng 44 Hình 2.3. Sơ đồ máy cán 45 Hình 2.4. Bố trí chi tiết trong hộp giảm tốc 45 Hình 2.5. Một số dạng hệ truyền động qua bánh răng 46 Hình 2.6. Hệ nhiều cặp bánh răng là hệ truyền ngược của nhiều hệmột cặp bánh 51 răng Hình 2.7. Cấu trúc vật lý của hệ truyền động qua một cặp bánh răng 53 Hình 2.8. Minh họa các định luật cân bằng giữa cặp bánh răng 54 Hình 2.9. Sơ đồ động lực học 54 Hình 2.10. Thiết lập phương trình động lực học khi hai bánh răng ăn khớp 55 ix
Hình 2.11. Mô tả trạng thái hai bánh răng ở vùng chết của khe hở 57 Hình 2.12. Sơ đồ khối mô tả hệ truyền động qua bánh răng với mô hình 60 Hình 2.13. Ảnh hưởng của các thành phần độ xoắn, ma sát, hiệu ứng khe hở tới 60 chất lượng truyền động Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng và hàm quá độ của đối tượng 64 Hình 3.2. Hàm quá độ của đối tượng khi có bộ điều chỉnh PID 65 Hình 3.3. Đáp ứng của hệ khi kích thích là hình sin 65 Hình 3.4. Hàm quá độ của đối tượng khi có bộ điều chỉnh PID 66 Hình 3.5. Đáp ứng của hệ khi kích thích là hình sin 67 Hình 3.6. Chỉnh định mờ PID 68 Hình 3.7. Mờ hóa các biến ngôn ngữ vào – ra của Zhao-Tomizuka-Isaka 68 Hình 3.8. Mờ hóa bộ chỉnh định mờ 69 Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống với kích thích là hàm bước nhảy 70 Hình 3.10. Bộ điều khiển mờ PID 71 Hình 3.11. Kết quả đáp ứng đầu ra 71 Hình 3.12. Hệ số alpha sau bộ mờ 72 Hình 3.13. Hệ số Kd sau bộ mờ 72 Hình 3.14. Hệ số Kp sau bộ mờ 73 Hình 3.15. Hệ số Ki đưa vào bộ điều khiển PID 73 Hình 3.16. Hệ số Kd đưa vào bộ điều khiển PID 73 Hình 3.17. Hệ số Kp đưa vào bộ điều khiển PID 74 Hình 3.18. Các thông số Kp, Kd, Ki của bộ điều khiển PID 74 Hình 3.19. Mã hóa bộ chỉnh định mờ cho PID 75 Hình 3.20. Mờ hóa bộ chỉnh định mờ 76 Hình 3.21. Sơ đồ mô phỏng hệ thống với kích thích là hàm bước nhảy 77 Hình 3.22. Bộ điều khiển mờ PID 77 Hình 3.23. Đáp ứng đầu ra với kích thích đầu vào là hàm bước nhảy 78 Hình 3.24. Các thông số Kp, Kd, Ki của đầu ra bộ điều khiển mờ 78 Hình 3.25. Các thông số Kp, Kd, Ki của bộ điều khiển PID 79 Hình 3.26. Đáp ứng đầu ra với kích thích đầu vào là hàm hình sin 79 x
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI NHỜ SUY LUẬN MỜ VÀ ỨNG DỤNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Học viên: Nguyễn Thị Kiều Trang Lớp: CH – K20 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Thị Thu Hà PHÒNG ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Lê Thị Thu Hà Nguyễn Thị Kiều Trang xi
LỜI NÓI ĐẦU Trong thực tế, nhiều giải pháp tổng hợp, thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, sự thường xuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng... Những khó khăn đó sẽ không còn là những vấn đề nan giải khi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ. So với các giải pháp kỹ thuật khác thì phương pháp tổng hợp hệ thống bằng logic mờ có những ưu điểm rõ rệt như khối lượng công việc thiết kế giảm đi, dễ hiểu hơn, trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững và chất lượng điều khiển cao hơn. Xuất phát từ thực tế đó nên tôi đã đề xuất đề tài nghiên cứu theo hướng cải thiện chất lượng bộ điều khiển PID cho bài toán bám bền vững giá trị đặt các hệ truyền động, cụ thể là hệ truyền động có khe hở. Với cách đặt vấn đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở ”. Nội dung luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 2: Xây dựng mô hình toán của hệ thống truyền động có khe hở Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ Kết luận và kiến nghị Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Kiều Trang 1
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cơ cấu chấp hành bao gồm động cơ và những thiết bị cơ khí chuyển đổi hướng chuyển động của nó, được gọi chung lại thành hệ truyền động, là đối tượng được sử dụng trong hầu hết các dây chuyền công nghệ sản xuất, chế tạo. Hơn thế nữa phần lớn những bộ điều khiển hệ truyền động hiện có đều dựa trên nền PID (97%). Bởi vậy chỉ cần một sự cải tiến nhỏ về nâng cao chất lượng PID để điều khiển hệ truyền động đã có thể mang lại một hiệu quả rất cao về kinh tế và chất lượng sản phẩm trong toàn bộ nền công nghiệp sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm. Có nhiều giải pháp tổng hợp, thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, sự thường xuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng... Những khó khăn đó sẽ không còn là những vấn đề nan giải khi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ. Các bộ điều khiển mờ có đặc điểm làm việc theo nguyên tắc sao chép lại kinh nghiệm, tri thức của con người trong điều khiển, vận hành máy móc. So với các giải pháp kỹ thuật khác thì phương pháp tổng hợp hệ thống bằng logic mờ có những ưu điểm rõ rệt như khối lượng công việc thiết kế giảm đi, dễ hiểu hơn, trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định, bền vững và chất lượng điều khiển cao hơn. Xuất phát từ tình hình thực tế trên với mong muốn được góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nói chung và của ngành Tự động hóa nói riêng, trong khóa học cao học tại trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, được sự định hướng của cô giáo TS. Lê Thị Thu Hà và sự giúp đỡ của nhà trường, phòng đào tạo Sau đại học, em đã lựa chọn đề tài của mình là “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở”. Trong quá trình thực hiện đề tài, bản thân em đã nỗ lực hết sức nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô trong Hội đồng Khoa học và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn. 2. Mục đích của đề tài Sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ để xử lý các tín hiệu điều khiển phù hợp dựa trên một hàm tối ưu hóa để sao cho sai lệch giữa lượng đặt đầu vào và đáp ứng đầu ra có sai lệch nhỏ nhất đồng thời có chất lượng động tốt nhất. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Dựa trên việc lựa chọn đề tài em chọn đối tượng nghiên cứu là sử dụng một số thành quả trong lý thuyết điều khiển về điều khiển thích nghi và điếu khiển mờ vào bộ điều khiển PID để điều khiển bám giá trị đặt với chất lượng cao cho hệ truyền động có khe hở khi mà ở đó còn có thêm những điều kiện ràng buộc bắt buộc về năng lượng cung cấp, về miền làm việc của hệ bao gồm cả ràng buộc về trạng thái (nhiệt độ làm việc của thiết bị, tốc độ chuyển đối năng lượng...) và ràng buộc về tín hiệu ra của hệ (moment, tốc độ chuyển động, lực tương tác giữa hệ truyền động với môi trường xung quanh...). Từ những phân tích trên cho thấy việc thực hiện đề tài “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi nhờ suy luận mờ và ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở ” là hoàn toàn phù hợp với hướng nghiên cứu về điều khiển tự động. Việc thực hiện đề tài sẽ có một cách thức mới để chỉnh định ba tham số bộ điều khiển PID mang đến chất lượng điều khiển của hệ thống được đảm bảo. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học Các hệ thống tự động hiện tại chủ yếu là các hệ truyền động. Hiện tại đã có nhiều cải tiến và áp dụng các phương pháp điều khiển mới nhưng chủ yếu vẫn là điều khiển kinh điển. Nên việc nghiên cứu của đề tài sẽ hứa hẹn áp dụng được một phương pháp điều khiển mới giúp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài đưa ra một phương án ứng dụng kỹ thuật điều khiển mới giúp giảm sai số, nâng cao chất lượng điều khiển, dễ dàng thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống. 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1. Đặc điểm chung của hệ truyền động 1.1.1. Đặc điểm của hệ truyền động Theo Meriam-Webster thì hệ truyền động được hiểu là một tập hợp các cơ cấu ghép nối cơ khí phục vụ biến đổi tốc độ, moment. Hệ truyền động luôn tồn tại trong các hệ biến đổi và truyền tải năng lượng. Nhiệm vụ của bài toán điều khiển hệ truyền động là phải xác định được quy luật thay đổi moment dẫn động tạo ra từ động cơ dẫn động để hệ có được tốc độ góc của tải đầu ra luôn bám ổn định được theo một quỹ đạo đặt trước và điều này phải không được phụ thuộc vào các tác động không mong muốn vào hệ. Để thực hiện được bài toán điều khiển trên, ta cần phải xây dựng được mô hình toán mô tả tính chất động lực học của hệ truyền động với đầy đủ những yếu tố kết cấu cơ khí, vật liệu của nó. Từ mô hình toán cụ thể của từng lớp hệ truyền động mà người ta mới có thể phân tích được, cũng như lựa chọn được phương pháp điều khiển thích hợp và tổng hợp được bộ điều khiển cho hệ truyền động đó. Song, nhìn nhận một cách tổng quát thì các bài toán điều khiển hệ truyền động đều có những đặc điểm chung như sau:  Thứ nhất, hệ truyền động là một hệ phi tuyến, không tự sinh ra năng lượng (hệ thụ động). Nó luôn có thể mô tả được bằng mô hình Euler-Lagrange.  Hệ luôn chứa những thành phần rất khó xác định được một cách chính xác trong mô hình. Điển hình của các thành phần đó là các moment ma sát trên những trục truyền động, moment tải, độ không cứng vững tuyệt đối của vật liệu làm trục truyền động hoặc bánh răng và sự không chính xác trong chế tạo cơ khí hoặc sự mài mòn của vật liệu tạo ra các khe hở giữa những khớp truyền động khi nối với nhau. Nhìn chung, nhiệm vụ điều khiển bám ổn định vận tốc hay quỹ đạo góc của cơ cấu chấp hành trong các hệ truyền động của máy tổ hợp nói chung là một bài toán động lực học rất phức tạp. Nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: Nguồn năng lượng dẫn động, lực hoặc moment cản, moment ma sát, bôi trơn, khe hở, độ đàn hồi của các khâu và độ cứng vững của toàn hệ thống cũng như các yếu tố môi trường. Đặc biệt đối với các máy tổ hợp sau một thời gian làm việc các yếu tố tác động kể trên là những yếu tố ngẫu nhiên, khó lường trước và nó thay đổi theo thời gian dẫn tới mất ổn định động lực học. Mất ổn định động 4
lực học là trạng thái nguy hiểm nhất xẩy ra khi tần số lực kích động có giá trị bằng hoặc xấp xỉ với tần số dao động riêng của hệ. Khi một quá trình gia công bị rơi vào trạng thái mất ổn định thì biên độ dao động của hệ rất lớn, làm cho hệ thống rung động mạnh, gây ồn và giảm độ chính xác cũng như chất lượng của sản phẩm. Vì vậy điều khiển bám ổn định tốc độ của cơ cấu chấp hành là nhiệm vụ hàng đầu đang được đặt ra cho các nhà tích hợp hệ thống điều khiển hệ truyền động nói chung và hệ truyền động qua bánh răng nói riêng. 1.1.2. Các yêu cầu nâng cao chất lượng của hệ truyền động Trong bài toán điều khiển hệ truyền động, bên cạnh việc có được khả năng bám ổn định theo quỹ đạo góc quay đặt trước, người ta còn phải rất quan tâm tới những vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống, bao gồm: 1. Việc ổn định tốc độ của các cơ cấu chấp hành. 2. Giảm thiểu tối đa các dao động sinh ra từ độ xoắn của các trục truyền moment. 3. Giảm thiểu tối đa sự ảnh hưởng của các xung moment trên trục truyền động ở quá trình quá độ, sự ảnh hưởng của tiếng ồn, va đập sinh ra từ các khe hở giữa các trục truyền động. 4. Chất lượng bám ổn định tốc độ hoặc góc quay của hệ theo quỹ đạo mong muốn đặt trước không bị ảnh hưởng bởi những moment ma sát, moment cản trong hệ. Những yêu cầu nâng cao chất lượng kể trên là một vấn đề cấp thiết của thực tế ứng dụng vì nó liên quan tới tuổi bền của máy, độ tin cậy và chính xác của dụng cụ và đảm bảo môi trường làm việc cho người lao động, do tiếng ồn và rung động gây ra. Từ trước đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm nhằm giải thích nguyên nhân, bản chất của hiện tượng mất ổn định động lực học và đã đưa ra các giải pháp kỹ thuật để tìm cách khống chế và loại trừ nó. Chẳng hạn như các biện pháp cơ khí phổ thông hiện được dùng là lắp thêm bánh đà, nâng cao độ chính xác khi chế tạo các chi tiết, điều chỉnh và lắp ráp theo các quy trình nghiêm ngặt, chấp hành các chế độ bảo trì .... Các giải pháp cơ học nêu trên chỉ thích hợp với chế độ làm việc xác lập của hệ thống cũng như hệ thống có tính động học biến đổi chậm và cũng chỉ giải quyết được một phần mang tính chất định kỳ. Trường hợp chung, khi các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra bất thường tác động lên hệ thống, thì các biện pháp cơ khí nêu trên không thể khắc phục ngay được. Với những bài toán nâng cao chất lượng hệ thống ở chế độ làm việc quá độ cũng như có tính động học nhanh, dưới giả thiết không thể đo được chính xác các moment ma sát, moment cản, độ xoắn trên trục truyền động và khe hở giữa các bánh răng, người 5
ta phải sử dụng kèm thêm cùng giải pháp cơ khí là các bộ điều khiển điện, điện tử nhằm có thể dễ dàng cài đặt được các phương pháp điều khiển chỉnh định thích nghi và bền vững làm việc theo cơ chế phản hồi. 1.2. Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở Trên thế giới cũng như trong nước, lĩnh vực điều khiển truyền động được quan tâm nghiên cứu rất nhiều. Cụ thể với hệ truyền động có khe hở ta không thể tuyến tính hóa được khe hở và do đó bắt buộc phải áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến. Xác định khe hở và điều khiển loại bỏ sự ảnh hưởng của khe hở tới chất lượng truyền động là bài toán thường gặp nhất trong các bài toán điều khiển hệ truyền động có khe hở. 1.2.1. Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở như một khâu backlash Khe hở có mô hình toán như sau [27]: mu khi u  0 và   m(u  a )    B( , u, u )   khi u  0 và   m(u  a) (1.1) 0  ngoài ra Tuy nhiên trong ứng dụng khó khăn thường nằm ở việc xác định chính xác được các tham số m và a của nó cũng như tính phi tuyến và đa trị của hàm (1.1) để có thể tạo ra được tín hiệu bù khe hở. Hình 1.1. Bù khe hở bằng mô hình ngược Trong trường hợp mô hình (1.1) là chính xác thì theo [24] ta có thể điều khiển loại bỏ khe hở bằng hàm ngược: u  B 1 (u, u , u ) (1.2) với sơ đồ điều khiển hở cho ở hình 1.1, để hệ đó có được quan hệ vào ra dạng lý tưởng tuyệt đối:  u (1.3) 6
Hệ truyền động có khe hở x e Bộ điều khiển PI u u  Hệ truyền động lý tưởng y kp , T I Hình 1.2. Điều khiển bù khe hở bằng mô hình ngược và bộ điều khiển PI Hình 1.2 mô tả nguyên tắc điều khiển bù khe hở bằng mô hình ngược. Tất nhiên là nguyên tắc điều khiển này chỉ có nghĩa khi ta xác định được chính xác mô hình ngược (1.2) của khe hở và mô hình truyền động luôn có thể tách được hai thành phần riêng biệt là khe hở và phần mô hình lý tưởng tuyến tính còn lại mắc nối tiếp nhau. Điều khiển thích nghi bù khe hở bằng mạng neural và hệ mờ: Vấn đề tồn tại của phương pháp điều khiển hở là ta lại không có mô hình (1.1) tuyệt đối chính xác cho khe hở. Như vậy chỉ cần một sai lệch nhỏ trong mô hình (1.1) sẽ dẫn tới một sai số rất lớn trong phép tính nghịch đảo (1.2). Hơn nữa phép tính nghịch đảo (1.2) của hàm không toàn ánh (1.1) lại không tường minh, tức là từ một hàm (1.1) ta có thể có nhiều, thậm chí ở đây là vô số mô hình nghịch đảo (1.2). Điều khó khăn trên gây không ít khó khăn cho người thiết kế, vì cũng chưa có một công trình nghiên cứu nào đủ tổng quát về việc đánh giá chất lượng hệ thống theo các hàm ngược đó. Bởi vậy có thể nói kỹ thuật điều khiển bằng hàm ngược là không khả thi trong thực tế. Trên cơ sở suy luận như vậy, nhiều công trình đã được công bố cho việc thay hàm ngược (1.2) bằng việc xấp xỉ nó nhờ hệ mờ hay mạng neural như mô tả ở hình 1.3. Có thể liệt kê một số công trình đó là [10, 20, 21, 27, 28] Hệ truyền động có khe hở Bộ điều 7 Hệ truyền khiển PI động lý tưởng
Hình 1.3. Điều khiển bù khe hở bằng mạng neural Mặc dù vậy những phương pháp điều khiển bù xấp xỉ này cũng có mặt hạn chế của nó. Đó là: Việc xấp xỉ hàm phi tuyến nhờ mạng neural hay hệ mờ chỉ có thể có được kết quả xấp xỉ với sai lệch nhỏ tùy ý trong miền giới hạn cho phép, nếu như hàm phi tuyến cần được xấp xỉ đó là liên tục. Giả thiết này ta có thể dễ dàng thấy ngay được là nó không được thỏa mãn ở mô hình khe hở (1.1). Bởi vậy phương pháp điều khiển bù khe hở bằng việc xấp xỉ mô hình ngược thông qua mạng neural hay hệ mờ chỉ áp dụng được đối với các hệ có khe hở đủ nhỏ (hằng số a là rất nhỏ). Việc bù bằng mạng neural ở hình 1.3 chỉ thực sự có ý nghĩa khi tín hiệu  bên trong hệ truyền động có khe hở là đo được. Điều này gần như là không thể. Do đó người ta phải chuyển sang xác định  từ các tín hiệu đo được khác (quan sát). Điều này dẫn đến giá trị quan sát được là  có sai số so với giá trị thực  , kéo theo nguy cơ nghịch đảo sai số trong mô hình mạng neural sẽ rất lớn. Khắc phục nhược điểm trên của việc bù thành phần nghịch đảo (1.2) của hàm phi tuyến không liên tục, không tường minh (1.1), xu hướng nhận dạng online tham số mô hình khe hở (1.1) cũng đã được hình thành. Kết quả của bài báo [29] là một ví dụ. Tuy nhiên kết quả đó cũng mới chỉ dừng lại ở mức chưa trọn vẹn với nhiều vấn đề lý thuyết về tính hội tụ của thuật toán còn dang dở. Kết quả mô phỏng trong [29] mà ở đó không cần sử dụng tới phần chứng minh còn thiếu về tính hội tụ của thuật toán, mặc dù là chấp nhận được, song chưa nói lên được khả năng ứng dụng của nó trong điều khiển bù khe hở với hệ phi tuyến, vì nó mới chỉ dừng lại cho hệ truyền động có mô hình tuyến tính tham số hằng dưới dạng hàm truyền G( z ) . Bộ chỉnh định tham số 8 Hệ truyền động có khe hở
Hình 1.4. Nâng cao chất lượng bù khe hở nhờ mạng neural bằng chỉnh định thích nghi Như vậy có thể nói rằng so với việc bù bằng mô hình ngược, việc bù bằng mạng neural không thể bù hoàn toàn được hết hiệu ứng của khe hở. Do đó, mặc dù đã được giảm bớt nhiều, song trong hệ vẫn tồn tại một thành phần dư thừa nhỏ của khe hở. Thành phần này lại biến đổi liên tục do hàm liên tục yNN  b(u, u , u )  B 1 (u, u , u ) tạo ra bởi mạng neural để bù khe hở là không cố định. Bởi vậy để nâng cao chất lượng bù khe hở bằng mạng neural xấp xỉ giống được như chất lượng bù bằng mô hình ngược, người ta đưa thêm vào thành phần chỉnh định thích nghi tham số PI như mô tả ở hình 1.4. Điều khiển hệ truyền động có khe hở, ma sát và độ đàn hồi: Theo [18, 25] thì phần lớn hệ truyền động có khe hở luôn tách được thành hai khâu phi tuyến mắc nối tiếp gồm khâu mô tả khe hở đứng trước và một khâu phi tuyến dạng affine truyền ngược chặt x  f (x , ) đứng phía sau (hình 1.3), tức là khâu phi tuyến truyền ngược chặt này luôn biến đổi về được dạng:  xk  xk 1 khi 1  k  n  1  (1.4)  xn  f (x )  d (x , t )  g (x ) x   x1 , , xn  là vector của các biến trạng thái T với f (x ), g (x ) là các hàm mô tả hệ thống d (x , t ) là hàm bất định đại diện cho những thành phần không xác định được của mô hình Hệ truyền động có khe hở 9 Bộ điều khiển Hệ truyền phản hồi trạng động lý tưởng thái