BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====o0o====
NGUYỄN VIỆT KHÁNH
ĐIỀU KHIỂN CHỐNG RUNG
TỐI ƯU THỜI GIAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TẠO ĐẦU VÀO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội - 2016
NGUYỄN VIỆT KHÁNH CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2013B
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
====o0o====
NGUYỄN VIỆT KHÁNH
ĐIỀU KHIỂN CHỐNG RUNG
TỐI ƯU THỜI GIAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TẠO ĐẦU VÀO
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. DƯƠNG MINH ĐỨC
Hà Nội - 2016
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: Điều khiển chống rung tối ưu thời
gian bằng phương pháp tạo đầu vào do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của TS.
Dương Minh Đức. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2016
Học viên
Nguyễn Việt Khánh
Mục lục
ii
MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA .................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................vii
CHƯƠNG 1: NHU CẦU THỰC TIỄN CỦA VIỆC CHỐNG RUNG................ 2
1.1. Hiện tượng rung động ................................................................................... 2
1.2. Hiện tượng rung động trong kỹ thuật ............................................................ 5
1.2.1 Rung động trong cánh tay robot .................................................................. 5
1.2.2 Rung động trong chuyển động cầu trục ...................................................... 6
1.2.3 Rung động của bề mặt chất lỏng trong các container chở nhiên liệu ......... 7
1.2.4 Lợi ích của việc chống rung ........................................................................ 8
1.3. Một số phương pháp chống rung .................................................................. 9
1.4. Nội dung luận văn ....................................................................................... 12
CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP TẠO DẠNG TÍN HIỆU ĐẦU VÀO ............. 13
2.1. Ý tưởng phương pháp chống rung hệ cầu trục sử dụng phương pháp tạo dạng
tín hiệu đầu vào ......................................................................................................... 13
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào ...................... 14
2.3. Độ bền vũng của phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào .......................... 19
2.3.1 Độ bền vững với sai lệch của tần số dao động tự nhiên ............................ 21
2.3.2 Độ bền vững với hệ số tắt dần ................................................................... 27
2.4. Kết luận ....................................................................................................... 31
CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU THỜI GIAN .................................... 32
3.1. Ràng buộc về độ rung còn dư cùng với yêu cầu tối ưu thời gian ............... 32
3.2. Ràng buộc về biên độ xung ......................................................................... 33
3.2.1 Ràng buộc độ lớn duy nhất (UM) ............................................................. 34
3.2.2 Ràng buộc tổng một phần (PS) ................................................................. 34
Mục lục
iii
3.3. Ràng buộc về tính bền vững ........................................................................ 34
3.3.1 Dạng ZV âm .............................................................................................. 34
3.3.2 Dạng ZVD âm ........................................................................................... 37
CHƯƠNG 4 : ĐIỀU KHIỂN CHỐNG RUNG CHO CẦU TRỤC ................... 41
4.1. Mô hình hệ thống cầu trục .......................................................................... 41
4.1.1 Phương trìnhh động lực học của hệ cầu trục ............................................. 41
4.1.2 Xây dựng mô hình hàm truyền cho hệ cầu trục ........................................ 45
4.2. Mô phỏng kiểm nghiệm .............................................................................. 47
4.2.1 Mô phỏng mô hình toán học của cầu trục ................................................. 47
4.2.2 Điều khiển chính xác vị trí x ..................................................................... 49
4.2.3 Chống rung cho hệ cầu trục sử dụng thuật toán tạo dạng tín hiệu đầu
vào ............................................................................................................................. 50
4.3. Chống rung cầu trục sử dụng thuật toán tối ưu thời gian ............................ 54
4.3.1 Trường hợp PS-ZV .................................................................................... 55
4.3.2 Trường hợp PS-ZVD ................................................................................. 59
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 64
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 65
Danh mục hình vẽ
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Dao động tắt dần của con lắc đơn ........................................................ 2
Hình 1.2. Dao động quá ngưỡng tắt dần .............................................................. 3
Hình 1.3. Dao động tắt dần tới hạn ...................................................................... 4
Hình 1.4. Dao động ngưỡng tắt dần ..................................................................... 4
Hình 1.5. Mô hình cánh tay robot ........................................................................ 6
Hình 1.6. Mô hình cầu trục .................................................................................. 7
Hình 1.7. Bình chứa chất lỏng bị dao động .......................................................... 8
Hình 1.8. Chống rung hệ cầu trục sử dụng bộ điều khiển PID ............................ 9
Hình 1.9. Chống rung cho hệ cầu trục sử dụng bộ điều khiển PID và làm mềm
tín hiệu đặt ................................................................................................................. 10
Hình 1.10. Chống rung sử dụng mô hình động học ngược ................................ 11
Hình 1.11. Chống rung sử dụng phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào.......... 12
Hình 2.1. Vị trí tải trọng và vị trí xe đẩy ............................................................ 13
Hình 2.2. Vị trí tải trọng và vị trí xe đẩy khi nhấn nút ở vị trí thích hợp ........... 14
Hình 2.3. Đáp ứng của hệ cho mỗi đầu vào ....................................................... 15
Hình 2.4. Đáp ứng của hệ cho cả hai đầu vào .................................................... 16
Hình 2.5. Độ lớn và thời điểm xuất hiện của hai xung ...................................... 19
Hình 2.6. Đáp ứng kết hợp của hai xung khi phát xung không chính xác ......... 20
Hình 2.7. Độ bền vững đối với tần số của hệ hai xung đầu vào ứng với các giá trị
si ................................................................................................................................ 21
Hình 2.8. Độ lớn và thời điểm xuất hiện của ba xung ....................................... 25
Hình 2.9. Độ bền vững đối với tần số của hệ ba xung đầu vào ứng với các giá trị
si ................................................................................................................................ 26
Hình 2.10. Sai lệch dao động ứng với biến thiên hệ số tắt dần .......................... 30
Hình 3.1. Độ lớn và thời điểm xuất hiện 3 xung ................................................ 36
Hình 3.2. Độ lớn và thời điểm xuất hiện của 5 xung ......................................... 39
Hình 4.1. Mô hình đơn giản của cầu trục ........................................................... 41
Hình 4.2. Mô hình mô phỏng dao động cầu trục ............................................... 48
Danh mục hình vẽ
v
Hình 4.3. Dao động vị trí x, góc
, vận tốc và gia tốc ...................................... 49
Hình 4.4. Mô hình điều khiển chính xác vị trí ................................................... 50
Hình 4.5. Kết quả mô phỏng điều khiển chính xác vị trí ................................... 50
Hình 4.6. Sơ đồ khối mô phỏng thuật toán tạo dạng tín hiệu đầu vào chống rung
cho hệ cầu trục .......................................................................................................... 52
Hình 4.7. Gia tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp ZV ........... 52
Hình 4.8. Gia tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp ZVD ........ 53
Hình 4.9. Mô hình cầu trục khi áp dụng thuật toán tối ưu thời gian .................. 54
Hình 4.10. Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp
inputshaping và tối ưu thời gian PS-ZV với P=1 ...................................................... 55
Hình 4.11. Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp
inputshaping và tối ưu thời gian PS-ZV với P=2 ...................................................... 56
Hình 4.12. Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp
inputshaping và tối ưu thời gian PS-ZV với P=3 ...................................................... 57
Hình 4.13. Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp
inputshaping và tối ưu thời gian PS-ZVD với P=1 ................................................... 59
Hình 4.14. Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp
inputshaping và tối ưu thời gian PS-ZVD với P=2 ................................................... 60
Hình 4.15. Gia tốc, vận tốc, vị trí, góc trong quỹ đạo 2-1-2 của phương pháp
inputshaping và tối ưu thời gian PS-ZVD với P=3 ................................................... 61
Danh mục bảng số liệu
vi
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1: Thời gian xuất hiện xung dạng PS-ZV .............................................. 36
Bảng 3.2: Thời gian xuất hiện xung dạng PS-ZVD ........................................... 39
Danh mục từ viết tắt
vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ZV
Không dao động ( 2 xung đầu vào)
ZV-D
Không dao động-đạo hàm ( 3 xung)
Lời mở đầu
1
LỜI MỞ ĐẦU
Rung động là hiện tượng phổ biến xuất hiện khi các thiết bị hoạt động, nó làm
giảm tuổi thọ, độ bền và hiệu suất làm việc của thiết bị đôi khi còn gây ra tai nạn lao
động đáng tiếc. Từ nhu cầu thực tiễn đó đòi hỏi phải nghiên cứu phương pháp chống
rung cho các thiết bị.
Đã có nhiều phương pháp chống rung được đề xuất, chủ yếu gồm hai lớp chính
là điều khiển chống rung vòng kín và chống rung vòng hở. Phương pháp điều khiển
chống rung vòng kín cho đáp ứng tương đối tốt tuy nhiên nó cần có cảm biến phản
hồi làm tăng tính phức tạp của hệ thống. Chống rung vòng hở không cần cảm biến
phản hồi tuy nhiên nó rất nhạy với nhiễu và sự thay đổi thông số hệ thống.
Luận văn đi nghiên cứu phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu là một phương pháp
đơn giản hiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi để chống rung cho các thiết bị. Đã
có nhiều phương pháp chống rung vòng hở được áp dụng nhưng thời gian đáp ứng
còn quá lâu, luận văn này nghiên cứu phương pháp chống rung tạo dạng đầu vào tối
ưu thời gian để giảm thời gian đáp ứng của hệ, từ đó nâng cao năng suất thực tế. Các
phương pháp này sẽ được sử dụng để chống rung cho hệ cầu trục. Luận văn được
chia làm năm chương
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
Chương 2: Phương pháp tạo dạng tín hiệu đầu vào
Chương 3: Phương pháp chống rung tối ưu thời gian
Chương 4: Điều khiển chống rung cho hệ cầu trục
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Để hoàn thành luận văn này em xin chân thành cảm ơn TS. Dương Minh Đức đã
nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2016
Học viên thực hiện
Nguyễn Việt Khánh
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
2
CHƯƠNG 1: NHU CẦU THỰC TIỄN CỦA VIỆC
CHỐNG RUNG
1.1 Hiện tượng rung động
Rung động hay dao động là một khái niệm vật lý dùng để mô tả sự thay đổi vị trí
của một chuyển động so với một vị trí cân bằng, chuyển động cứ lặp đi lặp lại trong
một chu kỳ thời gian cho đến khi trở về vị trí cân bằng.
Các rung động trong thực tế thường có dạng dao động tắt dần tức là có biên độ
giảm dần theo thời gian. Lực cản môi trường càng lớn thì dao động tắt dần xảy ra
càng nhanh. Nếu vật dao động điều hoà với tần số
0
mà chịu thêm lực cản nhỏ, thì
dao động của vật tắt dần chậm. Dao động tắt dần chậm cũng có tần số
0
và biên độ
giảm dần theo thời gian cho đến không.
Một trong những dao động tắt dần thông thường mà ta biết đến đó là dao động
tắt dần của con lắc đơn. Như ở hình 1.1, đưa con lắc lên vị trí A rồi thả tay, sau vài
chu kỳ dao động, ta thấy biên độ của dao động bé dần và sau một khoảng thời gian
đủ lớn thì dao động bị mất hoàn toàn.
Hình 1.1. Dao động tắt dần của con lắc đơn.
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
3
Trong dao động của con lắc trên thì sự tắt dần của dao động chính là do lực cản
của không khí đối với con lắc trong quá trình dao động, sự cọ xát giữa sợi dây với
con lắc cũng như tại chỗ buộc C cũng làm cho năng lượng trong quá trình dao động
của con lắc giảm đi, và làm cho dao động này tắt dần.
Dao động tắt dần được mô tả dưới dạng công thức toán học sau:
.
0
.sin(2 )
t
x A e ft


(1.1)
Trong đó:
là hệ số tắt dần của dao động
f là tần số của dao động dư (Hz).
A
0
là biên độ dao động tắt dần.
là pha ban đầu
Dựa vào hệ số tắt dần ζ ta có thể phân chia thành:
Quá ngưỡng tắt dần (
> 1): Dao động của hệ bị dập tắt ngay
lập tức khi chưa kịp hoàn thành một dao động.
Hình 1.2. Dao động quá ngưỡng tắt dần
Tắt dần tới hạn (
= 1): Dao động của hệ bị dập tắt nhanh nhất
khi chưa kịp hoàn thành dao động.
0 2 4 6 8 10
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian(s)
Bien do
Dao dong qua nguong tat dan
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
4
Hình 1.3. Dao động tắt dần tới hạn
Dưới ngưỡng tắt dần (
< 1): Dao động của hệ bị tắt dần sau
khi thực hiện một vài dao động, biên độ giảm dần về không.
Hình 1.4. Dao động ngưỡng tắt dần
Rung động xảy ra trong hầu hết các máy móc, cấu trúc, xây dựng và các hệ thống
động. Sự đối lập trong thiết kế hệ thống máy móc là giảm trọng lượng và tăng tốc độ
hoạt động càng làm cho rung động trong hệ thống lớn hơn. Trong thực tế tồn tại
những rung động có lợi được tạo ra theo mong muốn của con người. Chúng được tạo
ra nhằm đáp ứng nhu cầu của con người hoặc để phục vụ quá trình sản xuất như rung
động trong các máy sàng rung, phễu nạp liệu, băng tải, máy đánh bóng, máy đầm,
máy cấp phôi tự động…
0 2 4 6 8 10
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian(s)
Bien do
Dao dong tat dan toi han
0 5 10 15 20 25 30
-0.5
0
0.5
1
Thoi gian(s)
Bien do
Dao dong nguong tat dan
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
5
Nhưng hầu hết các rung động là không mong muốn và có hại trong quá trình hoạt
động cũng như sản xuất, sử dụng. Những rung động này xuất hiện do cấu trúc của
máy móc, hệ thống, do động lực học của cơ cấu, do quán tính, do các yếu tố bên ngoài
tác động như gió…Các rung động này không chỉ làm cho cấu trúc của máy móc, hệ
thống thay đổi, hiệu suất hoạt động giảm, tổn hao năng lượng... Ngoài ra, đi kèm với
rung động còn có phát ra tiếng ồn. Tiếng ồn thường được coi là âm thanh không mong
muốn, mà rung động xuất hiện sẽ làm cho áp suất xung quanh rung động thay đổi, từ
đó tạo ra âm thanh. Âm thanh này được lan truyền trong không khí và có tần số cũng
như cường độ phụ thuộc vào các thông số của rung động.
Đặc biệt hơn nữa, trong kỹ thuật công nghiệp và vận chuyển thì rung động này
có thể làm mất tính an toàn lao động trong sản xuất cũng như chất lượng của công
việc và gây nguy hiểm cho người vận hành.
Do đó, phân tích độ rung là điều cần thiết đối với bất kỳ cấu trúc nào trước khi
thiết kế và xây dựng. Sau đây chúng ta sẽ phân tích một số trường hợp cụ thể để thấy
được tác hại của dao động trong sản xuất.
1.2. Hiện tượng rung động trong kỹ thuật
1.2.1 Rung động trong cánh tay robot
Hiện nay, robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: vận chuyển, lắp
ráp, gia công hay giúp đỡ con người trong cuộc sống hàng ngày. Trong một số ứng
dụng, ta cần điều khiển chính xác quỹ đạo: vận chuyển chất lỏng, hàn… Tuy nhiên,
do cánh tay robot không cứng tuyệt đối nên sẽ xuất hiện hiện tượng dao động dư khi
kết thúc quá trình chuyển động nếu hoạt động với vận tốc cao. Ví dụ điển hình như
cánh tay robot của tàu vũ trụ. Đặc điểm của cánh tay này rất dài nên khả năng bị rung
động rất cao trong khi việc điều khiển chính xác vị trí là rất quan trọng, nếu không có
thể gây hư hỏng cho robot cũng như các bộ phận khác trên tàu vũ trụ.
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
6
Hình 1.5. Cánh tay robot của tàu vũ trụ
1.2.2 Rung động trong chuyển động cầu trục
Trong sản xuất công nghiệp, cầu trục là thiết bị công nghiệp được ứng dụng rất
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong xây dựng để vận chuyển nguyên vật liệu,
trong nhà máy để di chuyển hàng hóa hay các loại máy móc có trọng lượng lớn hay
tại các cảng để bốc dỡ hàng ... Những cầu trục này thường vận hành bằng tay. Khi
mà kích thước của cầu trục trở nên lớn hơn và yêu cầu vận chuyển nhanh hơn thì quá
trình điều khiển chúng sẽ trở nên khó khăn nếu không tự động hoá quá trình này. Cầu
trục dịch chuyển theo quỹ đạo không cứng nhắc. Nhưng nó hoạt động dưới những
điều kiện hết sức khắc nghiệt. Hơn nữa trong quá trình di chuyển luôn tồn tại sự rung
lắc của container hàng hóa, vật liệu…đều có khối lượng lớn và kích thước rất lớn
chính vì vậy khi di chuyển nếu có rung động sẽ gây nguy hiểm cho con người và cả
hàng hóa, thiết bị. Người ta có thể cho cầu trục di chuyển chậm để giảm thiểu sự dao
động tuy nhiên thực tế là nó vẫn tồn tại sự dao động đáng kể.
Chính vì vậy vấn đề đặt ra là tìm ra phương pháp nhằm khử dao động trong
chuyển động của cầu trục hoặc làm giảm dao động này ở mức thấp nhất có thể.
Chương 1: Nhu cầu thực tiễn của việc chống rung
7
Hình 1.6. Mô hình cầu trục.
1.2.3 Rung động của bề mặt chất lỏng trong các container chở nhiên liệu
Một số loại nhiên liệu ở dạng chất lỏng như xăng, dầu…thường được vận chuyển
bằng các container di chuyển trên một quãng đường dài. Trên quãng đường di chuyển
này, do quá trình phanh hãm hoặc do các chướng ngại vật trên đường như ổ gà sẽ làm
cho bề mặt chất lỏng bị dao động. Dao động này gây ra một lực thủy động lực học
rất lớn có thể gây ra mất kiểm soát tốc độ, cơ cấu phanh hãm về lâu dài có thể gây ra
việc hỏng hóc các kết cấu cơ khí của container.