CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ 1. Đặc điểm chung của hệ truyền động 1. Đặc điểm của hệ truyền động Theo Meriam-Webster thì hệ truyền động được hiểu là một tập hợp các cơ cấu ghép nối cơ khí phục vụ biến đổi tốc độ, moment. Hệ truyền động luôn tồn tại trong các hệ biến đổi và truyền tải năng lượng.
Nhiệm vụ của bài toán điều khiển hệ truyền động là phải xác định được quy luật thay đổi moment dẫn động tạo ra từ động cơ dẫn động để hệ có được tốc độ góc của tải đầu ra luôn bám ổn định được theo một quỹ đạo đặt trước và điều này phải không được phụ thuộc vào các tác động không mong muốn vào hệ. Để thực hiện được bài toán điều khiển trên, ta cần phải xây dựng được mô hình toán mô tả tính chất động lực học của hệ truyền động với đầy đủ những yếu tố kết cấu cơ khí, vật liệu của nó. Từ mô hình toán cụ thể của từng lớp hệ truyền động mà người ta mới có thể phân tích được, cũng như lựa chọn được phương pháp điều khiển thích hợp và tổng hợp được bộ điều khiển cho hệ truyền động đó. Song, nhìn nhận một cách tổng quát thì các bài toán điều khiển hệ truyền động đều có những đặc điểm chung như sau: Thứ nhất, hệ truyền động là một hệ phi tuyến, không tự sinh ra năng lượng (hệ thụ động).
Nó luôn có thể mô tả được bằng mô hình Euler-Lagrange. Hệ luôn chứa những thành phần rất khó xác định được một cách chính xác trong mô hình. Điển hình của các thành phần đó là các moment ma sát trên những trục truyền động, moment tải, độ không cứng vững tuyệt đối của vật liệu làm trục truyền động hoặc bánh răng và sự không chính xác trong chế tạo cơ khí hoặc sự mài mòn của vật liệu tạo ra các khe hở giữa những khớp truyền động khi nối với nhau. Nhìn chung, nhiệm vụ điều khiển bám ổn định vận tốc hay quỹ đạo góc của cơ cấu chấp hành trong các hệ truyền động của máy tổ hợp nói chung là một bài toán động lực học rất phức tạp.
Nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: Nguồn năng lượng dẫn động, lực hoặc moment cản, moment ma sát, bôi trơn, khe hở, độ đàn hồi của các khâu và độ cứng vững của toàn hệ thống cũng như các yếu tố môi trường. Đặc biệt đối với các máy tổ hợp sau một thời gian làm việc các yếu tố tác động kể trên là những yếu tố ngẫu nhiên, khó lường trước và nó thay đổi theo thời gian dẫn tới mất ổn định động lực học. Mất ổn định động 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lực học là trạng thái nguy hiểm nhất xẩy ra khi tần số lực kích động có giá trị bằng hoặc xấp xỉ với tần số dao động riêng của hệ. Khi một quá trình gia công bị rơi vào trạng thái mất ổn định thì biên độ dao động của hệ rất lớn, làm cho hệ thống rung động mạnh, gây ồn và giảm độ chính xác cũng như chất lượng của sản phẩm.
Vì vậy điều khiển bám ổn định tốc độ của cơ cấu chấp hành là nhiệm vụ hàng đầu đang được đặt ra cho các nhà tích hợp hệ thống điều khiển hệ truyền động nói chung và hệ truyền động qua bánh răng nói riêng. Các yêu cầu nâng cao chất lượng của hệ truyền động Trong bài toán điều khiển hệ truyền động, bên cạnh việc có được khả năng bám ổn định theo quỹ đạo góc quay đặt trước, người ta còn phải rất quan tâm tới những vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống, bao gồm: 1. Việc ổn định tốc độ của các cơ cấu chấp hành. Giảm thiểu tối đa các dao động sinh ra từ độ xoắn của các trục truyền moment.
Giảm thiểu tối đa sự ảnh hưởng của các xung moment trên trục truyền động ở quá trình quá độ, sự ảnh hưởng của tiếng ồn, va đập sinh ra từ các khe hở giữa các trục truyền động. Chất lượng bám ổn định tốc độ hoặc góc quay của hệ theo quỹ đạo mong muốn đặt trước không bị ảnh hưởng bởi những moment ma sát, moment cản trong hệ. Những yêu cầu nâng cao chất lượng kể trên là một vấn đề cấp thiết của thực tế ứng dụng vì nó liên quan tới tuổi bền của máy, độ tin cậy và chính xác của dụng cụ và đảm bảo môi trường làm việc cho người lao động, do tiếng ồn và rung động gây ra. Từ trước đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm nhằm giải thích nguyên nhân, bản chất của hiện tượng mất ổn định động lực học và đã đưa ra các giải pháp kỹ thuật để tìm cách khống chế và loại trừ nó.
Chẳng hạn như các biện pháp cơ khí phổ thông hiện được dùng là lắp thêm bánh đà, nâng cao độ chính xác khi chế tạo các chi tiết, điều chỉnh và lắp ráp theo các quy trình nghiêm ngặt, chấp hành các chế độ bảo trì. Các giải pháp cơ học nêu trên chỉ thích hợp với chế độ làm việc xác lập của hệ thống cũng như hệ thống có tính động học biến đổi chậm và cũng chỉ giải quyết được một phần mang tính chất định kỳ. Trường hợp chung, khi các yếu tố ngẫu nhiên xảy ra bất thường tác động lên hệ thống, thì các biện pháp cơ khí nêu trên không thể khắc phục ngay được. Với những bài toán nâng cao chất lượng hệ thống ở chế độ làm việc quá độ cũng như có tính động học nhanh, dưới giả thiết không thể đo được chính xác các moment ma sát, moment cản, độ xoắn trên trục truyền động và khe hở giữa các bánh răng, người 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ta phải sử dụng kèm thêm cùng giải pháp cơ khí là các bộ điều khiển điện, điện tử nhằm có thể dễ dàng cài đặt được các phương pháp điều khiển chỉnh định thích nghi và bền vững làm việc theo cơ chế phản hồi.
Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho hệ truyền động có khe hở Trên thế giới cũng như trong nước, lĩnh vực điều khiển truyền động được quan tâm nghiên cứu rất nhiều. Cụ thể với hệ truyền động có khe hở ta không thể tuyến tính hóa được khe hở và do đó bắt buộc phải áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến. Xác định khe hở và điều khiển loại bỏ sự ảnh hưởng của khe hở tới chất lượng truyền động là bài toán thường gặp nhất trong các bài toán điều khiển hệ truyền động có khe hở. Phương pháp điều khiển coi hệ truyền động có khe hở như một khâu backlash Khe hở có mô hình toán như sau [27]: mu khi u 0 và m(u a ) B( , u, u ) khi u 0 và m(u a) (1.1) 0 ngoài ra Tuy nhiên trong ứng dụng khó khăn thường nằm ở việc xác định chính xác được các tham số m và a của nó cũng như tính phi tuyến và đa trị của hàm (1.1) để có thể tạo ra được tín hiệu bù khe hở.
Bù khe hở bằng mô hình ngược Trong trường hợp mô hình (1.1) là chính xác thì theo [24] ta có thể điều khiển loại bỏ khe hở bằng hàm ngược: u B 1 (u, u , u ) (1.2) với sơ đồ điều khiển hở cho ở hình 1.1, để hệ đó có được quan hệ vào ra dạng lý tưởng tuyệt đối: u (1.3) 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hệ truyền động có khe hở x e Bộ điều khiển PI u u động Hệ truyền lý tưởng y kp , T I Hình 1. Điều khiển bù khe hở bằng mô hình ngược và bộ điều khiển PI Hình 1.2 mô tả nguyên tắc điều khiển bù khe hở bằng mô hình ngược. Tất nhiên là nguyên tắc điều khiển này chỉ có nghĩa khi ta xác định được chính xác mô hình ngược (1.2) của khe hở và mô hình truyền động luôn có thể tách được hai thành phần riêng biệt là khe hở và phần mô hình lý tưởng tuyến tính còn lại mắc nối tiếp nhau. Điều khiển thích nghi bù khe hở bằng mạng neural và hệ mờ: Vấn đề tồn tại của phương pháp điều khiển hở là ta lại không có mô hình (1.1) tuyệt đối chính xác cho khe hở.
Như vậy chỉ cần một sai lệch nhỏ trong mô hình (1.1) sẽ dẫn tới một sai số rất lớn trong phép tính nghịch đảo (1. Hơn nữa phép tính nghịch đảo (1.2) của hàm không toàn ánh (1.1) lại không tường minh, tức là từ một hàm (1.1) ta có thể có nhiều, thậm chí ở đây là vô số mô hình nghịch đảo (1. Điều khó khăn trên gây không ít khó khăn cho người thiết kế, vì cũng chưa có một công trình nghiên cứu nào đủ tổng quát về việc đánh giá chất lượng hệ thống theo các hàm ngược đó. Bởi vậy có thể nói kỹ thuật điều khiển bằng hàm ngược là không khả thi trong thực tế.
Trên cơ sở suy luận như vậy, nhiều công trình đã được công bố cho việc thay hàm ngược (1.2) bằng việc xấp xỉ nó nhờ hệ mờ hay mạng neural như mô tả ở hình 1. Có thể liệt kê một số công trình đó là [10, 20, 21, 27, 28] Hệ truyền động có khe hở Bộ điều 7 Hệ truyền khiển PI động lý tưởng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Điều khiển bù khe hở bằng mạng neural Mặc dù vậy những phương pháp điều khiển bù xấp xỉ này cũng có mặt hạn chế của nó. Đó là: Việc xấp xỉ hàm phi tuyến nhờ mạng neural hay hệ mờ chỉ có thể có được kết quả xấp xỉ với sai lệch nhỏ tùy ý trong miền giới hạn cho phép, nếu như hàm phi tuyến cần được xấp xỉ đó là liên tục.
Giả thiết này ta có thể dễ dàng thấy ngay được là nó không được thỏa mãn ở mô hình khe hở (1. Bởi vậy phương pháp điều khiển bù khe hở bằng việc xấp xỉ mô hình ngược thông qua mạng neural hay hệ mờ chỉ áp dụng được đối với các hệ có khe hở đủ nhỏ (hằng số a là rất nhỏ). Việc bù bằng mạng neural ở hình 1.3 chỉ thực sự có ý nghĩa khi tín hiệu bên trong hệ truyền động có khe hở là đo được. Điều này gần như là không thể.
Do đó người ta phải chuyển sang xác định từ các tín hiệu đo được khác (quan sát).