Nâng Cao Chất Lương HTĐ Điện Bám Sát Vị Trí Trên Cơ Sở Đánh Giá Mô Men Cản

Chia sẻ: Đoàn Minh Quỳnh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của luận văn đã trình bày một cách tổng quan ảnh hưởng của mô men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát vị trí. Xây dựng mô hình đánh giá mô men cản sinh ra do ma sát. Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá thích nghi thành phần mô men cản. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm Matlab-Simulink.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nâng Cao Chất Lương HTĐ Điện Bám Sát Vị Trí Trên Cơ Sở Đánh Giá Mô Men Cản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ THÁI HÀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ MÔ MEN CẢN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Hà Nội Năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ THÁI HÀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ MÔ MEN CẢN Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Thanh Tiên
Hà Nội Năm 2016 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Cán bộ chấm phản biện 1:.................................................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Cán bộ chấm phản biện 2:.................................................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày ... tháng ... năm 2016
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Thái Hà Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá mô men cản. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tiên Tác giả, cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày….........................………… với các nội dung sau: …………………………………………………………………………………. .……………….. ………………………………………………………………………………… ………………….. ………………………………………………………………………………… ………………….. ………………………………………………………………………………… ………………….. ………………………………………………………………………………… …………..……….. ……………………………………………………………... ………………………………………..……………………………………… Ngày ... tháng ...năm 20... Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
CHỦ TỊCH HOẶC THƯ KÝ HỘI ĐỒNG (Kỹ và ghi rõ họ tên)
Tôi xin cam đoan: Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Vũ Thái Hà
MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa ..................................................................................................... Bản xác nhận chỉnh sửa luận văn ..................................................................... Bản cam đoan ..................................................................................................... Mục lục .............................................................................................................. Tóm tắt luận văn................................................................................................ Danh mục các hình vẽ ............................................................................................................................. MỤC LỤC ....................................................................................................... 8 Trang ................................................................................................................ 8 Trang phụ bìa ................................................................................................ 8 Bản xác nhận chỉnh sửa luận văn ............................................................. 8 Bản cam đoan ................................................................................................ 8 Mục lục .......................................................................................................... 8 8 ........................................................................................................................... Tóm tắt luận văn ........................................................................................... 8 Danh mục các hình vẽ .................................................................................. 8 TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................ 10 Chương 1. MÔ MEN CẢN NHIỄU TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM SÁT VỊ TRÍ; BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI TRONG CHẾ ĐỘ TRƯỢT ............................................................................................................ 4 1.1. Phương trình trạng thái truyền động điện...................................................................4 1.2. Đặc tính cơ của tải......................................................................................................5
1.3. Chế độ làm việc của hệ truyền động bám..................................................................7 1.4. Quan sát trạng thái trong hệ thống điều khiển.........................................................10 1.4.1 Phản hồi trạng thái ................................................................................... 10 1.4.2 Tổng hợp bộ quan sát trạng thái .............................................................. 13 1.4.3 Bộ quan sát khi hệ thống có nhiễu loạn bất định – Bộ quan sát trượt 17 .. Kết luận chương 1............................................................................................................30 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ MÔ MEN CẢN SINH RA DO MA SÁT TRÊN CƠ SỞ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT ..................... 32 2.3. Tổng hợp bộ quan sát trạng thái, đánh giá mô men cản.........................................40 2.4. Xây dựng mô hình mô phỏng....................................................................................45 Chương 3. NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BÁM SÁT VỊ TRÍ TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ THÍCH NGHI THÀNH PHẦN MÔ MEN CẢN ............ 52 3.3. Đánh giá mô men ma sát .........................................................................................57 3.4. Tổng hợp điều khiển và đánh giá các hằng số ma sát.............................................58 3.5. Xây dựng mô hình mô phỏng....................................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................... 71 1. Kết luận chung..............................................................................................................71 2. Khuyến nghị..................................................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 74
TÓM TẮT LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Vũ Thái Hà + Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Khoá: 26 + Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tiên + Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá mô men cản. + Tóm tắt: Nội dung của luận văn đã trình bày một cách tổng quan ảnh hưởng của mô men cản đến chất lượng hệ truyền động bám sát vị trí. Xây dựng mô hình đánh giá mô men cản sinh ra do ma sát. Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá thích nghi thành phần mô men cản. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm MatlabSimulink.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU Trong các hệ truyền động điện tự động, thành phần mô men cản được xem như là thành phần nhiễu loạn tác động lên hệ thống [1] . Để thiết kế các hệ truyền động bám sát vị trí đòi hỏi độ chính xác cao nhất thiết phải có được các thông tin đánh giá về thành phần mô men cản để xây dựng luật điều khiển bù [Leonid Freidovich, et al;]. Mô men cản được hiểu là thành phần cản trở, chống lại chuyển động quay của vật xung quanh trục quay. Như vậy thành phần này là tổng của nhiều yếu tố tác động: + Khối lượng quán tính của vật. Thành phần này thông thường khó xác định chính xác khi có sự tham gia đồng thời của nhiều chuyển động. + Tính chất chuyển động của tải: Vận tốc, gia tốc chuyển động của buồng thang máy, cầu trục, bơm nước, quạt gói, đặc biệt trong các hệ thống truyền động đòi hỏi độ chính xác cao như trạm quan sát quang học, lade, quan sát ngoài vũ trụ vì rằng nếu tồn tại một lượng sai số rất nhỏ của góc quay thì với bám kính hang nghìn, trăng nghìn kilômét thì sai số cự ly đã rất lớn. + Ảnh hưởng của trụ đỡ và trục quay: Thông thường trụ đỡ giả thiết được thiết kế đủ cứng vững cho phần quay, cách ly giữa phần quay và phẫn tĩnh thông thường là các vòng bi vòng bạc… thông thường tồn tại thành phần ma sát, thành phần cản trở do ma sát phụ thuộc vào điều kiện bôi trơn, nhiệt độ, tốc độ…; một ảnh hưởng đáng kết là sự không đồng trục, hiện tượg không đồng trục thông thường khi thiết kế điều khiển người ta xem là tồn tại một sai lệch giữa mô hình thật và mô hình tổng hợp.
Như vậy mô men cản tồn tại trong hệ thống truyền động có chứa các yếu tố bất định. Xét vi dụ đơn giản ta kéo gầu nước từ giềng nước lên, khi ta không biết nước trong gầu đã đầy chưa, gầu nặng hay nhẹ, khi đó ta phải thử xem nước trong gầu đầy hay vơi bằng cách kéo lên, thử xuống để ước lượng mức độ nặng nhẹ của lực kéo, tức là lượng nước trong gầu. Một hình tượng đơn gián trong cuộc sống nhưng nó cũng phản ảnh được sự ảnh hưởng tính chất của tải đến tính chất chuyển động. Xuất phát từ thực tế đó, tác giả của luận văn đi vào nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá mô men cản” Phạm vi ứng dụng của đề tài là các hệ truyền động điện tự động có đòi hỏi chất lượng cao: + Truyền động bám sát cho các tay máy phục vụ trong lĩnh vực vi điện tử, lắp ráp linh kiện điện tử. + Các truyền động trong các hệ ngắm bắn quang học
+ Hệ truyền động dẫn động an ten viba trong tổ hợp MololibB Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu cơ sở lý thuyết đánh giá thành phần mô men cản Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển bù thích nghi thành phần mô men cản Xây dựng mô hình mô phỏng Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Mô men cản – Nhiễu trong hệ truyền động bám sát vị trí; bộ quan sát trượt. Chương 2: Xây dựng mô hình đánh giá mô men cản sinh ra do ma sát. Chương 3: Nâng cao độ chính xác bám sát vị trí trên cơ sở đánh giá thích nghi thành phần mô men cản.
Chương 1. MÔ MEN CẢN NHIỄU TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM SÁT VỊ TRÍ; BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI TRONG CHẾ ĐỘ TRƯỢT Khi xét mô men cản là nhiễu loạn tác động lên hệ thống nội dung chương này chỉ rõ cơ chế tác động của mô men cản, thành phần cản trở có tính bất định của mô men cản. Đồng thời nội dung chương này trình bày các vấn đề tổng quan về bộ quan sát trạng thái và ứng dụng bộ quan sát trạng thái trượt để đánh giá mô men cản 1.1. Phương trình trạng thái truyền động điện Xuất phát từ phương trình cân bằng năng lượng, ta xây dựng được phương trình trạng thái truyền động điện như sau: dω J eq = M dc − M c dt Trong đó: J eq thành phần mô men quán tính quy đổi về trục quay ω tốc độ quay M dc Mô men phát sinh bởi động cơ điện M c Mô men cản của tải quy đổi về trục quay Điểm làm việc cân bằng của hệ truyền động điện được xác định là giao điểm của hai đường đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ của tải.
Hình 1.1. Điểm làm việc định mức của hệ truyền động và dạng đặc tính cơ của động cơ Khi mô men cản biến thiên thì điểm làm việc của hệ thống truyền động cũng thay đổi. Sự thay đổi này làm thay đổi trạng thái của hệ thống, tức là vận tốc góc thay đổi, vị trí thay đổi. Khi ta thực hiện vòng ổn định vị trí, tốc độ theo sự thay đổi ngẫu nhiên của mô men cản tức là khi đó ta đã xây dựng vòng điều khiển có phản hồi theo sự thay đổi của tải, đảm bảo sự phù hợp của đặc tính cơ động cơ với đặc tính cơ của tải. Khi mô men cản thay đổi, ta cần có các thông tin về đặc tính mô men cản, để ta có thể xác định điều kiện làm việc ổn định của hệ thống. 1.2. Đặc tính cơ của tải Sự phụ thuộc của tốc độ quay của tải vào mô men cản ta xây dựng được đặc tính cơ của tải. Khi xét từ đầu trục của động cơ về phía tải ta có mô hình động lực học của tải, khi xét từ đầu trục động cơ quay ngược về phía động cơ ta có động học của động cơ chấp hành. Căn cứ vào tính chất của tải ta có các dạng đặc tính cơ của tải như sau: Tải thế năng: Tốc độ quay của tải không phụ thuộc vào mô men cản (mô men cản là hằng số)
Mô men cản tỷ lệ thuận với tốc độ quay Mô men tải tỷ lệ nghịch với tốc độ quay Mô men cản tỷ lệ với bình phương tốc độ... Khi mô men cản biến thiên ngẫu nhiên sẽ làm giảm chất lượng của hệ truyền động bám. Đặc biệt trong một số chế độ hoạt động mô men cản có sự tham gia của thành phần ma sát thì yếu tố bất định thể hiện rất rõ. Khi đó thành phần bất định này làm giảm đáng kể chất lượng làm việc của hệ bám.
Hình 1.2. Dạng đặc tính cơ của tải điển hình 1.3. Chế độ làm việc của hệ truyền động bám Theo mối tương quan giữa mô men động cơ và mô men cản ta có thể chia các chế độ làm việc của hệ thống bám thành 2 loại là chế độ làm việc với đối tượng điều khiển chuyển động nhanh và chế độ làm việc với đối tượng điều khiển chuyển động chậm. Với hệ thống chuyển động nhanh với gia tốc lớn thì mô men quay của động cơ chấp hành lớn hơn nhiều lần mômen ma sát, với hệ thống chuyển động chậm thì mômen động cơ chấp hành cho phép so sánh với mômen ma sát và mômen cản. Khi quan tâm đến hệ thống làm việc ở chế độ chậm, thì chất lượng bám sát phụ thuộc nhiều vào việc đánh giá mô men cản. Mômen ma sát là đại lượng khó xác định chính xác, phụ thuộc vào nhiều yếu tố mang tính bất định của mô hình hệ thống truyền động điện. Xây dựng mô hình phần cơ hệ thống truyền động: Phần cơ của hệ thống truyền động bao gồm nhiều khối chuyển động có liên quan với nhau gồm: động cơ, bộ truyền chuyển động và cơ cấu công tác. Rô to của động cơ chịu tác động mô men điện từ và quay với tốc độ là ω1, tốc độ quay được chuyển qua bộ truyền tới cơ cấu công tác để thực hiện công cơ học, quan hệ giữa phần tử này trong phần cơ được biểu diễn như sơ đồ hình 1.3.
JL, L ,ML ∆J J0 m φ Mdc J1 J4 J2 J3 Ji Jn Động cơ x x 1 J5 Mc Khớp nối 2 i qi v, F Ci Cơ cấu chấp hành Bộ truyền chuyển động Hình 1.3. Sơ đồ động học thể hiện mối quan hệ các phần tử trong phần cơ Phân tích những ảnh hưởng của mô men ma sát trong hệ thống bám làm việc ở chế độ chậm: Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra quá trình cơ, lý, hoá,... quan hệ của quá trình đó rất phức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường. r r Ta có: Fms = µ N , trong đó μ là hệ số ma sát, μ = f(p,v,C), N là tải trọng pháp tuyến; C là điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường...). Việc phân tích ảnh hưởng thành phần mô men ma sát có thể dựa vào các mô hình ma sát chuẩn như: mô hình ma sát tổng hợp, mô hình Dalh, mô hình ma sát LuGre, mô hình ma sát Lorentz, các mô hình này đánh giá thành phần ma sát coulomb và ma sát nhớt, phụ thuộc vào vận tốc; chiều thay đổi; lực tác động; sự tiếp xúc; sự hoạt động của độ dịch chuyển trung bình của bristle (lông cứng) trên bề mặt tiếp xúc, ... Ta có thể phân loại ma sát như sau, dựa vào động học chuyển động thì có: ma sát trượt, ma sát lăn, ma sát xoay. Dựa vào chất tham gia của sự
bôi trơn: ma sát ướt, ma sát khô, ma sát tới hạn. Dựa vào động lực học thì ta có: ma sát tĩnh, ma sát động. Dựa vào đặc tính quá trình ma sát có: ma sát bình thường là quá trình ma sát trong đó chỉ xảy ra hao mòn tất yếu và cho phép (xảy ra từ từ, chỉ trên lớp cấu trúc thứ cấp, không xảy ra sự phá hoại kim loại gốc). Trong phạm vi giới hạn tải tr ọng; vận t ốc tr ượt và điều kiện ma sát bình thường, ma sát không bình thường là quá trình ma sát trong đó p, v, C vượt ra ngoài phạm vi giới hạn, xảy ra hư hỏng: tróc loại 1, loại 2, mài mòn... Người ta tìm các biện pháp thiết kế, công nghệ, sử dụng để mở rộng phạm vi cho phép của p, v, C theo hướng tăng hoặc giảm. Hình dạng các lực ma sát, mô men ma sát được chỉ ra trên hình 1.4 như sau: M cu Mf a) Mf b) c)   v 0 0 0 Mf Mf Hi ệu ứng Ma sát tĩnh e) Stribeck d) Ma sát đ ộng  v 0 0 Ma sát đ ộng Hi ệu ứng Ma sát tĩnh Stribeck Hình 1.4. Mô hình mô men ma sát phụ thuộc vào tốc độ Trong thực tế, thì một lượng nhỏ ma sát tĩnh (không có vận tốc) hoặc ma sát cu lông (được mô tả ở dạng M ms = M ms 0sign(ϕ ) như hình 1.4a) luôn tồn tại ở khớp nối, thậm chí trong ổ trục dạng bi hoặc con lăn. Thành phần ma sát có hai tác động cơ bản quan trọng đến hệ điện cơ: một là thành phần mô men hoặc lực của cơ cấu chấp hành bị mất đi do phải thắng lực ma sát, dẫn đến không hiệu quả về năng lượng cũng như hiệu suất làm việc của hệ thống. Khi cơ cấu chấp hành dịch chuyển hệ thống đến vị trí