Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  NGUYỄN THỊ THỦY "NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI" LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự dộng hóa Thái Nguyên - năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  NGUYỄN THỊ THỦY ĐỀ TÀI "NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI" Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN TS. Trần Xuân Minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thuỷ Sinh ngày: 23 tháng 11 năm 1982 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Công nghiệp Cẩm Phả Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thuỷ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Phòng sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Trần Xuân Minh đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên Nguyễn Thị Thuỷ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt v Danh mục các bảng biểu vi Danh mục các hình vẽ và đồ thị vii Mở đầu 1 Chƣơng 1: Xây dựng mô hình toán cho hệ truyền động có khe hở 4 1.1. Hệ truyền động có khe hở ( hệ truyền động bánh răng) 4 1.1.1. Giới thiệu chung 4 1.1.2. Một số yêu cấu về cơ khí đối với hệ truyền động bánh răng 5 1.1.3. Biện pháp cơ học làm giảm sai số khi gia công bánh răng 6 1.2. Xây dựng mô hình toán tổng quát [5] 10 1.2.1. Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng 11 1.2.2. Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi và mô men ma sát [5] 14 1.2.3. Mô hình toán ở chế độ khe hở ( dead zone) 17 1.2.4. Mô hình tổng quát 19 1.3. Mô tả hệ ở chế độ xác lập 19 1.3.1. Mô hình toán ở chế độ xác lập 19 1.3.2. Mô phỏng trên MatLab 21 1.4. Kết luận chương 1 22 Chƣơng 2: Nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều kiển pid 23 2.1. Tổng quan về điều khiển PID 23 2.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 24 2.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 26 2.1.3. Phương pháp thực nghiệm 29 2.1.4. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển PID 29 2.2. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 31 2.2.1. Hệ Logic mờ 31 2.2.2. Bộ điều khiển mờ 40 2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 2.3. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai và so sánh với bộ điều khiển PID 47 2.3.1. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai 47 2.3.2. So sánh bộ điều khiển mờ lai với bộ điều khiển PID 48 2.3.3. Nhận xét 49 2.4. Kết luận chương 2 49 Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm hệ truyền động có khe hở 50 3.1. Tổng quan về card DS1104 trong hệ thống thực nghiệm 50 3.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104 50 3.2.1. Cấu trúc tổng quan 50 3.2.2. Các thành phần chủ yếu của DS1104 53 3.2.3. Phần mềm dSPACE 53 3.2.4. Cài đặt dSPACE 54 3.2.5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm 57 3.2.6. Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID 58 3.2.7. Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển mờ 59 3.2.8. Nhận xét kết quả thực nghiệm 60 3.3. Kết luận chương 3 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 PID Bộ điều khiển 2 DC Một chiều 3 FLC Fuzzy Logic Control (Điều khiển logic mờ) 4 F-PID Hệ mờ lai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang Bảng 4.1 Dung lượng các bộ nhớ của DS1104 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1 Hệ nhiều cặp bánh răng là hệ truyền ngược của nhiều hệ một cặp bánh răng 11 Hình 1.2 Cấu trúc vật lý của hệ truyền động qua một cặp bánh răng 13 Hình 1.3 Minh họa các định luật cân bằng giữa hai cặp bánh răng 14 Hình 1.4 Sơ đồ động lực học 14 Hình 1.5 Thiết lập phương trình động lực học khi hai bánh răng ăn khớp 15 Hình 1.6 Thiết lập phương trình động lực học khi hai bánh răng đang ở vùng chết của khe hở 18 Hình 1.7 Chương trình mô phỏng hệ thống theo mô hình 1.12 21 Hình 1.8 Đáp ứng tốc độ chuyển động của 2 trục bánh răng 22 Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 23 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 23 Hình 2.3 Đồ thị quá độ 25 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 26 Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng bằng bộ điều khiển PID 30 Hình 2.6 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ thay đổi 30 Hình 2.7 Hàm thuộc biến ngôn ngữ 32 Hình 2.8 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 32 Hình 2.9 Luật hợp thành 34 Hình 2.10 Mờ hoá 35 Hình 2.11 Thực hiện phép suy diễn mờ 36 Hình 2.12 Thực hiện phép hợp mờ 37 Hình 2.13 Những nguyên lý giải mờ 38 Hình 2.14 Cấu trúc một hệ logic mờ 39 Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 40 Hình 2.16 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 40 Hình 2.17 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Hình 2.18 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 41 Hình 2.19 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 41 Hình 2.20 Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 42 Hình 2.21 Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 43 Hình 2.22 Hệ mờ với bộ học mờ cho tín hiệu chủ đạo x 43 Hình 2.23 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 44 Hình 2.24 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 44 Hình 2.25 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào 45 Hình 2.26 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra 46 Hình 2.27 Các luật điều khiển mờ 46 Hình 2.28 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng bằng bộ điều khiển mờ lai 47 Hình 2.29 Cấu trúc bộ điều khiển mờ lai 47 Hình 2.30 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động bánh răng với tốc độ thay đổi 48 Hình 2.31 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng bằng bộ điều khiển PID và mờ lai 48 Hình 2.32 Đáp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ thay đổi 49 Hình 3.1 Card DS1104 50 Hình 3.2 Giao diện Control Desk 56 Hình 3.3 Cửa sổ New Layout 56 Hình 3.4 Chọn Slider và vẽ hình chữ nhật trong Layout1 56 Hình 3.5 Hệ thống thí nghiệm hệ truyền động bánh răng 57 Hình 3.6 Hệ thống ghép nối máy tính với động cơ 57 Hình 3.7 Đối tượng động cơ 58 Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển PID trên Matlab/Simulink - Control desk 58 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID khi thay đổi tốc độ động cơ 59 Hình 3.10 Cấu trúc điều khiển mờ lai trên Matlab/Simulink - Control desk 59 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển mờ khi thay đổi tốc độ động cơ 60 [...]... toán cho hệ truyền động có khe hở Chƣơng 2: Nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm về hệ truyền động có khe hở Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Chƣơng 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1 Hệ truyền động có khe hở ( hệ truyền động bánh... nghiên cứu hệ thống truyền động có khe hở là hướng đi đúng đắn của đề tài Vấn đề quan trọng của các hệ thống truyền động có khe hở là bộ điều khiển Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ thống truyền động có khe hở có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn Thực tế này là do động lực học của các hệ thống truyền động có khe hở có tính phi tuyến cao, các phương... động có khe hở (hệ truyền động bánh răng) - Xây dựng được mô hình toán học cho hệ truyền động bánh răng Trên cơ sở xây dựng mô hình toán cho hệ truyền động bánh răng, trong chương 2 sẽ thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động bánh răng so với bộ điều khiển PID Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 23 Chƣơng 2 NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG... khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống truyền động có khe hở là cấp thiết 2 Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mô tả toán học của hệ thống truyền động có khe hở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho hệ truyền động có khe hở - Mô phỏng và thực nghiệm về điều khiển hệ thống truyền động có khe hở trên thiết bị thực của phòng thí nghiệm 3... như: Tìm cách làm giảm nhỏ khe hở của hệ thống (cơ khí); dùng hệ điều khiển mờ, điều khiển thích nghi…(tác động vào phần điện) Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các hệ truyền động là yêu cầu quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm cho các hệ truyền động được ứng dụng nhiều trong thực tế như các trục truyền động của máy CNC… Từ những... các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế bộ điều khiển đảm bảo cho các hệ thống truyền động có khe hở có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc Vì vậy nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lượng cho hệ. .. truyền động có khe hở, các thiết bị truyền động có khe hở được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế như các hệ truyền động bánh răng, hệ truyền động đai vv… Chúng thuộc nhóm khâu khuếch đại có trễ nên tính phi tuyến rất mạnh Do có khe hở nên dễ phát sinh dao động làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của hệ thống Để giảm ảnh hưởng của khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động, người ta đã dùng nhiều phương... KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI SO VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1 Tổng quan về điều khiển PID Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) P uP uI I e(t) u(t) uD D với u(t) = uP + uI + uD e(t) u(t)  Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm... về bộ truyền bánh răng có tính đến yếu tố đàn hồi và hiệu ứng khe hở để tiến hành nghiên cứu chất lượng của bộ truyền khi kể đến ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi khe hở Việc xây dựng mô hình toán này là cần thiết, giúp cho ta có thể sử dụng thêm những biện pháp điều khiển để nâng cao chất lượng hệ truyền động, giảm sự ảnh hưởng của sai số cơ khí không thể khắc phục được bằng phương pháp cơ học Với số lượng. .. 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 Trong bài toán điều khiển hệ truyền động, bên cạnh việc có 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 gồm: - Việc ổn định tốc độ của các cơ . hệ truyền động có khe hở. Chƣơng 2: Nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID. Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm về hệ truyền động. lượng bằng bộ điều khiển mờ lai và so sánh với bộ điều khiển PID 47 2.3.1. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai 47 2.3.2. So sánh bộ điều khiển mờ lai với bộ điều khiển PID. cứu hệ thống truyền động có khe hở là hướng đi đúng đắn của đề tài. Vấn đề quan trọng của các hệ thống truyền động có khe hở là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ thống truyền