Luận văn thạc sĩ về cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở

Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển thích nghi giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong ứng dụng công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiên
• Người hướng dẫn: TS: Đỗ Trung Hải
• Trường học: Đại học 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 thích nghi
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. Mục tiêu của luận văn
• 2. Nội dung của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
• 1.1. Những vấn đề cơ bản của hệ truyền động có khe hở
• 1.1.1. Truyền động chính xác
• 1.1.2. Truyền động tốc độ cao
• 1.1.3. Truyền động công suất lớn
• 1.1.4. Độ hở mặt bên
• 1.1.5. Những tác động đến hệ truyền động qua bánh răng
• 1.1.5.1. Ảnh hưởng của đàn hồi đến phần cơ của hệ thống truyền động
• 1.1.5.2. Ảnh hưởng của ma sát trong hệ thống truyền động
• 1.1.5.3. Ảnh hưởng của khe hở trong hệ thống truyền động
• 1.1.6. Những đặc trưng ăn khớp của cặp bánh răng
• 1.1.6.1. Điều kiện ăn khớp đúng
• 1.1.6.2. Điều kiện ăn khớp
• 1.1.7. Kết luận chương 1
• 1.2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
• 1.2.1. Mô hình toán hệ truyền động có khe hở
• 1.2.2. Cấu trúc vật lý và các định luật cân bằng
• 1.2.3. Mô hình toán ở chế độ ăn khớp, có tính đến hiệu ứng mài mòn vật liệu, độ đàn hồi và moment ma sát
• 1.2.4. Mô hình toán ở chế độ khe hở (dead zone)
• 1.2.5. Mô hình toán tổng quát
• 1.2.6. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở
• 1.2.7. Kết luận chương 2
• 2. CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
• 2.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ
• 2.1.1. Hệ Logic mờ
• 2.1.2. Khái niệm về tập mờ
• 2.1.3. Bộ điều khiển mờ
• 2.1.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi
• 2.1.5. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ
• 2.1.6. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng
• 2.1.7. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển mờ thích nghi và so sánh với bộ điều khiển PID
• 2.1.8. Khảo sát chất lượng bằng bộ điều khiển PID
• 2.1.9. Kết luận chương 3
• 3. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ
• 3.1. Giới thiệu về card DS1104 sử dụng trong hệ thống thí nghiệm
• 3.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104
• 3.3. Cấu trúc tổng quan
• 3.4. Ghép nối với máy chủ (Host Interface)
• 3.5. Phần mềm dSPACE
• 3.6. Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều khiển chuyển động
• 3.7. Điều khiển vị trí Encoder
• 3.8. Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation)
• 3.9. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thí nghiệm
• 3.10. Kết quả thí nghiệm với bộ điều khiển PID
• 3.11. Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển mờ thích nghi
• 3.12. Nhận xét kết quả thí nghiệm
• 3.13. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Truyền Động Có Khe Hở Giới Thiệu

Hệ thống truyền động có khe hở xuất hiện phổ biến trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Việc điều khiển để đảm bảo chất lượng điều khiển cho hệ thống này là một vấn đề quan trọng. Các hệ thống này thường sử dụng các bộ điều khiển có chất lượng chưa cao như điều khiển PID. Nguyên nhân là do động lực học của hệ thống có tính phi tuyến. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho hệ phi tuyến chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế bộ điều khiển đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc. Luận văn này tập trung vào việc cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển thích nghi.

1.1. Các Loại Hệ Thống Truyền Động Bánh Răng Phổ Biến

Hệ thống truyền động có khe hở điển hình là hệ thống truyền động bánh răng. Theo chức năng sử dụng, hệ bánh răng có các yêu cầu khác nhau như truyền động chính xác, truyền động tốc độ cao, và truyền động công suất lớn. Mỗi loại có những yêu cầu riêng về độ chính xác động học, độ êm, và khả năng chịu tải. Việc lựa chọn hệ thống phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Độ Hở Mặt Bên Trong Bánh Răng

Độ hở mặt bên giữa các mặt răng là yếu tố cần thiết trong mọi truyền động bánh răng. Nó tạo điều kiện bôi trơn, bù sai số do giãn nở nhiệt, gia công và lắp ráp, đồng thời tránh hiện tượng kẹt răng. Bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng cần đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác động học, độ êm, độ tiếp xúc và độ hở mặt bên.

II. Thách Thức Ảnh Hưởng Của Khe Hở Đến Điều Khiển Hệ Thống

Hệ thống truyền động qua bánh răng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như lực đàn hồi, ma sát và khe hở. Những yếu tố này làm giảm chất lượng điều khiển và hiệu suất của hệ thống. Theo [1], các ảnh hưởng này tác động lên hệ thống và cần được phân tích kỹ lưỡng để có giải pháp điều khiển phù hợp. Việc bỏ qua các yếu tố này có thể dẫn đến sai lệch trong điều khiển và giảm tuổi thọ của thiết bị.

2.1. Tác Động Của Đàn Hồi Lên Hệ Thống Truyền Động

Lực đàn hồi trong hệ thống truyền động có thể gây ra dao động và ảnh hưởng đến độ chính xác của điều khiển. Mô hình hai khối lượng có liên hệ đàn hồi được sử dụng để phân tích ảnh hưởng này. Hàm truyền đạt của phần cơ được xác định để đánh giá tác động của đàn hồi đến chuyển động của động cơ và máy công tác.

2.2. Ảnh Hưởng Của Ma Sát Đến Hiệu Suất Hệ Thống

Ma sát luôn tồn tại trong phần cơ của hệ thống, gây mất năng lượng và ảnh hưởng đến khả năng lặp lại của hệ cơ điện. Ma sát tĩnh có thể làm cho cơ cấu chấp hành dừng ở các vị trí khác nhau, làm giảm độ chính xác của hệ thống. Cần có các biện pháp bù trừ ma sát để cải thiện hiệu suất và độ chính xác.

2.3. Khe Hở Nguyên Nhân Gây Sai Lệch Và Giảm Tuổi Thọ

Khe hở giữa các bánh răng gây ra độ trễ và sai lệch trong truyền động, làm giảm độ chính xác của hệ điều khiển vị trí. Khe hở cũng có thể làm giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí, gây ra tiếng ồn và rung động. Việc mô tả và bù trừ khe hở là rất quan trọng để cải thiện chất lượng điều khiển.

III. Phương Pháp Điều Khiển Thích Nghi Cho Hệ Truyền Động Khe Hở

Để cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở, luận văn đề xuất sử dụng bộ điều khiển thích nghi. Bộ điều khiển thích nghi có khả năng tự điều chỉnh các thông số để thích ứng với sự thay đổi của hệ thống và môi trường. Điều này giúp hệ thống đạt được độ chính xác và tính ổn định cao hơn so với các bộ điều khiển truyền thống.

3.1. Mô Hình Toán Học Của Khe Hở Deadzone Và Hàm Mô Tả

Để mô tả khe hở, người ta thường sử dụng các mô hình như mô hình vật lý, mô hình Deadzone (vùng chết) và mô hình với hàm mô tả. Mô hình Deadzone đơn giản hóa khe hở thành một vùng không hoạt động, trong khi mô hình vật lý mô tả chi tiết hơn các yếu tố như độ cứng và giảm chấn. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của hệ thống và yêu cầu về độ chính xác.

3.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Thích Nghi Tổng Quan

Bộ điều khiển mờ thích nghi kết hợp ưu điểm của logic mờ và khả năng thích nghi để điều khiển hệ thống phi tuyến. Logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và phi tuyến, trong khi khả năng thích nghi giúp bộ điều khiển tự điều chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất tối ưu. Việc thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi đòi hỏi việc xác định các hàm thuộc, luật điều khiển và phương pháp suy luận.

3.3. Xây Dựng Bộ Điều Khiển Mờ Thích Nghi Theo Mô Hình Mẫu

Luận văn trình bày phương pháp xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng. Phương pháp này sử dụng một mô hình mẫu để xác định hành vi mong muốn của hệ thống và điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển mờ để hệ thống bám theo mô hình mẫu. Điều này giúp đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống.

IV. Ứng Dụng Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Điều Khiển Hệ Thống

Để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển mờ thích nghi, luận văn thực hiện mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống truyền động có khe hở. Kết quả cho thấy bộ điều khiển mờ thích nghi có khả năng cải thiện chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID truyền thống, đặc biệt trong các điều kiện hoạt động phi tuyến và có khe hở.

4.1. Khảo Sát Chất Lượng Với Bộ Điều Khiển PID Phân Tích

Bộ điều khiển PID được sử dụng làm cơ sở so sánh để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển mờ thích nghi. Các thông số của bộ điều khiển PID được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tốt nhất. Tuy nhiên, do tính phi tuyến của hệ thống, bộ điều khiển PID gặp khó khăn trong việc duy trì độ chính xác và tính ổn định trong mọi điều kiện hoạt động.

4.2. Kết Quả Mô Phỏng So Sánh PID Và Điều Khiển Mờ Thích Nghi

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ thích nghi có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của khe hở và tính phi tuyến tốt hơn so với bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển mờ thích nghi đạt được độ chính xác cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn và tính ổn định tốt hơn trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

4.3. Thực Nghiệm Với Card DS1104 Kiểm Chứng Kết Quả

Thực nghiệm được thực hiện với card DS1104 để kiểm chứng kết quả mô phỏng. Card DS1104 cung cấp các công cụ và giao diện cần thiết để điều khiển và thu thập dữ liệu từ hệ thống truyền động thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng, khẳng định hiệu quả của bộ điều khiển mờ thích nghi.

V. Kết Luận Ưu Điểm Của Điều Khiển Thích Nghi Và Hướng Phát Triển

Luận văn đã trình bày phương pháp cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động có khe hở bằng bộ điều khiển mờ thích nghi. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ thích nghi có nhiều ưu điểm so với bộ điều khiển PID truyền thống. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển mờ thích nghi và ứng dụng các kỹ thuật học máy để nâng cao khả năng thích nghi.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Ưu Điểm Vượt Trội

Nghiên cứu đã chứng minh rằng bộ điều khiển mờ thích nghi là một giải pháp hiệu quả để điều khiển hệ thống truyền động có khe hở. Bộ điều khiển này có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của khe hở và tính phi tuyến, đạt được độ chính xác cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn và tính ổn định tốt hơn.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Tối Ưu Hóa Và Học Máy

Các hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển mờ thích nghi bằng các thuật toán tối ưu hóa. Ngoài ra, việc ứng dụng các kỹ thuật học máy như điều khiển thần kinh và điều khiển dự đoán mô hình (MPC) có thể giúp nâng cao khả năng thích nghi và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ truyền động có khe hở là một trong những thành phần quan trọng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt phổ biến trong các hệ truyền động bánh răng. Theo ước tính, các hệ truyền động này chiếm tỷ lệ lớn trong các thiết bị công nghiệp do tính ứng dụng rộng rãi và yêu cầu vận hành chính xác. Tuy nhiên, việc điều khiển các hệ truyền động có khe hở gặp nhiều khó khăn do tính phi tuyến và các yếu tố như đàn hồi, ma sát, và khe hở gây ra hiện tượng rung động, va đập, làm giảm chất lượng điều khiển và tuổi thọ thiết bị.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình toán học chính xác cho hệ truyền động bánh răng có khe hở, thiết kế bộ điều khiển PID truyền thống và bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ truyền động bánh răng, sử dụng động cơ điện một chiều làm thiết bị dẫn động, với các thí nghiệm mô phỏng và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác, ổn định và giảm rung động trong hệ truyền động có khe hở, góp phần tăng hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Các chỉ số đánh giá như sai số vị trí, độ ổn định tốc độ và khả năng thích nghi với biến đổi tải trọng được cải thiện rõ rệt, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất và đào tạo kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình toán học hệ truyền động bánh răng có khe hở: Bao gồm mô hình động lực học hai khối lượng liên kết đàn hồi, mô hình vật lý khe hở, mô hình Deadzone và mô hình hàm mô tả phi tuyến. Các mô hình này phản ánh ảnh hưởng của độ cứng bánh răng, ma sát, và khe hở đến chuyển động và momen truyền động.

• Lý thuyết điều khiển mờ và điều khiển thích nghi: Sử dụng hệ logic mờ để xử lý các phi tuyến và bất định trong hệ thống, kết hợp với phương pháp thích nghi dựa trên lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient để điều chỉnh tham số bộ điều khiển theo trạng thái thực tế của hệ.

• Khái niệm và thuật toán điều khiển PID: Là phương pháp điều khiển kinh điển được sử dụng làm chuẩn so sánh trong nghiên cứu.

Các khái niệm chính bao gồm: độ cứng bánh răng, khe hở mặt bên, moment ma sát, hàm liên thuộc trong tập mờ, luật hợp thành mờ, và các cấu trúc điều khiển mờ PD, PI, PID.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên hệ truyền động bánh răng sử dụng card điều khiển DS1104 và phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm nhiều lần chạy thử với các bộ điều khiển PID và mờ thích nghi, thu thập dữ liệu về sai số vị trí, tốc độ và phản ứng hệ thống.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng mô hình toán học hệ truyền động có khe hở với các tham số vật lý thực tế.

• Thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thích nghi.

• So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm về độ chính xác, ổn định và khả năng thích nghi.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 2 năm, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học hệ truyền động bánh răng có khe hở được xây dựng thành công, phản ánh chính xác các yếu tố đàn hồi, ma sát và khe hở. Mô hình tổng quát (2.12) cho phép mô phỏng cả hai trạng thái hoạt động: bánh răng ăn khớp và chưa ăn khớp. Độ cứng bánh răng c và góc ăn khớp αL được xác định là các tham số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính động học.

2. Bộ điều khiển mờ thích nghi vượt trội so với bộ điều khiển PID kinh điển trong việc giảm sai số vị trí và ổn định tốc độ. Kết quả thí nghiệm cho thấy sai số vị trí giảm khoảng 30% và độ ổn định tốc độ tăng 25% khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi.

3. Khả năng thích nghi với biến đổi tải trọng và nhiễu của bộ điều khiển mờ thích nghi được cải thiện rõ rệt. Trong các thử nghiệm với tải trọng thay đổi đột ngột, bộ điều khiển mờ thích nghi duy trì được độ ổn định và giảm rung động hơn 40% so với PID.

4. Phân tích tần số cho thấy bộ điều khiển mờ thích nghi làm giảm đáng kể dao động cộng hưởng tại tần số cộng hưởng Ω12, giúp hệ truyền động hoạt động êm hơn và giảm tiếng ồn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng điều khiển là do bộ điều khiển mờ thích nghi có khả năng xử lý phi tuyến và điều chỉnh tham số theo trạng thái thực tế của hệ, trong khi bộ điều khiển PID cố định tham số và không thích ứng với các biến đổi phi tuyến và nhiễu.

So sánh với các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điều khiển hệ truyền động bánh răng, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển mờ và thích nghi để nâng cao hiệu suất. Việc mô phỏng và thực nghiệm trên thiết bị thực tế tại phòng thí nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sai số vị trí và độ ổn định tốc độ giữa hai bộ điều khiển, cũng như bảng thống kê các chỉ số hiệu suất trong các điều kiện tải khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển mờ thích nghi trong các hệ truyền động bánh răng công nghiệp nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định vận hành. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất, kỹ sư tự động hóa. Thời gian: 6-12 tháng để tích hợp và hiệu chỉnh.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi hỗ trợ đào tạo và nghiên cứu. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu. Thời gian: 12 tháng.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về nguyên lý và ứng dụng điều khiển mờ thích nghi để nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống truyền động. Chủ thể thực hiện: trung tâm đào tạo nghề, các trường cao đẳng kỹ thuật. Thời gian: liên tục.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho các hệ truyền động khác có đặc tính phi tuyến và khe hở, như truyền động đai, truyền động thủy lực. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu chuyên sâu. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nắm bắt kiến thức về mô hình toán học và phương pháp điều khiển mờ thích nghi để áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ truyền động công nghiệp.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết và thực nghiệm điều khiển hệ truyền động có khe hở.

3. Nhà quản lý và chuyên gia công nghiệp: Hiểu rõ các giải pháp nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị truyền động, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và phát triển công nghệ.

4. Các trung tâm đào tạo nghề và kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật viên vận hành hệ truyền động hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ truyền động có khe hở lại khó điều khiển?
   Hệ truyền động có khe hở có tính phi tuyến do sự tồn tại của khe hở, ma sát và đàn hồi, gây ra hiện tượng rung động và va đập, làm sai lệch tín hiệu điều khiển và giảm độ chính xác.

2. Bộ điều khiển mờ thích nghi khác gì so với bộ điều khiển PID?
   Bộ điều khiển mờ thích nghi có khả năng xử lý phi tuyến và điều chỉnh tham số theo trạng thái hệ, trong khi PID có tham số cố định, không thích ứng với biến đổi hệ thống.

3. Mô hình toán học của hệ truyền động bánh răng có khe hở được xây dựng như thế nào?
   Mô hình bao gồm các phương trình động lực học hai khối lượng liên kết đàn hồi, tính đến moment ma sát, độ cứng bánh răng và mô hình khe hở Deadzone, phản ánh chính xác trạng thái ăn khớp và chưa ăn khớp.

4. Phương pháp nào được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi?
   Phương pháp dựa trên lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient, kết hợp luật hợp thành mờ tuyến tính và hàm liên thuộc tam giác để điều chỉnh tham số bộ điều khiển theo trạng thái thực tế.

5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu giúp cải thiện chất lượng điều khiển hệ truyền động bánh răng trong công nghiệp, giảm rung động, tiếng ồn, tăng độ bền thiết bị và hiệu suất sản xuất, đồng thời hỗ trợ đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học tổng quát cho hệ truyền động bánh răng có khe hở, bao gồm các yếu tố đàn hồi, ma sát và khe hở.
• Thiết kế và triển khai bộ điều khiển mờ thích nghi dựa trên lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient, cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển so với PID.
• Thí nghiệm thực tế chứng minh bộ điều khiển mờ thích nghi giảm sai số vị trí khoảng 30%, tăng độ ổn định tốc độ 25%, và giảm rung động hơn 40%.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng và đào tạo nhằm phổ biến công nghệ điều khiển mờ thích nghi trong công nghiệp và giáo dục kỹ thuật.
• Khuyến nghị nghiên cứu mở rộng ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho các hệ truyền động phi tuyến khác trong tương lai.

Next steps: Triển khai ứng dụng thực tế tại các nhà máy, phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế điều khiển mờ, và mở rộng nghiên cứu sang các lĩnh vực truyền động khác.

Các kỹ sư, nhà nghiên cứu và quản lý công nghiệp nên tiếp cận và áp dụng các giải pháp điều khiển mờ thích nghi để nâng cao hiệu quả vận hành hệ truyền động trong sản xuất hiện đại.

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 c 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 c 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 c 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 c 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 c 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 c 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 c 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 c 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 .