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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hai giải pháp nâng cao hiệu quả chất lượng hệ truyền động có khe hở 52(4): 34 - 37 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 4 - 2009 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. 6 Khong co data2 co khe ho 4 2 0 -2 -4 -6 -8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Hình 1: Đặc tính động của hệ truyền động có khe hở điều khiển theo luật tỉ lệ [1] 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 2 4 6 8 10 12 Hình 2: Đặc tính động của hệ thống truyền động có khe hở điều khiển theo luật PID [1] 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 34 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 52(4): 34 - 37 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: x k(x - xa) z k(x + xa) Điều - khiển Động n Khe n' Tải z hở cơ WDC (s) n(s) U(s) WDC (s) 0,80166 1 0, 0377s 0, 0013s 2 1 ®Æt 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] khi x 0 ; v kx a khi x 0 ; v kx a khi x 0 ; - kx a v kx a khi x 0 ; - kx a v kx a kx k x d dt K TS+1 0,65 0,05S+1 (3) Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển truyền động có khe hở được chỉ ra trên hình 5. Hình 3: Sơ đồ khối hệ truyền động có khe hở. 0 (2) Tải là một khâu quán tính có hàm số truyền: Đo lường z kD 1 Tms Tm Tes 2 1 1, 2474(1 0, 0377s 0, 0377.0, 0347s 2 ) WT (s) = kx 4 - 2009 0.80166 den(s) ®iÒu khiÓn ®éng c¬ 0.65 Khe hë 0.05s+1 T¶i 1 Ra 0.029 ®o l-êng (1) Hình 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động có khe hở z  v x, PID z Hình 4: Sơ đồ cấu trúc khe hở. 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 (KGm2). Hàm truyền đạt của động cơ có dạng: 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 bằn ...