Áp dụng điều khiển tối ưu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN CƢỜNG

ÁP DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG

GIẢM CHẤN TÍCH CỰC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Cƣờng

Sinh ngày 29 tháng 08 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp

Thái Nguyên.

Tôi xin cam đoan luận văn “Áp dụng điều khiển tối ƣu LQG cho hệ

thống giảm chấn tích cực” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hƣớng dẫn là công

trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất

xứ rõ ràng.

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung

trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội

dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Cƣờng

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận

tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Áp dụng điều

khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực ” đã đƣợc hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái

Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt

quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm

thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác

giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè

đồng nghiệp cho luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 07 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Văn Cƣờng

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài 1

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH CỰC 6

1.1 Giới thiệu chung về các hệ thống giảm chấn 6

1.1.1 Hệ thống giảm chấn 6

1.1.2 Phân loại hệ thống giảm chấn 8

1.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống giảm chấn tích cực điện từ 11

1.3 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 12

1.4 Các ứng dụng và xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 13

1.1.1 Các ứng dụng 13

1.1.2 Các xu hƣớng điều khiển hệ thống giảm chấn tích cực 14

1.5 Kết luận chƣơng 1 14

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIẢM CHẤN TÍCH

CỰC 15

2.1 Phƣơng trình động học hệ thống giảm chấn tích cực 15

2.2 Mô phỏng đáp ứng của hệ 17

2.3 Xây dựng hàm truyền đáp ứng tần số của hệ thống 22

2.4 Mô hình của động cơ tuyến tính dạng ống 25

2.5 Mô hình của cả hệ thống có kể động cơ tuyến tính 31

2.6 Kết luận chƣơng 2 33

CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU LQG CHO HỆ THỐNG GIẢM

CHẤN TÍCH CỰC 34

3.1 Đặt vấn đề 34

3.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG cho hệ thống giảm chấn tích cực 34

3.2.1 Đặt vấn đề 34

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ƣu LQG 36

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3.2.3 Mô phỏng hệ thống 38

3.3 Thiết kế bộ điều khiển lực và điều khiển dòng cho LBM 43

3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng cho LBM 43

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển lực 45

3.4 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47

3.4.1 Trƣờng hợp nhiễu d(t) có dạng xung vuông 47

3.4.2 Trƣờng hợp nhiễu d(t) có dạng ngẫu nhiên 51

3.4.3 So sánh khi có tác động điều khiển và không có tác động điều khiển 53

3.5 Kết luận chƣơng 3 54

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG GIẢM CHẤN

TÍCH CỰC 55

4.1 Giới thiệu mô hình giảm chấn cực 55

4.2 Các thông số hệ thống 57

4.3 Kết quả thực nghiệm 58

4.4 Kết luận chƣơng 4 61

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Mô hình của hệ thống giảm chấn điển hình 6

Hình 1-2 Minh họa sự dao động của hệ thống giảm chấn với tác dụng của d 8

Hình 1-3 Hệ thống giảm chấn thụ động 9

Hình 1-4 Hệ thống giảm chấn tích cực 9

Hình 1-5 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng thủy lực 10

Hình 1-6 Hệ thống giảm chấn chủ động bằng cơ cấu điện từ 10

Hình 1-7 Hệ thống giảm chấn bán chủ động 11

Hình 1-8 Hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng động cơ tuyến tính 13

Hình 1-10 Hệ thống cân bằng ghế trên các phương tiện vận tải 14

Hình 2-2 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực 15

Hình 2-3 Thư viện Simscape của Matlab/Simulink 17

Hình 2-4 Mô hình hệ thống giảm chấn tích cực thực hiện bằng Matlab/simulink

simscape 18

Hình 2-5 Bên trong mô hình hệ thống giảm chấn sử dụng simscape 19

Hình 2-6 Các tham số của hệ thống giảm chấn tích cực 19

Hình 2-7 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động dạng xung vuông 20

Hình 2-8 Đáp ứng của HT giảm chấn với tác động dao động có dạng bất kỳ 21

Hình 2-9 Các hàm truyền của hệ thống giảm chấn 23

Hình 2-10 Quan hệ giữa tần số và tỷ số

( ) / ( ) X s D s s

24

Hình 2-11 Quan hệ giữa tần số và tỷ số

( ) ( ) / ( ) X s D s D s us

24

Hình 2-12 Quan hệ giữa tần số và tỷ số

( ) ( ) / ( ) X s D s D s s

24

Hình 2-13 Minh họa mặt cắt của LBM, lực được tạo từ rotor dịch chuyển theo

phương z 26

Hình 2-14 Mô hình LBM thực hiện bằng Matlab/Simulink 29

Hình 2-15 Các tham số vật lý của động cơ LBM 30

Hình 2-16 Các đáp ứng dòng và áp của động cơ LBM 30

Hình 2-17 Các đáp ứng về K/C dịch chuyển của rotor, lực và giá trị của LBM 31

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 2-18 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM 32

Hình 2-19 Mô hình của cả hệ thống giảm chấn tích cực sử dụng LBM thực hiện

trên Matlab/Simulink 32

Hình 3-1 Cấu trúc điều khiển của hệ thống giảm chấn tích cực 34

Hình 3-3 Cấu trúc điều khiển của hệ thống 36

Hình 3-4 Sơ đồ mô phỏng BĐK dập tắt dao động dùng bộ điều khiển tối ưu LQG 39

Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu

40

Hình 3-6 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao

41

Hình 3-7 Kết quả mô phỏng khả năng dập tắt dao động của bộ điều khiển tối ưu

41

Hình 3-8 Lực Fs được tạo ra bởi bộ điều khiển tối ưu LQG dùng để dập tắt dao

động trong trường hợp nhiễu bất kỳ có kỳ vọng khác 0 43

Hình 3-10 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển dòng cho LBM 44

Hình 3-11 Xác định tham số của bộ điều khiển dòng cho LBM sử dụng công cụ

Step Response Specification 44

Hình 3-12 Kết quả điều khiển dòng điện id và iq với dòng điện idref = 0.5A, dòng

điện iqref=1.2A. 45

Hình 3-13 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển lực 46

Hình 3-14 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển lực, so sánh giữa lực đặt và lực tạo

ra bởi LBM 46

Hình 3-15 Sơ đồ mô phỏng tổng thể của cả hệ thống 47

Hình 3-16 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động

nhiễu có dạng xung vuông 48

Hình 3-17 Các trạng thái của LBM với nhiễu dạng xung vuông 49

Hình 3-18 Lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi LBM 50

Hình 3-19 Sai số giữa lực đặt do bộ điều khiển LQG đưa ra và lực được tạo ra bởi

LBM 50

Hình 3-20 Các trạng thái của hệ thống giảm chấn khi được điều khiển với tác động

nhiễu có dạng bất kỳ 51