Hai giải pháp nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở

52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 34 HAI GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Lại Khắc Lãi (Đại học Thái Nguyên), Lê Thị Thu Hà – (Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên) Tóm tắt Hệ truyền động có khe hở là một hệ cơ - điện tử có tính phi tuyến mạnh và đang được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Khi khe hở xuất hiện sẽ làm sai lệch truyền động, làm giảm độ bền của hệ thống, phát ra tiếng ồn, gây rung động và hiệu suất của hệ thống bị thay đổi. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động có khe hở, đó là giải pháp dùng bộ điều khiển mờ và giải pháp dùng bộ điều khiển thông minh. I.Mở đầu Hệ truyền động có khe hở (TĐCKH) là một hệ truyền động phi tuyến được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế như các truyền động bánh răng, truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít - đai ốc, truyền động trục vít - bánh vít, vv Trong các hệ thống truyền động trên, giữa bộ phận chủ động và bộ phân bị động luôn tồn tại một khe hở, làm sai lệch truyền động, giảm độ chính xác đối với các hệ điều khiển vị trí, khe hở có thể làm giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí, phát ra tiếng ồn, gây rung động, sự ổn định và hiệu suất của hệ thống bị thay đổi. Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho các hệ điều khiển truyền động có khe hở là yêu cầu quan trọng để thiết lập các hệ điều khiển chính xác nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Trước đây, để hạn chế ảnh hưởng của khe hở đến chất lượng hệ thống truyền động người ta thường chỉ quan tâm đến các biện pháp cơ khí như tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay đổi biên dạng bánh răng Trong mấy năm gần đây, các nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến các giải pháp về điện trên quan điểm phối hợp điều khiển giữa bộ phận chủ động và bộ phân bị động trong hệ thống nhằm giảm ảnh hưởng xấu của khe hở đối với hệ thống. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này và đã đạt được một số thành quả đáng kể. Song ở Việt Nam vấn đề này còn rất mới mẻ, gần đây mới xuất hiện một vài nghiên cứu về hệ nối khớp mềm. Trong [1] đã chỉ ra những nhược điểm của hệ thống truyền động có khe hở khi sử dụng các bộ điều khiển kinh điển theo các qui luật tỉ lệ (hình 1) và theo qui luật PID (hình 2). Ta thấy rằng, khi sử dụng các bộ điều khiển kinh điển chất lượng động của hệ thống còn rất kém và luôn tồn tại dao động do tính phi tuyến của ke hở gây nên. Để khắc phục nhược điểm đó, chúng tôi đề xuất hai phương pháp mới là sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở. các bộ điều khiển này phù hợp với các đối tượng có tính phi tuyến mạnh do đó đã nâng cao được chất lượng của hệ thống. II. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động có khe hở Sơ đồ khối của hệ hệ truyền động có khe hở được chỉ ra trên hình 3. Trong đó trục động cơ điện (trục dẫn động) và trục của tải (trục bị dẫn) không nối cứng với nhau mà được nối thông qua hệ thống bánh răng, hoặc dây xích, hoặc dây đai, Nói cách khác là giữa trục dẫn và trục bị dẫn tồn tại một khe hở. Do có khe hở nên mối liên hệ giữa vị b) Hình 2: Đặc tính động của hệ thống truyền động có khe hở điều khiển theo luật PID [1] 0 2 4 6 8 10 12 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Khong co data2 co khe ho Hình 1: Đặc tính động của hệ truyền động có khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ [1] 52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 35 trí trục dẫn x và trục bị dẫn z không đơn trị. Mỗi vị trí của x tương ứng với nhiều vị trí của z nằm trong giới hạn từ k(x - xa) đến k(x + xa) tuỳ thuộc vào vị trí cực đại hay cực tiểu của z trước đó: k(x - xa) z k(x + xa) Đặc tính của khâu khe hở được mô tả bởi biểu thức (1) và sơ đồ cấu trúc của khe hở được biểu diễn trên hình 4 [1] a a a a a a khi x 0 ; v kx kx khi x 0 ; v kx z khi x 0 ; - kx v kx 0 khi x 0 ; - kx v kx      (1) Để dễ dàng so sánh chất lượng của hệ điều khiển có khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ và mờ thích nghi so với khi sử dụng bộ điều khiển kinh điển, chúng tôi lấy các thông số của hệ truyền động đã được đề cập khảo sát trong [1]. Trong đó khối dẫn động là động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số: Công suất P =1,5(kW), tốc độ n = 1500(vòng/phút); điện áp định mức Uđm = 220(V), dòng điện định mức: Iđm = 8,7(A), điện trở phần ứng: R = 2,776(Ω), điện cảm phần ứng: L = 0,0961(H), mô men quán tính: J = 0,085 (KGm 2 ). Hàm truyền đạt của động cơ có dạng: D DC 2 m m e 2 kn(s) W (s) U(s) 1 T s T T s 1 1,2474(1 0,0377s 0,0377.0,0347s ) DC 2 0,80166 W (s) 1 0,0377s 0,0013s (2) Tải là một khâu quán tính có hàm số truyền: T K 0,65 W (s) = TS+1 0,05S+1 (3) Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển truyền động có khe hở được chỉ ra trên hình 5. III. Sử dụng điều khiển mờ và điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở Trong phần này, chúng tôi đề xuất 2 giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động có khe hở, đó là dùng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông minh được thiết kế trên cơ sở của hệ mờ. 1. Bộ điều khiển mờ: Bộ điều khiển mờ được thiết kế để điều khiển hệ truyền động có khe hở là bộ điều khiển mờ theo qui luật tỉ lệ tích phân (PI) có các thông số như sau: Đầu vào thứ nhất có miền xác định trong khoảng [-1 1] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm liên thuộc hình tam giác; Đầu vào thứ 2 xác định trong khoảng [-2 2] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm liên thuộc hình tam giác, hệ số tích phân chọn bằng 5,6; Đầu ra xác định trong khoảng [-78 78] được mờ hóa bởi 5 tập mờ có hàm liên thuộc hình tam giác; luật điều khiển theo qui luật tuyến tính [2]; giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm. Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ được chỉ ra trên hình 6. d dt x, v x z Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở. k kx z 1 Ra 0.80166 den(s) ®éng c¬ 0.029 ®o l-êng PID ®iÒu khiÓn 0.65 0.05s+1 T¶iKhe hë 1 ®Æt Hình 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động có khe hở Động cơ Khe hở Tải Đo lường - x Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động có khe hở. z Điều khiển n n' 52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 36 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển mờ được chỉ ra trên hình 7. 2. Bộ điều khiển thông minh: Bộ điều khiển thông minh để điều khiển hệ truyền động có khe hở được xây dựng trên cơ sở của hệ mờ có sơ đồ cấu trúc như hình 8. Trong đó bộ điều khiển mờ cơ bản (ĐKM cơ bản) được thiết kế tương tự như bộ điều khiển mờ đã trình bày ở mục 4.1, chỉ khác ở chỗ miền xác định ở đầu ra của bộ ĐKM cơ bản chỉ ở nằm trong khoảng [-3 3], hệ số khuếch đại đầu ra của bộ điều khiển mờ được chỉnh định thích nghi theo qui luật [2]: dK ue dt (4) Trong đó: u là tín hiệu đặt; e là sai lệch giữa đầu ra của hệ thống và tín hiệu đặt; là hằng số nói lên tốc độ hội tụ của thuật toán thích nghi. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển thông minh được chỉ ra trên hình 9. Để tiện so sánh chất lượng của hệ thống khi sử dụng các bộ điều khiển khác nhau, chúng tôi tiến hành mô phỏng và vẽ các đặc tính động trên cùng hệ trục tọa độ (hình 10). Hình 11 là các đặc tính động của hệ truyền động có khe hở khi sử dụng 3 bộ điều khiển trong khoảng thời gian mô phỏng từ 3 giây đến 5 giây. Hình 6: Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Thoi gian (s) Hình 7: Đặc tính động của hệ truyền động có khe hở khi sử dụng bộ điều khiển mờ 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Thoi gian (s) Hình 9: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi sử dụng bộ điều khiển thông minh 1 Out1 K1 s 1 s 62 5 1 DKM co ban 2 In2 1 In1 Hình 8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi Hình 10: Đặc tính động của hệ TĐCKH khi sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển, bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông minh 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Thoi gian (s) PID kinh điển Điều khiển mờ Điều khiển thông minh Hình 11: Đặc tính động của hệ ĐKCKH khi sử dụng 3 bộ điều khiển trong khảng thời gian mô phỏng (3 - 5)s 3 3.5 4 4.5 5 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 37 5. Kết luận Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng sự tồn tại khe hở đã làm xấu đặc tính động của hệ thống điều khiển tự động truyền động cơ điện. Bằng cách sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển thông minh, chất lượng của hệ thống TĐCKH đã được nâng lên rõ rệt. nếu với bộ điều khiển PID kinh điển hệ thống vẫn tồn tại dao động, ngay cả khi đã xác lập thì với bộ điều khiển mờ, hệ thống đã hết dao động sau 4 giây, còn với bộ điều thông minh, hệ thống hết dao động chỉ sau 1 giây. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy tính khả thi của việc triển khai ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển các hệ thống thực. Tài liệu tham khảo [1]. Lê Thị Thu Hà, Lại Khắc Lãi, Lê Thị Nguyệt, "Khảo sát chất lượng hệ truyền động có khe hở" Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số 3 năm 2009, trang 124-130 [2]. Lại Khắc Lãi, “Xây dựng hệ điều khiển thông minh để điều khiển đối tượng phi tuyến khó mô hình hoá” Đề tài NCKH cấp bộ năm 2002; Mã số: B2002.02.03. [3]. OdaiM.and HoriY, Speed control of 2-inertia system with gear backlash using gear torque compensator’’ 1998. [4]. NakayamaY,FujikawaK.and KobayashiH. A torque control method of three-inertia torsional system with backlash 2000. [5]. LinC, YuT. and FengXu Fuzzy control of a nonlinear pointing test bed with backlash and friction 1996:Kobe [6]. SmithM.C. Nonlinear and predictive control:Describing functions 2004. DhaouadiR.,KuboK.and TobiseM. Analysis and compensation of speed drive systems [7]. R.M.R. Bruns, J.F.P.B. Diepstraten, X.G.P. Schuurbiers,J.A.G. Wouters “Motion Control of Systems with Backlash” DCT number: 2006.075, August 29, 2006. 52(4): 3 - 12 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 38 Summary Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash Electric drive systems with backlash belong to a class of non-linear mechatronic systems, which find a number of vital applications. Backlash can significantly reduce performance such as instability, and unwanted noise and vibration. In this paper, we propose Two methods to raise the quality of electric drive systems with backlash: to use a fuzzy control and to use a intelligent control.