ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN NHẤT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Ngun, 2014 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS Đặng Danh Hoằng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Phản biện 2: TS Nguyễn Hoài Nam Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi h30 ngày 24 tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Truyền động có khe hở nhiều khoa học NCS quan tâm xuất nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp Việc điều khiển đảm bảo chất lượng cho hệ thống quan tâm nhiều Hiện điều khiển cho hệ thống truyền động có khe hở có chất lượng thấp điều khiển PID kinh điển, điều khiển không bị chặn Thực tế động lực học hệ thống truyền động có khe hở có tính phi tuyến, phương pháp thiết kế điều khiển cho hệ phi tuyến chưa nghiên cứu phát triển hồn thiện để ứng dụng vào việc thiết kế điều khiển đảm bảo cho hệ thống truyền động có khe hở có khả hoạt động tốt chế độ làm việc Hơn sau này, tơi có dự định giảng dạy Các Trường Cao đẳng ,Trung cấp dạy nghề công tác nhà máy sản xuất cơng nghiệp Nơi hệ thống truyền động có khe hở, thiết bị truyền động có khe hở sử dụng rộng rãi hệ truyền động bánh răng, hệ truyền động đai vv… Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển hệ thống truyền động có khe hở trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Ngun giúp tơi có có sở để tiếp cận làm chủ thiết bị nơi công tác sau này…Vì tơi chọn đề tài: "Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID" Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mơ tả tốn học hệ thống truyền động có khe hở - Nâng cao chất lượng điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số PID so với điều khiển PID - Mô thực nghiệm điều khiển hệ thống truyền động có khe hở thiết bị thực phịng thí nghiệm Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ truyền động có khe hở Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 3: Nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Chương 4: Kết thí nghiệm hệ truyền động có khe hở Kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1.1 Các yêu cầu hệ truyền động có khe hở Một hệ truyền động có khe hở cấu chấp hành nối với tồn khe hở, công nghiệp thường gặp hệ truyền động có khe hở điển hình hệ truyền động bánh Vì luận văn tập trung nghiên cứu hệ truyền động có khe hở mà cấu chấp hành nối với bánh gọi hệ truyền động bánh Theo chức sử dụng truyền động hệ bánh có yêu cầu khác nhau, cụ thể sau: 1.1.1 Truyền động xác 1.1.2 Truyền động tốc độ cao 1.1.3 Truyền động công suất lớn 1.1.4 Độ hở mặt bên 1.2 Những ảnh hưởng tác động đến hệ truyền động qua bánh 1.2.1 Ảnh hưởng đàn hồi đến phần hệ thống truyền động 1.2.2 Ảnh hưởng ma sát hệ thống truyền động Hình 1.6 Mối quan hệ ma sát khô vận tốc 1.2.3 Ảnh hưởng khe hở hệ thống truyền động 1.2.3.1 Mơ hình vật lí khe hở Hình 1.7 Mơ hình vật lý khe hở Hình 1.8 Đặc tính Deadzone 1.2.3.3 Mơ hình với hàm mơ tả 1.3 đặc trưng ăn khớp cặp bánh Đối với phần lớn cấu bánh dùng kĩ thuật, yêu cầu chủ yếu đảm bảo truyền chuyển động quay với tỉ số truyền cố định Muốn tỉ số truyền không đổi, pháp tuyến chung cặp biên dạng đối tiếp phải cắt đường nối tâm điểm cố định Điểm P cố định nói trên, gọi tâm ăn khớp Trên hai bánh hai vịng trịn tiếp xúc P, tâm tương ứng O1và O2 Khi hai bánh ăn khớp hai vịng trịn lăn khơng trượt lên Hai vịng trịn gọi vòng lăn cặp bánh đối tiếp Khi điểm P cố định tỉ số truyền i12 không đổi bằng: i12 = ω1 O1 N1 O1P = = ω2 O N O P (1.22) Trong đó: Điểm K điểm tiếp xúc hai biên dạng b1 b2 Đường thẳng mn pháp tuyến chung hai biên dạng b1 b2 O1N1 O2N2 vng góc với pháp tuyến mn Hình 1.9 Mơ hình ăn khớp bánh răn Để đảm bảo hai bánh ăn khớp với tỉ số truyền cố định (cịn gọi ăn khớp đều) cặp biên dạng đối tiếp hai bánh phải liên tục vào tiếp xúc vòng ăn khớp Muốn phải thỏa mãn điều kiện sau [1]: 1.3.1 Điều kiện ăn khớp 1.3.2 Điều kiện ăn khớp trùng Hình 1.11: Mơ hình cặp bánh ăn khớp trùng 1.3.3 Điều kiện ăn khớp khít 1.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ truyền động có khe hở - Lựa chọn đối tượng nghiên cứu hệ truyền động bánh - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID để điều khiển hệ truyền động điện bánh Trên sở nghiên cứu bước đầu hệ truyền động điện bánh răng, chương sâu nghiên cứu mơ tả tốn học hệ truyền động bánh Chương XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 2.1 Xây dựng mơ hình tốn hệ truyền động có khe hở Hình 2.1: Hệ nhiều cặp bánh hệ truyền ngược nhiều hệ cặp bánh 2.1.1 Cấu trúc vật lý định luật cân Xét cấu trúc vật lý hệ truyền động có khe hở hệ cặp bánh hình 2.2 [5] Hình 2.2: Cấu trúc vật lý hệ truyền động qua cặp bánh 2.1.2 Mơ hình tốn chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mịn vật liệu, độ đàn hồi moment ma sát Trên sở hệ thống truyền động bánh hình 2.2, ta có mơ hình động lực học có tính tới yếu tố đàn hồi cặp bánh ma sát ổ trục mơ tả hình 2.4 [5] Hình 2.4: Sơ đồ động lực học 2.1.3 Mơ hình tốn chế độ khe hở (dead zone) Hình 2.6: Mô tả trạng thái hai bánh vùng chết khe hở 2.1.4 Mơ hình tốn tổng qt Như vậy, tương ứng với hai chế độ hoạt động khác hệ truyền động qua bánh chế độ chạy tự có khe hở chế độ bánh ăn khớp, ta có hai mơ hình khác là: Nhìn kỹ cấu trúc hai mơ hình từ tính thực tế số c mơ hình đo tính biến dạng đàn hồi vật liệu 10 Chương NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 3.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ 3.1.1 Hệ Logic mờ 3.1.1.1 Khái niệm tập mờ 3.1.1.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ Cấu trúc chung điều khiển mờ gồm khối: Khối mờ hoá, khối hợp thành, khối luật mờ khối giải mờ (hình 3.2) Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển mờ * Luật hợp thành mờ Bộ thông số vào/ra mờ định nghĩa sở biến ngôn ngữ vào hàm liên thuộc coi neural (hệ thần kinh) Vì hệ logic mờ coi hệ làm việc có tư “bộ não dạng trí tuệ nhân tạo” Nếu khẳng định sử dụng hệ logic mờ điều khiển giải tốn mà hệ điều khiển kinh điển PID chưa giải chưa hẳn xác, hoạt động điều khiển mờ phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm hiểu biết đối tượng tổng kết kết theo tư người làm điều khiển, từ xác định tham số tối ưu cho điều khiển mờ Với đặc điểm nói điều khiển mờ có hai tính chất bản: 11 - Một hệ thống trí tuệ nhân tạo (điều khiển thông minh) - Một hệ thống điều khiển thiết kế mà không cần biết trước mơ hình đối tượng Bộ não hệ logic mờ luật hợp thành luật hợp thành tên chung gọi mơ hình R biểu diễn hay nhiều hàm thuộc cho hay nhiều mệnh đề hợp thành, nói cách khác luật hợp thành hiểu tập hợp nhiều mệnh đề hợp thành có chung dạng cấu trúc: Nếu A1 = Ak1 An = Akn Thì B1 = Bk1 Bm = Bkm với k = 1,2,… Một luật hợp thành có dạng: - Luật hợp thành đơn cho hai loại: cấu trúc SISO; cấu trúc MISO - Luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành Ta mơ tả dạng luật hợp thành hình 3.3 Hình 3.3: Luật hợp thành 12 1.1.1.3 Hình 3.7 Những nguyên lý giải mờ * Cấu trúc hệ logic mờ Giống điều khiển kinh điển, hệ logic mờ có nhiều tín hiệu vào nhiều tín hiệu Ta phân chia chúng thành nhóm + Nhóm SISO có đầu vào đầu + Nhóm MIMO có nhiều đầu vào nhiều đầu + Nhóm SIMO có đầu vào nhiều đầu + Nhóm MISO có nhiều đầu vào đầu HÖ Logic Mê R 1: nÕu  th×   xi Fuzzy hãa  R q: y B' Giải m i Hình 3.8 Cấu trúc hệ logic mờ 13 Do chất hệ thực luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển người) kinh nghiệm lại thể dạng ngơn ngữ có giá trị ngơn ngữ tập mờ nên hệ logic mờ phải có khâu hình 3.8: + Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị rõ đầu vào x0 thành vector  gồm độ phụ thuộc giá trị rõ theo giá trị mờ (tập mờ) định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào + Khâu thực luật hợp thành, có tên gọi thiết bị hợp thành, xử lý vector  cho giá trị mờ B' biến ngôn ngữ đầu + Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành giá trị rõ y' chấp nhận cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh) 3.1.2 Bộ điều khiển mờ [9] 3.1.2.1 Bộ điều khiển mờ động * Bộ điều khiển PD Bộ điều khiển mờ PD mô tả sơ đồ sau: Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD * Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển mờ PI mô tả sơ đồ sau: 14 Ta sử dụng mơ hình: Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 3.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi Hình 3.13: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 3.1.2.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc hình vẽ: Hình 3.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 3.2 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 3.2.1 Phương pháp thiết kế Bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa phương pháp biết phương pháp tổng hợp hệ thống Ziegler Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch … Bộ điều khiển 15 sở cho việc tổng hợp hệ chỉnh định mờ sau Khác với phương pháp dùng công tắc chọn điều khiển phù hợp hệ lai, thông số điều khiển mờ chỉnh định hiệu chỉnh trơn Một điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu u(t) có mơ hình toán học sau: t  de  t   u  t   K P  e  t    e  t  dt  TD  TI dt   Hoặc GPID  s   K P  đó: TI  KI  KD s s (3.14) (3.15) KP K TD  D KI KP Hình 3.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Hình 3.16: Bên điều chỉnh mờ 16 Các luật chỉnh định: * Luật chỉnh định Kp:  e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 B2 B1 B1 B1 B1 B1 B2 e B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B1 B1 B2 * Luật chỉnh định KD:  e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 e B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B1 B1 B2 B1 B1 B1 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 B2 B2 B1 * Luật chỉnh định :  e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 C1 C2 C3 C4 C3 C2 C1 C1 C2 C2 C3 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 C2 C1 C1 C1 C1 C1 C2 C1 C1 C1 C1 C1 C2 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 C3 C2 C2 C1 C1 C2 C3 C4 C3 C2 C1 3.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để nâng cao chất lượng điều khiển PID kinh điển 17 3.3 Khảo sát chất lượng điều khiển mờ chỉnh định PID so sánh với điều khiển PID 3.3.1 Khảo sát chất lượng điều khiển PID Sơ đồ mô hệ thống sử dụng điều khiển PID Thực mô cặp bánh thẳng ăn khớp với tỷ số truyền lý thuyết i12  ; r01  50 mm ; r02  100 mm ; góc ăn khớp hai bánh  L  30 ; moment quán tính J  0,01 kgm2 ; J  0,02 kgm2 hệ số đàn hồi c  10 N Bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp thực nghiệm: Kp = 80; KI = 150 Hình 3.20: Sơ đồ mơ hệ truyền động bánh điều khiển PID Trong khối sơ đồ sau: Hình 3.21: Khối động hệ bánh Gain2 1.4 Tin hieu di eu khien PID 14.6 1.4 0.2s+1.6 0.001s+1 Bo dieu khien dong Mo men can STT Gain1 s Integrator Gain Bo chinh l uu 0.5 0.002s+1 Phan hoi dong 0.176 Dong co Mc He so momen DC Hình 3.22: Khối động chiều Omega 18 Hình 3.23: Khối cặp bánh Kết mơ hệ thống sử dụng điều khiển PID - Trường hợp tốc độ đặt 500v/ph Dap ung toc he truyen dong banh rang 600 nd nthuc 500 n(v/ph) 400 300 200 100 0 0.5 1.5 t(s) 2.5 Hình 3.24: Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ không đổi 3.3.2 Khảo sát chất lượng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Sơ đồ mơ Hình 3.26: Sơ đồ mơ hệ truyền động bánh điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 19 Kết mô Dap ung toc he truyen dong banh rang 600 nd nthuc 500 n(v/ph) 400 300 200 100 0 0.5 1.5 t(s) 2.5 Hình 3.28: Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ không đổi 3.3.3 So sánh điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID với điều khiển PID Sơ đồ mơ Hình 3.30: Sơ đồ mô hệ truyền động bánh điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID 20 Kết mô Dap ung t oc he t ruyen dong banh rang 600 500 nd nPID nMo n(v/ph) 400 300 200 100 0 0.5 1.5 t(s) 2.5 Hình 3.31: Đáp ứng tốc độ hệ truyền động băng với tốc độ không đổi 3.3.3 Nhận xét Từ kết mơ hình 3.31 hình 3.32 cho thấy điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cải thiện số tiêu chất lượng so với điều khiển PID thời gian độ mức độ dao động tốc độ quay trục bánh Điều cho thấy với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho hệ truyền động có khe hở (hệ truyền động bánh răng) 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ - Đưa phương pháp thiết kế điều khiển chỉnh định tham số điều khiển PID để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển truyền động có khe hở (bánh răng) điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID 21 Chương KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG CĨ KHE HỞ 4.1 Giới thiệu card DS1104 sử dụng hệ thống thí nghiệm 4.2 Cấu trúc phần cứng DS1104 4.2.1 Cấu trúc tổng quan 4.2.2 Ghép nối với máy chủ (Host Interface) 4.2.3 Phần mềm dSPACE 4.2.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm Hình 4.7: Hệ thống thí nghiệm hệ truyền động bánh 22 4.2.6 Kết thí nghiệm với điều khiển PID Kết thí nghiệm - Trường hợp thay đổi tốc độ đặt động từ lên 500 v/ph sau tiếp tục tăng lên 800v/ph, ta được: 4.2.7 Kết thực nghiệm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Cấu trúc điều khiển xây dựng Matlab/simulink kết nối với phần mềm Control Desk Hình 4.13: Cấu trúc điều khiển với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID xây dựng Matlab/simulink 23 Kết thí nghiệm - Trường hợp thay đổi tốc độ đặt động từ lên 500 v/ph sau tiếp tục tăng lên 800v/ph: Hình 4.14: Kết mơ với điều khiển mờ chỉnh định PID (1) 4.2.8 Nhận xét kết thí nghiệm 4.3 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Giới thiệu Card điều khiển DS110 - Cấu trúc hệ thống thí nghiệm - Xây dựng hệ thống mơ Matlab/simulink có kết nối với phần mềm Control Desk hệ thống thí nghiệm - Tiến hành thí nghiệm lấy kết - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển hệ truyền động bánh điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID so với điều khiển PID 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển để điều khiển hệ thống truyền động có khe hở (cụ thể hệ truyền động bánh răng) Nhiệm vụ cụ thể Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ truyền động có khe hở Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 3: Nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Chương 4: Kết thí nghiệm hệ truyền động có khe hở Kết luận văn đạt là: - Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở - Thiết kế điều khiển cho hệ truyền điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống, kiểm chứng mô thí nghiệm Với kết cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển thiết kế để điều khiển hệ thống - Với kết thí nghiệm cho thấy chất lượng hệ thống nâng cao thể qua hệ thống chạy êm so với điều khiển PID Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất