Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền khớp nối mềm
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
®¹i häc
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI
TRẠNG THÁI DÙNG BỘ LỌC KALMAN CHO
HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHỚP NỐI MỀM.
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 605260
Ngƣời thực hiện : NGÔ VIẾT SONG
Cán bộ HD khoa học : TS. BÙI CHÍNH MINH
THÁI NGUYÊN-NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI
DÙNG BỘ LỌC KALMAN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG
KHỚP NỐI MỀM
Học viên : Ngô Viết Song
Lớp : Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH : TS. Bùi Chính Minh
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Bùi Chính Minh
HỌC VIÊN
Ngô Viết Song
BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC
< 1 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tổng hợp của cá nhân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Chính Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được
liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào.
Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Người cam đoan
Ngô Viết Song
< 2 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỤC LỤC
Lời cam đoan.
Danh mục đồ thị, hình vẽ.
Mở đầu.
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ truyền động khớp nối mềm.
1.1. Giới thiệu................................................................................................ 12
1.2. Khớp nối và khớp nối mềm trong truyền động..................................... 13
1.2.1. Khớp nối ................................................................................... 13
1.2.2. Khớp nối mềm. ......................................................................... 14
1.2.3. Phân loại khớp nối ................................................................... 16
1.2.4. Độ cứng của chi tiết trục ........................................................... 17
1.2.5. Độ cứng của khớp truyền động bánh răng................................ 17
1.2.6. Độ cứng của truyền động đai da và bánh xích.......................... 18
1.2.7. Độ cứng thu gọn của cơ cấu truyền nhiều khớp nối ................ 19
1.3. Hiện tượng cộng hưởng cơ học trong truyền động có khớp nối mềm.. 20
1.4 . Các giải pháp khắc phục hiện tượng cộng hưởng cơ học ..................... 24
1.4.1. Các giải pháp cơ học ............................................................... 24
1.4.2. Các giải pháp điều khiển......................................................... 26
1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................... 26
Chƣơng 2: Các giải pháp điều khiển khắc phục hiện tƣợng cộng hƣởng trong
hệ truyền động khớp nối mềm
2.1. Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp mềm ...................................... 27
2.1.1 Mô tả toán học hệ truyền động nối khớp mềm .......................... 27
2.1.2 Xây dựng phương trình trạng thái của hệ điều khiển khớp nối
mềm..................................................................................................... 29
2.1.3 Ảnh hưởng của Ks đến cộng hưởng cơ học............................... 31
2.1.4 Ảnh hưởng của bs đến cộng hưởng cơ học. ............................... 33
2.1.5 Ảnh hưởng của tỷ số giữa mô men quán tính tải và quán tính
động cơ: JL/JM ................................................................................... 34
< 3 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động nối khớp mềm................................. 35
2.3. Các giải pháp về mặt điều khiển khắc phục hiện tượng cộng hưởng .... 36
2.3.1. Bộ điều khiển PI........................................................................ 36
2.3.2. Lọc thông thấp .......................................................................... 37
2.3.3. Lọc dải hẹp (notch)................................................................... 38
2.3.4. Lọc trùng phương (bi-quad)...................................................... 40
2.3.5. Hệ phản hồi mô men xoắn ...................................................... 41
2.3.6. Phương pháp dùng các bộ điều khiển biến thể của PID .......... 45
2.3.7. Phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát
trạng thái ............................................................................................ 49
2.4 Kết luận chương 2................................................................................... 54
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho
hệ truyền động khớp nối mềm.
3.1 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR (Linear Quadratic
Regulator - Bộ điều khiển bình phương tuyến tính)..................................... 55
3.1.1. Hệ thống điều khiển tối ưu...................................................... 56
3.1.2. Xây dựng phương trình Riccati. .............................................. 57
3.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái Kalman .................................................. 60
3.2.1. Bộ quan sát trạng thái.............................................................. 60
3.2.2. Bộ lọc kalman. ......................................................................... 62
3.2.3 Thiết kế bộ quan sát trạng thái Kalman cho hệ truyền
động khớp nối mềm ................................................................... 66
3.3 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái bằng phương pháp tối ưu hàm
mục tiêu dùng bộ lọc Kalman (LQG- Linear Quadratic Gaussian) điều khiển
khớp mềm
3.3.1 Giải thuật thiết kế LQG.............................................................. 69
3.3.2 Thiết kế bộ điều chỉnh phản hồi trạng thái LQR sử dụng bộ ước
lượng trạng thái Kalman điều khiển khớp mềm ................................. 70
3.3.3Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đã thiết kế.......................... 75
< 4 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.4. Kết luận chương ................................................................................. 86
Chƣơng 4: Thiết kế hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động khớp nối
mềm PP400.
4.1 Thiết bị thí nghiệm PP400 ...................................................................... 88
4.2 Card NI6014........................................................................................... 91
4.3 Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển ................................................... 95
4.3.1 Thiết kế mạch lực. ........................................................................ 95
4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển...............................................................98
4.4 Sơ đồ tổng thể của thiết bị thí nghiệm .................................................. 100
4.5 Các sơ đồ Simulink của hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động
khớp nối mềm PP400. .................................................................................. 101
4.5.1 Dùng PI để điều khiển hệ truyền động khớp nối mềm .............. 101
4.5.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ lọc Kalman điều khiển
hệ truyền động khớp nối mềm. ................................................................... 102
4.6 Kết luận chương 4. ................................................................................ 102
Kết luận và kiến nghị. ........................................................................................... 105
Phụ lục.......................................................................................................................
Tài liệu tham khảo. ..................................................................................................
< 5 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.
Nội dung Trang
Chƣơng 1
Hình 1.1. Khớp nối 13
Hình 1.2. Mô tả khớp mềm 14
Hình 1.3. Các sai lệch của khớp nối 14
Hình 1.4. Chi tiết trục. 17
Hình 1.5. Truyền động bánh răng 17
Hình1.6. Truyền động đai, xích 18
Hình 1.7. Cơ cấu truyền động thu về trục động cơ. 19
Hình 1.7a. Sơ đồ thay thế khớp nối mềm 21
Hình1.7b. Mô hình thay thế hệ khớp nối mềm 21
Hình 1.8. Mô hình toán học của khớp mềm 22
Hình 1.9. Đặc tính biên-pha hệ đối tượng khớp mềm 23
Chƣơng 2
Hình 2.1. Mô hình khớp mềm hệ thống 2 khối 27
Hình 2.2. Mô hình toán học của khớp mềm 28
Hình 2.3. Mô tả toán học đối tượng khớp mềm 30
Hình 2.4. Đặc tính biên- pha khi Ks
thay đổi 32
Hình 2.5. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi Ks 32
Hình 2.6. Ảnh hưởng của bs đến hiện tượng cộng hưởng cơ học. 33
Hình 2.7. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi hệ số cản bs 34
Hình 2.8. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi tỷ lệ k=JL/JM. 34
Hình 2.9. Cấu trúc điều khiển thông thường cho khớp mềm. 35
Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển khớp mềm dùng bộ điều khiển PI thông
thường 36
< 6 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nội dung Trang
Hình 2.11. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ PI thông
thường 37
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển khớp mềm dùng bộ lọc 38
Hình 2.13. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải dùng bộ lọc thông
thấp(g=1000, Kp=0,0786; KI=0,6) 38
Hình 2.14. Đáp ứng quá độ khi dùng bộ lọc dải hẹp
(notch)(
83rad /s N
R
, 0,3
)
39
Hình 2.15. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ lọc bi-quard
(Kp=0,0393, i=0,6) 40
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ quan sát mô men xoắn 41
Hình 2.17. Sơ đồ hệ điều khiển phản hồi mô men xoắn ước lượng 42
Hình 2.18. Điều khiển tốc độ khớp mềm sử dụng bộ quan sát mômen
xoắn Ts kết hợp với bộ lọc thông cao 43
Hình 2.19. Đáp ứng quá độ tốc độ tải và động cơ khi sử dụng bộ điều
khiển P kết hợp với phản hồi mô men xoắn. 43
Hình 2.20. Hệ điều khiển phản hồi vi phân mô men xoắn. 44
Hình 2.21. Đáp ứng tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển phản hồi
đạo hàm mô men xoắn.
45
Hình 2.22. Bộ điều khiển I_P. 45
Hình 2.23. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_P. 46
Hình 2.24. Đáp ứng tốc độ động cơ và tải sử dụng bộ điều khiển I_P. 47
Hình 1.25. Bộ điều khiển I_PD. 47
Hình 2.26. Sơ đồ điều khiển khớp mềm bằng bộ điều khiển I_PD. 48
Hình 2.27. Đáp ứng quá độ tốc độ động cơ và tải khi dùng bộ điều khiển
I_PD.
49
Hình 2.28. Nguyên lý bộ lọc Lueberger ước lượng trạng thái
50
< 7 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nội dung Trang
Hình 2.29. Hệ thống điều khiển khớp mềm dùng bộ quan sát trạng thái
Luenberger. 51
Hình 2.30. Sơ đồ bộ quan sát Luenberger cho hệ thống khớp mềm. 51
Hình 2.31. Đặc tính tốc độ động cơ và tải hệ thống khớp mềm dùng bộ
điều chỉnh phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát Luengberger.
52
Hình 2.32. Sơ đồ hệ hệ truyền động khớp nối mềm dùng bộ quan sát
Kalman.
53
Chƣơng 3
Hình 3.1. Nguyên lý thiết kế bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái. 57
Hình 3.2. Kết quả thiết kế bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái theo tiêu
chuẩn tối ưu hàm mục tiêu tuyến tính bình phương(LQ). 59
Hình 3.3. Bộ quan sát trong hệ thống điều khiển hồi tiếp trạng thái 61
Hình 3.4. Bộ quan sát trạng thái. 61
Hình 3.5. Mô hình bộ quan sát Kalman. 63
Hình 3.6. Mô tả toán học đối tượng khớp mềm. 66
Hình 3.7. Sơ đồ bộ quan sát trạng thái Kalman. 67
Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng bộ lọc Kalman. 68
Hình 3.9. Thiết kế bộ điều khiển LQG. 69
Hình 3.10. Bộ điều khiển LQG 71
Hình 3.11. Hệ điều khiển LQG để điều khiển hệ truyền động khớp nối
mềm.
72
Hình 3.12. Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ thống điều khiển LQG cho hệ
truyền động khớp nối mềm.
76
Hình 3.13. Sơ đồ Simulink hệ truyền động khớp nối mềm. 76
Hình 3.14. Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ lọc Kalman ước lượng trạng thái 77
Hình 3.15. Đặc tính tốc độ động cơ thực và tốc độ động cơ quan sát.
78
< 8 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nội dung Trang
Hình 3.16. Đặc tính tốc độ tải thực và tốc độ tải quan sát. 78
Hình 3.17. Đặc tính mô men xoắn thực và mô men xoắn quan sát. 79
Hình 3.18. Đặc tính mô men tải thực và mô men tải quan sát. 80
Hình 3.19. Đáp ứng tốc độ tải và tốc độ động cơ hệ điều khiển phản hồi
trạng thái dùng bộ lọc Kalman theo tiêu chuẩn tối ưu hàm mục tiêu.
80
Hình 3.20. Sơ đồ hệ thống mô phỏng khớp mềm dùng bộ điều khiển PI 81
Hình 3.21. Đáp ứng tốc độ tải và tốc độ động cơ hệ điều chỉnh PI thông
thường Kp=0.0786; Ki=0.6; 82
Hình 3.22a. Bộ điều khiển PI thường. 83
Hình 3.22b. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQG. 83
Hình 3.23a. Bộ điều khiển PI thường. 83
Hình 3.23b. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQG. 83
Hình 3.24a. (=0,1; =1.35; =750; =1) 84
Hình 3.24b. (=0,55; =1.35; =750 ; =1) 84
Hình 3.25a với (=0,55; =0.65; =750 ; =1) 85
Hình 3.25b với (=0,55; =1.35; =750 ; =1) 85
Hình 3.26a với (=0,55; =1.35; =300 ; =1) 86
Hình 3.26b với =0,55; =1.35; =750 ; =1) 86
Chƣơng 4.
Hình 4.1. Hệ truyền động PP400 89
Hình 4.2. Sơ đồ khối các phần tử trong Card NI6014 92
Hình 4.3. Dạng của một counter 94
Hình 4.4. Sơ đồ mạch cầu băm xung áp một chiều 95
Hình 4.5. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung đối xứng 96
Hình 4.6. Đồ thị điện áp ra động cơ phương pháp băm xung không đối
xứng (T4 luôn mở và T3 luôn khoá) 96
< 9 >
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nội dung Trang
Hình 4.7. Sơ đồ một cầu van của vi mạch L298 97
Hình 4.8. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển đóng mở các van bán dẫn 98
Hình 4.9. Mạch logic tạo xung đóng mở van 99
Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thí nghiệm thực trên mô hình truyền động
truyền động khớp nối mềm PP400.
100
Hình 4.11. Sơ đồ Simulink bộ điều chỉnh PI điều khiển hệ truyền động
khớp nối mềm.
101
Hình 4.12. Sơ đồ Simulink hệ thí nghiệm thực bộ điều khiển phản hồi
trạng thái dùng bộ lọc Kalman cho hệ truyền động khớp nối mềm.
102