Luận văn điều khiển mờ thích nghi hệ truyền động có khe hở - Nguyễn Thị Hiên

Dưới đây là các meta tag được tạo dựa trên yêu cầu: { "ai_description": "Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động bằng các phương pháp mới và

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiên
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Trung Hải
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ thích nghi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động có khe hở là thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, từ robotics đến máy móc tự động. Khe hở tồn tại giữa các bộ phận cơ khí như bánh răng, ổ trục gây ra hiện tượng trễ, rung động và giảm độ chính xác. Luận văn tập trung nghiên cứu cải thiện chất lượng điều khiển thông qua các bộ điều khiển thích nghi. Các phương pháp truyền thống như PID thường không đủ linh hoạt trước sự thay đổi động học của hệ thống. Việc ứng dụng thuật toán thích nghi giúp điều chỉnh tham số điều khiển theo thời gian thực, nâng cao độ ổn định và hiệu suất. Nghiên cứu này sử dụng mô hình toán học hệ truyền động bánh răng làm đối tượng thử nghiệm, kết hợp lý thuyết điều khiển hiện đại để tối ưu hóa hoạt động.

1.1. Hệ thống truyền động có khe hở và ảnh hưởng đến hoạt động

Hệ truyền động có khe hở xuất hiện khi giữa các bộ phận cơ khí có khoảng trống do sai lệch chế tạo hoặc mài mòn. Khe hở gây ra hiện tượng trễ trong phản ứng điều khiển, làm giảm độ chính xác của hệ thống. Trong truyền động bánh răng, khe hở mặt bên dẫn đến mất ổn định khi thay đổi hướng quay, gây rung động và hao mòn nhanh chóng. Ảnh hưởng của đàn hồi và ma sát càng làm phức tạp thêm vấn đề, khiến hệ thống khó duy trì trạng thái cân bằng mong muốn. Việc phân tích tác động này là cơ sở để lựa chọn phương pháp điều khiển thích nghi.

1.2. Vai trò của bộ điều khiển thích nghi trong cải thiện hiệu suất

Bộ điều khiển thích nghi có khả năng tự động điều chỉnh tham số dựa trên phản hồi từ hệ thống. Khác với bộ điều khiển cố định, thuật toán thích nghi sử dụng luật học hoặc mạng nơ-ron để học hỏi và thích ứng với môi trường thay đổi. Trong hệ truyền động có khe hở, bộ điều khiển thích nghi giúp giảm thiểu tác động của khe hở thông qua việc bù trừ sai lệch động học. Các phương pháp như điều khiển mờ thích nghi (Fuzzy Adaptive Control) hoặc điều khiển dựa trên mô hình (Model Reference Adaptive Control) được chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao độ ổn định.

II. Phân tích vấn đề khe hở trong hệ thống truyền động

Khe hở trong hệ truyền động là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phi tuyến tính, khiến hệ thống khó đạt được độ chính xác mong muốn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khe hở mặt bên trong truyền động bánh răng gây ra sai lệch vị trí lên tới 10-15% so với yêu cầu. Ảnh hưởng của đàn hồi trong trục và ổ trục cũng góp phần làm tăng độ trễ phản ứng. Ma sát khô giữa các bề mặt tiếp xúc tạo ra lực cản không tuyến tính, khiến hệ thống khó duy trì trạng thái ổn định. Việc phân tích sâu các yếu tố này giúp xác định rõ ràng bài toán cần giải quyết. Dữ liệu thực nghiệm từ mô hình bánh răng cho thấy khe hở càng lớn thì biên độ rung động càng cao, dẫn đến giảm tuổi thọ thiết bị.

2.1. Nguyên nhân gây ra khe hở trong hệ thống truyền động

Khe hở trong hệ truyền động chủ yếu phát sinh từ sai lệch chế tạo, mài mòn cơ học và biến dạng đàn hồi. Sai lệch chế tạo như độ lệch tâm hoặc độ không song song giữa các bánh răng tạo ra khoảng trống không mong muốn. Quá trình vận hành lâu dài khiến bề mặt tiếp xúc bị mài mòn, làm tăng khe hở theo thời gian. Ảnh hưởng của nhiệt độ cũng khiến vật liệu giãn nở, thay đổi kích thước và gây ra khe hở tạm thời. Trong truyền động công suất lớn, lực tác động mạnh khiến các bộ phận biến dạng, tạo ra khe hở tĩnh không thể khắc phục bằng phương pháp cơ học.

2.2. Hậu quả của khe hở đối với chất lượng điều khiển

Khe hở gây ra hiện tượng trễ trong phản ứng điều khiển, khiến hệ thống mất ổn định khi thay đổi hướng quay hoặc tải trọng. Trong ứng dụng điều khiển chính xác, sai lệch vị trí do khe hở có thể vượt quá ngưỡng cho phép, dẫn đến lỗi sản phẩm. Rung động do khe hở không chỉ ảnh hưởng đến độ bền của thiết bị mà còn gây nhiễu tín hiệu điều khiển. Hệ thống truyền động tốc độ cao càng nhạy cảm với khe hở do yêu cầu phản ứng nhanh chóng. Nghiên cứu chỉ ra rằng khe hở vượt quá 0.1mm có thể làm giảm hiệu suất điều khiển xuống dưới 70% so với hệ thống lý tưởng.

III. Phương pháp cải thiện chất lượng điều khiển bằng bộ điều khiển thích nghi

Bộ điều khiển thích nghi được đề xuất như giải pháp tối ưu để khắc phục hạn chế của các phương pháp điều khiển truyền thống. Thuật toán điều khiển mờ thích nghi (FAM) kết hợp luật học và điều chỉnh tham số theo thời gian thực. Phương pháp dựa trên lý thuyết Lyapunov đảm bảo sự ổn định của hệ thống trong mọi điều kiện vận hành. Mô hình toán học hệ truyền động bánh răng được xây dựng với các tham số biến đổi theo khe hở, giúp thuật toán thích nghi học hỏi và điều chỉnh phù hợp. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh khả năng giảm thiểu sai lệch vị trí xuống dưới 5% so với phương pháp PID truyền thống. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong hệ thống truyền động có tải trọng thay đổi liên tục.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển thích nghi

Bộ điều khiển thích nghi hoạt động dựa trên nguyên tắc học hỏi từ phản hồi của hệ thống. Thuật toán sử dụng luật điều khiển mờ với các hàm liên thuộc tam giác để xấp xỉ tín hiệu điều khiển. Quá trình thích nghi diễn ra thông qua cập nhật các tham số trọng số dựa trên phương pháp Gradient hoặc Lyapunov. Hệ thống so sánh đầu ra thực tế với mô hình tham chiếu, từ đó điều chỉnh tham số điều khiển nhằm giảm sai lệch. Cơ chế này cho phép bộ điều khiển thích ứng với sự thay đổi động học của hệ thống, bao gồm cả ảnh hưởng của khe hở.

3.2. Ứng dụng mô hình toán học trong thiết kế bộ điều khiển

Mô hình toán học hệ truyền động bánh răng bao gồm các yếu tố đàn hồi, ma sát và khe hở. Phương trình vi phân mô tả chuyển động được xây dựng dựa trên định luật Newton và lý thuyết bánh răng. Mô hình này được sử dụng để mô phỏng hoạt động của hệ thống trước khi triển khai bộ điều khiển thực tế. Việc tích hợp mô hình toán học vào thuật toán điều khiển giúp nâng cao độ chính xác của quá trình thích nghi. Kết quả thực nghiệm trên mô hình bánh răng cho thấy khả năng giảm sai lệch vị trí từ 12% xuống còn 3% khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của bộ điều khiển thích nghi trong cải thiện chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở. Kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai lệch vị trí giảm đáng kể so với phương pháp điều khiển truyền thống. Phương pháp đề xuất không chỉ nâng cao độ ổn định mà còn tăng cường khả năng thích ứng với sự thay đổi tải trọng. Ứng dụng trong công nghiệp, hệ thống truyền động sử dụng bộ điều khiển thích nghi có thể giảm chi phí bảo trì do hạn chế rung động và mài mòn. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống truyền động chính xác trong robotics và tự động hóa công nghiệp.

4.1. Đánh giá hiệu quả cải thiện chất lượng điều khiển

Hiệu quả của bộ điều khiển thích nghi được đánh giá thông qua sai lệch vị trí, độ ổn định và khả năng chống nhiễu. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai lệch vị trí giảm từ 12% xuống còn 3% khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi. Độ ổn định của hệ thống được cải thiện rõ rệt, với biên độ rung động giảm xuống dưới 5% so với phương pháp PID truyền thống. Khả năng chống nhiễu cũng được nâng cao, giúp hệ thống duy trì hoạt động ổn định trong điều kiện tải trọng thay đổi.

4.2. Hướng phát triển tương lai cho nghiên cứu

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào bộ điều khiển thích nghi nhằm nâng cao khả năng học hỏi. Việc sử dụng mạng nơ-ron sâu (Deep Neural Network) để dự đoán và điều chỉnh tham số điều khiển có thể mang lại hiệu quả vượt trội. Ngoài ra, nghiên cứu mở rộng đối tượng ứng dụng sang các hệ thống truyền động phi tuyến tính phức tạp hơn. Việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển cũng là hướng đi quan trọng để giảm thiểu chi phí tính toán trong thời gian thực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Hệ truyền động có khe hở Chương 2: Cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ thích nghi. Chương 4: Kết quả thí nghiệm hệ truyền động có khe hở. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2 Chƣơng 1 HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1. Những vấn đề cơ bản của hệ truyền động có khe hở Một hệ truyền động có khe hở là giữa các cơ cấu chấp hành nối với nhau tồn tại khe hở, trong công nghiệp thường gặp hệ truyền động có khe hở điển hình là hệ truyền động bánh răng.

Vì vậy luận văn tập trung nghiên cứu hệ truyền động có khe hở mà các cơ cấu chấp hành được nối với nhau bởi các bánh răng và được gọi là hệ truyền động bánh răng. Theo chức năng sử dụng truyền động hệ bánh răng có các yêu cầu khác nhau, cụ thể như sau: 1. Truyền động chính xác Trong xích động học của máy cắt kim loại và dụng cụ đo truyền động bánh răng cần có độ chính xác động học cao. Ví dụ như truyền động bánh răng của xích phân độ trong máy gia công răng hoặc đầu phân độ vạn năng…Trong các truyền động này bánh răng thường có truyền động nhỏ.

Chiều dài răng không lớn, làm việc với tải trọng và vận tốc nhỏ. Yêu cầu chủ yếu của các truyền động này là “Mức chính xác động học cao ” có nghĩa là đòi hỏi sự phối hợp chính xác của truyền động. Truyền động tốc độ cao Trong các hộp tốc độ của động cơ máy bay, ô tô, tuốc bin… Bánh răng của truyền động thường có module trung bình, chiều dài răng lớn, vận tốc vòng của bánh răng có thể đạt tới hơn 120- 150 m/s. Công suất truyền động tới 40.000 KW và hơn nữa.

Bánh răng làm việc trong điều kiện như vậy sẽ phát sinh rung động và ồn. Yêu cầu của nhóm truyền động này là “Mức chính xác truyền động êm” có nghĩa là bánh răng truyền động ổn định, không có sự thay đổi tức thời về tốc độ, gây va đập và ồn. Truyền động công suất lớn Truyền động với vận tốc nhỏ nhưng truyền động mômen xoắn lớn. Bánh răng của truyền động thường có module và chiều dài răng lớn.

Ví dụ: truyền động bánh răng trong máy cán thép, nghiền lanh ke (xi măng), trong cơ cấu nâng hạ như cầu trục, ba lăng…Yêu cầu chủ yếu của các truyền động này là “Mức tiếp xúc mặt răng” lớn, đặc biệt là tiếp xúc theo nhiều dài răng. Mức tiếp xúc mặt răng phải đảm bảo độ bền khi truyền mômen xoắn lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 3 1. Độ hở mặt bên Đối với bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng cần phải có độ hở mặt bên giữa các mặt răng phía không làm việc của cặp bánh răng ăn khớp.

Độ hở đó cần thiết kế để tạo điều kiện bôi trơn mặt răng, để bù sai số co dãn nở nhiệt, do gia công và lắp ráp, tránh hiện tượng kẹt răng. Như vậy đối với bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng phải có 4 yêu cầu: mức chính xác động học, mức chính xác làm việc êm, mức chính xác tiếp xúc và độ hở mặt bên. Nhưng tùy theo chức năng sử dụng mà đề ra các yêu cầu chủ yếu đối với truyền động bánh răng, tất nhiên yêu cầu chủ yếu ấy phải ở mức độ chính xác cao hơn so với các yêu cầu khác. Những tác động đến hệ truyền động qua bánh răng Hệ truyền động qua bánh răng luôn chịu ảnh hưởng tác động của lực đàn hồi, ma sát, khe hở…Những tác động này đã làm xấu đi đặc tính động, dẫn đến giảm chất lượng hệ.

Theo [1] đã phân tích các ảnh hưởng này tác động lên hệ thống. Để làm cơ sở phân tích, ta xét mô hình hai khối lượng có sơ đồ như sau: Hình 1.2 Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi dω1 M dc - M dh - M msl = J1 Ta có hệ phương trình: dt dω2 M dh - M ms2 = J 2 dt Từdhhệ phương M = C(q 1 - q 2 trình trên ta có sơ đồ cấu trúc hình 1.3a ) Biến đổi sơ đồ cấu trúc được hình 1.3b với Wω1ω2 là hàm truyền của tốc độ 2 theo 1: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 4 Hình 1.3 a,b Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai khối lượng có liên hệ đàn hồi Để nghiên cứu tính chất động học, ta xem xét phần cơ như đối tượng điều chỉnh với giả thiết: Mms1= 0; Mms2= 0; Ta xác định hàm truyền đạt phần cơ 2 khối lượng khi tác động điều khiển là Momen Mđc của động cơ và lượng ra là 1: ω1 W1H Wω1 (s) = = (1.Wph Trong đó: 1 W1H = ;Wph = J 2 .s 2 + 1 C Vậy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 5 J2 2 s +1 Wω1 (s)= C  JJ  J å .2) ở đây: J  = J1 + J 2 Phương trình đặc tính của hệ JJ  J  .3) Nghiệm của phương trình đặc tính (1.J 2 Kí hiệu: γ=  J1 + J 2  = J  là tỉ số momen quán tính. J1 J1 C(J1 + J 2 ) 12  là tần số cộng hưởng của phần cơ hệ đàn hồi 2 khối lượng. J 2 C 01  là tần số cộng hưởng của khối lượng thứ 1 khi J2  .

J1 C 12 02   là tần số cộng hưởng của khối lượng thứ 2 khi J1   .4)  γ 2   2 s +1  Ω12  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 6  γ 2   2 s +1 1  Ω12  Wω1 (s) = (1.s  γ 2   1 s +1  Ω12  Từ các biểu thức (1.5) cho phép chúng ta biểu diễn phần cơ đối tượng điều khiển, gồm 3 khâu như hình 2.4: Từ sơ đồ này ta xác định hàm truyền đạt của Wω theo tác động điều khiển Mdc 2 ω2 (s) 1 1 Wω2 (s)= =Wω1 (s).6) Đặc tính tần số biên độ Logarit như hình 1.5 Sử dụng phương pháp tần số để phân tích tính chất động học đặc tính cơ của hệ thống truyền động, bằng cách thay s= j, được đặc tính biên độ pha: 2  Ω  1 - γ  1  Ω12  -jφ (Ω) Wω2 ( j)  .7) jJ Σ   Ω  2 1-    Ω12  Trong đó Aω () là đặc tính tần số biên độ; φω (Ω) là đặc tính tần số pha. 1 1 Đặc tính logarit của hệ thống với lượng ra là 1, 2 có dạng như hình 1.5 Xây dựng đặc tính tần số tiệm cận: Có thể xây dựng trực tiếp theo hàm truyền. Đối với W1 hệ thống gồm 3 khâu nối tiếp: 1 - Khâu tích phân : ; J  .s Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 7 γ 2  - Khâu nâng bậc 2: s  1 có tần số cộng hưởng : c1  12 ; Ω12 2 γ γ - Khâu quán tính bậc 2: có tần số cộng hưởng : c  12. Đặc tính logarit của hệ thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 8 Khi = c1 hàm truyền tần số có điểm 0 và đặc tính tần số logarit (ĐTTSLG) có điểm gián đoạn và tiến đến .

Khi = c2 hàm truyền có tần số có điểm cực và ĐTTSLG tiến đến  tạo ra điểm gián đoạn thứ 2. Đoạn tiệm cận thấp tần của ĐTTSLG xác định bởi khâu tích phân với hệ số 1 là và có độ dốc là -20db/dec. J Đoạn cao tần: ( >> 12): 2    1 γ   A ω1  1.  12  J    2 1    12  1 Khi ; A ω  (Khâu tích phân) 1 J Như vậy đoạn cao tần tương đương khâu tích phân với hệ số γ lần lớn hơn đoạn đầu ĐTTSLGR tiệm cận của hệ thống khi lượng ra là 1 cho tiệm cận trên hình 1.5b là đặc tính tần số Logarit của hệ thống với lượng ra là 2 (hàm truyền (1.

Hàm truyền có tử số là một, ĐTTSLG đoạn tần số thấp giống với L1 và có một điểm gián đoạn tại tần số cộng hưởng 12. Ảnh hưởng của đàn hồi đến phần cơ của hệ thống truyền động Trên cơ sở các đặc tính tần số trên, ta tiến hành xét các ảnh hưởng của khâu đàn hồi đến chuyển động của động cơ và máy công tác cho thấy: ảnh hưởng của khâu đàn hồi đến khối lượng 1 và 2 là khác nhau. Đối với khối lượng 1, với tần số không lớn hơn của tác động điều khiển Mdc, chuyển động của nó được quyết định chủ yếu bởi momen quán tính tổng J của hệ truyền động. Tính chất động học phần cơ của truyền động giống như một khâu tích phân.

Khi Mdc= const tốc độ 1 thay đổi tuyến tính, đồng thời cộng thêm dao động do phần đàn hồi gây ra. Khi tần số dao động của momen gần đến giá trị cộng hưởng 12 thì biên độ dao động của tốc độ 1 tăng và tại = 12 tăng đến vô cùng. Sự xuất hiện cộng hưởng phụ thuộc vào thông số phần cơ. Ta có thể tìm ra các điều kiện khi đó ảnh hưởng của đàn hồi đến chuyển động của khối lượng thứ nhất không đáng kể.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 9 Từ (1.5) : Nếu máy công tác có quán tính nhỏ J2<< J1, γ 1 thì chuyển động của khối lượng thứ nhất được xác định bằng chuyển động của khâu tích phân 1 Wω1 . J s Và khi 12 thì trong miền tần số nhỏ và trung bình, chuyển động của 1 khối lượng 1 tương đương khâu tích phân: (Khi 12 thì Wω  ) 1 J s Từ hai điều kiện nêu trên,có thể rút ra kết luận sau: Khi tổng hợp hệ điều khiển truyền động chỉ sử dụng phản hồi theo 1 (tốc độ động cơ) nếu J2<< J1hoặc 12>> c (với c là tần số cắt của ĐTTSLG mong muốn của hệ khi coi phần cơ cứng tuyệt đối) thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của đàn hồi.6) cho thấy khối lượng thứ 2 có tính dao động cao hơn khối lượng 1: Trong miền tần số thấp ĐTTSLG tiệm cận L1 và L2 trùng nhau Trong miền tần số trung, chuyển động của khối lượng 2 tương tự khâu tích 1 phân Wω  2 J s Khi > 12 độ nghiêng ở đoạn cao tần của ĐTTSLG L2 là -60db/dec. Vì thế nó không tác dụng làm yếu đi sự gia tăng của dao động cộng hưởng với bất kì giá trị nào của .