Luận án nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển FTSM thích nghi và bộ quan sát HGO cho hệ truyền động băng vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN XUÂN TÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FTSM THÍCH NGHI VÀ BỘ QUAN SÁT HGO TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BĂNG VẬT LIỆU NHIỀU ĐỘNG CƠ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN XUÂN TÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FTSM THÍCH NGHI VÀ BỘ QUAN SÁT HGO TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BĂNG VẬT LIỆU NHIỀU ĐỘNG CƠ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS PHẠM TUẤN THÀNH 2. TS ĐÀO PHƯƠNG NAM HÀ NỘI – NĂM 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Tuấn Thành, PGS.TS Đào Phương Nam cùng với các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác.

Tác giả Trần Xuân Tình ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới Ban Giám Đốc, Khoa Kỹ thuật Điều khiển, Bộ môn Kỹ thuật Điện - Học viện Kỹ thuật Quân sự, cùng với Ban Giám Đốc, Khoa Kỹ thuật Cơ sở - Học viện Phòng không - Không quân, đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể hướng dẫn PGS.TS Phạm Tuấn Thành, người hướng dẫn khoa học thứ nhất và PGS.TS Đào Phương Nam, người hướng dẫn thứ hai, những người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn về kiến thức chuyên môn, đưa ra những nội dung chính cần phải giải quyết để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn GS. Nguyễn Doãn Phước, PGS.

Nguyễn Văn Liễn, PGS. Nguyễn Tùng Lâm, TS. Nguyễn Danh Huy, TS. Phạm Quang Đăng đã góp ý về phương pháp điều khiển, công nghệ thực tế, chỉ bảo tôi khi xây dựng mô hình, làm thực nghiệm và mô phỏng tại Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Trần Xuân Tình iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.

vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. ix MỞ ĐẦU. 1 Chương 1 TỔNG QUAN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BĂNG VẬT LIỆU NHIỀU ĐỘNG CƠ VÀ CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN. Cấu trúc tổng quát hệ truyền động băng vật liệu nhiều động cơ.

Yêu cầu công nghệ hệ truyền động băng vật liệu. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Sử dụng bộ quan sát lực căng trong hệ truyền động khâu xử lý băng vật liệu đàn hồi. Đặt bài toán nghiên cứu.

Kết luận chương 1. 32 Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ BỘ QUAN SÁT LỰC CĂNG CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BĂNG VẬT LIỆU NHIỀU ĐỘNG CƠ. Xây dựng mô hình toán học. Mô hình hệ lô cuộn lại.

Mô hình hệ lô tháo cuộn. Xây dựng bộ quan sát lực căng trên băng vật liệu. Các bước xây dựng bộ quan sát HGO. Bộ quan sát lực căng HGO cho lô dẫn động.

Kết luận chương 2. 54 Chương 3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FTSM THÍCH NGHI KẾT HỢP BỘ QUAN SÁT HGO CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BĂNG VẬT LIỆU. Bộ điều khiển PID cho hệ truyền động băng vật liệu. Mô hình tổng quát các bộ điều khiển cho hệ vận chuyển băng vật liệu 56 3.

Xây dựng bộ điều khiển FTSM cho hệ lô dẫn động. Điều khiển trượt đầu cuối nhanh. Bộ điều khiển cho hệ dẫn động. Xây dựng bộ điều khiển FTSM thích nghi cho lô tháo cuộn.

Bộ điều khiển lực căng lô tháo cuộn. Bộ điều khiển tốc độ dài lô tháo cuộn. Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho lô đặt tốc độ dài. Kết luận chương 3.

83 Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BĂNG VẬT LIỆU. Tham số mô phỏng. Trình tự thực hiện mô phỏng. Xây dựng mô hình mô phỏng.

Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID. Huấn luyện mạng nơ ron. Kết quả mô phỏng. Đánh giá chất lượng bộ quan sát lực căng HGO.

Đánh giá chất lượng bộ điều khiển. Mô phỏng theo thời gian thực. Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu luận án. Kết luận chương 4.

107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 108 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 111 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa L m Độ dài đoạn băng vật liệu đã quấn được W m Độ rộng của đoạn băng vật liệu h m Độ dày của băng vật liệu S m2 Diện tích mặt cắt ngang băng vật liệu V m3 Thể tích băng vật liệu ε Độ biến dạng dài tương đối k - Hệ số cuốn chặt R0r , R0u m Bán kính ban đầu của lô cuộn lại, lô tháo cuộn Rr , Ru , m Bán kính lô cuộn lại, lô tháo cuộn, lô dẫn Rk  m/s Tốc độ dài của băng vật liệu m kg Khối lượng băng vật liệu quấn được ρ kg/m3 Khối lượng riêng của vật liệu JW kgm2 Mô men quán tính của băng vật liệu trên trục lô J 0r , J 0u kgm2 Mô men quán tính ban đầu của lô cuộn lại, lô tháo cuộn J 0m kgm2 Mô men quán tính của tất cả các bộ phận quay phía động cơ i - Tỉ số truyền E N/m2 Hệ số đàn hồi của băng vật liệu vii F N Lực căng trên băng vật liệu M Nm Mô men động cơ p đôi số cặp cực của động cơ Mf Nm Mô men ma sát B Nms Hệ số cản Lm H Hỗ cảm giữa stato và rotor Ls, Lr H Điện cảm stato và rotor isd, isq A Các thành phần dòng stator trên hệ tọa độ dq  rad/s Tốc độ góc của trục lô  - Hệ số ma sát trượt giữa lô và băng vật liệu  rad Góc ôm của băng vật liệu với lô  kg/m Khối lượng của băng vật liệu trên đơn vị chiều dài b m Chiều dài cung có ma sát trượt giữa băng vật liệu và mặt lô viii Chữ viết tắt Ý nghĩa PD (Proportional Derivative) BĐK tỉ lệ vi phân PI (Proportional Integral) BĐK tỉ lệ tích phân PID (Proportional Integral Derivative) BĐK tỉ lệ vi tích phân HGO (High-Gain Observers) Bộ quan sát High-Gain SMC (Sliding Mode Control) BĐK trượt SISO (Single-Input and Single-Output) Hệ một đầu vào, một đầu ra MISO (Multiple-Input and Single-Output) Hệ nhiều đầu vào một đầu ra MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) Hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra TSMC (Terminal Sliding-Mode Control) BĐK trượt đầu cuối FTSM (Fast Terminal Sliding-Mode) BĐK trượt đầu cuối nhanh FLC Fuzzy Logic Controler NADRC (Nonlinear Active Disturbance Rejection Control) điều khiển bù nhiễu phi tuyến LQG (Linear Quadratic Gaussian) tối ưu toàn phương tuyến tính NN (Neural Networks) mạng nơ ron ISS (input-to-state stability) đầu vào ở trạng thái ổn định HTĐ Hệ truyền động BĐK Bộ điều khiển DTC ( Direct Torque Control) Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình Số trang Hình 1.

Các hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng 7 Hình 1. Cấu trúc tổng quát của một hệ truyền động băng vật liệu 8 Hình 1. Cấu trúc khâu tháo cuộn (Unwind) 9 Hình 1. Khâu xử lý dải băng vật liệu 10 Hình 1.

Cấu trúc khâu cuộn lại băng vật liệu (Rewind) 11 Hình 1. Mô hình điều khiển vòng hở dùng cảm biến vị trí 15 Hình 1. Mô hình điều khiển vòng hở dùng cảm biến đo đường 15 kính Hình 1. Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến lực căng 16 (loadcell) Hình 1.

Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến vị trí và con 16 lăn nhảy Hình 1. Mô hình điều khiển tập trung 22 Hình 1. Mô hình điều khiển phân tán 23 Hình 1. Mô hình điều khiển lực căng bù lượng đặt tốc độ 24 Hình 1.

Mô hình điều khiển tốc độ dài trục Master 24 Hình 1. Mô hình điều khiển tốc độ dài ở một trục, các trục khác 25 điều khiển lực căng Hình 1. Mô hình truyền động băng vật liệu nhiều động cơ 31 x Hình 2. Mô hình truyền động băng vật liệu lô cuộn lại 33 Hình 2.

Mô hình tính diện tích băng vật liệu trên lô quấn 34 Hình 2. Hệ truyền động lô cuộn lại 36 Hình 2. Mô hình tính toán lực căng lô cuộn lại 38 Hình 2. Mô hình tính lực căng theo định luật Coulomb 40 Hình 2.

Mô hình hệ truyền động lô tháo cuộn 44 Hình 2. Mô hình hệ truyền động lô dẫn động 47 Hình 2. Mô hình hệ truyền động lô đặt tốc độ dài 48 Hình 2. Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát HGO 50 Hình 3.

Cấu trúc bộ điều khiển PID 55 Hình 3. Hệ truyền động băng vật liệu dùng bộ điều khiển PID 56 Hình 3. Mô hình tổng quát các bộ điều khiển đề xuất 57 Hình 3. Mặt phẳng pha trong hai trường hợp sử dụng bộ điều 61 khiển TSM (a) và FTSM (b) Hình 3.

Mô hình điều khiển lực căng lô dẫn động 70 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc mạng nơ ron nhận dạng hàm g F  x  1 74 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc mạng nơ ron nhận dạng hàm hF  x  1 74 Hình 3. Mô hình BĐK lực căng sử dụng nhận dạng bằng mạng 77 nơ ron Hình 3.

Sơ đồ cấu trúc mạng nơ ron nhận dạng hàm g v  x  1 79 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc mạng nơ ron nhận dạng hàm hv  x  1 80 xi Hình 3. Mô hình BĐK tốc độ dài lô tháo cuộn 81 Hình 4. Mô hình mô phỏng hệ truyền động băng vật liệu 86 Hình 4.

Đáp ứng lực căng và tốc độ dài của hệ với bộ điều khiển 88 PID Hình 4. Đáp ứng lực căng dài của hệ với bộ điều khiển PID 88 Hình 4. Vẽ tách đáp ứng lực căng của hệ với bộ điều khiển PID 89 Hình 4. Đáp ứng tốc độ dài của hệ với bộ điều khiển PID 89 Hình 4.

Đáp ứng tốc độ góc của hệ với bộ điều khiển PID 89 Hình 4. Đáp ứng tốc độ góc của hệ với bộ điều khiển PID khi 90 R0u = 0,16 m Hình 4.