i
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Anh

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
tháng năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

Chủ tịch

2

Phản biện 1

3

Phản biện 2

4


Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

MSHV: 1341840025

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ KẾT CẤU TRUYỀN
ĐỘNG CƠ KHÍ BACKLASH
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ: Thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho kết cấu truyền động cơ khí backlash
Nội dung:
-

Tổng quan

-

Phân tích, thiết kế bộ điều khiển khả thi cho hệ thống

-

Nhận dạng hệ thống và mô phỏng

-

Thực nghiệm trên hệ chuyển động tuyến tính

-

Kết quả và thảo luận


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Duy Anh đã
tận tình hƣớng dẫn em về chuyên môn và kinh nghiệm để giúp em thực hiện luận văn tốt
nghiệp.
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy giảng viên
Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM và Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã nhiệt
tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong
quá trình giảng dạy khóa cao học tại trƣờng Đại học Công Nghệ Tp. HCM.
Em rất biết ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên
và ở bên cạnh em trong suốt quá trình học và làm luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh/chị, các bạn học viên đã giúp đỡ, cùng trau
dồi kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp.

Lê Văn Phúc


v

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trong quá trình công nghiệp hóa hiện nay, việc khử rơ cho các bộ truyền động
trong cơ khí là hết sức quan trọng. Làm thế nào để khử rơ trong truyền động ?
Việc thiết kế bộ điều khiển khử rơ trong truyền động cơ khí là hết sức quan trọng
và cần thiết trong điều khiển hiện nay. Luận văn sẽ thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho
kết cấu truyền động cơ khí. Mục đích của luận văn là phân tích, thiết kế và mô phỏng
bộ điều khiển khả thi cho hệ thống .
Các phƣơng án khử rơ: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền
động hoặc điều chỉnh hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Thực nghiệm
hiệu chỉnh bộ điều khiển trên hệ servo driving mechanism.
Sau khi có đƣợc sai lệch của từng khâu, tiến hành áp dụng bộ khử rơ ngƣợc. Ở


Chƣơng 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................1
1.2. Các phƣơng án khử rơ .................................................................................1
1.2.1. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành
trình .......................................................................................................................... 1
1.2.2. Khử rơ bằng giải thuật điều khiển: ....................................................... 2
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................3
1.4. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ..............................................................4
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................... 4
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ......................................................... 7
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................7
Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ THI CHO HỆ
THỐNG ..................................................................................................................9
2.1. Phân tích thiết kế bộ điều khiển ...................................................................9
2.1.1. Hàm rơ, hàm rơ ngƣợc và phƣơng pháp xác định hàm rơ .................. 10
2.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển .............................................................. 13
2.2. Điều khiển đáp ứng ....................................................................................17
Chƣơng 3: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG ..................................22
3.1. Nhận dạng hệ thống ...................................................................................22
3.2. Mô phỏng nhận dạng hệ thống ..................................................................25
3.3. Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi ...........................................................29
3.3.1. MRAS sử dụng luật MIT cho hệ bậc 2 ............................................... 29
3.3.2. Mô hình hóa hệ thống tổng hợp: ......................................................... 30
Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH .......36


viii
4.1. Hệ thống điều khiển thực nghiệm ..............................................................36
4.1.1. Điều khiển trên máy tính .................................................................... 37

Bảng 6: .................................................................................................................66


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Mô hình giải thuật điều khiển của đề tài .................................................9
Hình 2.2 Đồ thị và ví dụ minh họa về hàm rơ......................................................11
Hình 2.3 Đồ thị hàm rơ ngƣợc .............................................................................12
Hình 2.4 Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh ..............................................12
Hình 2.5 Mô hình cơ bản của hệ thống ................................................................13
Hình 2.6 Trình tự thiết kế giải thuật.....................................................................14
Hình 2.7 Hệ thống cơ bản ....................................................................................15
Hình 2.8 Tính toán hình học để xác định thông số độ rơ .....................................16
Hình 2.9 Hệ thống đƣợc khử rơ bằng hàm rơ ngƣợc ...........................................16
Hình 2.10 Mô hình điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu ...................18
Hình 2.11 Sơ đồ MRAS .......................................................................................20
Hình 3.1 Các bƣớc nhận dạng hệ thống ...............................................................23
Hình 3.2 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi không có rơ

và khi có rơ

. (Tín hiệu

vào dạng sóng tam giác) .......................................................................................26
Hình 3.3 Đồ thị đáp ứng hệ thống khi không có rơ

và khi có rơ

. (Tín hiệu

Hình 4.16 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID
không khử rơ .........................................................................................................52
Hình 4.17 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID không khử rơ tính hiện tƣợng trễ ...................................................................52
Hình 4.18 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID không khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ .............................................................53
Hình 4.19 Tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển PID
không khử rơ kết hợp bộ điều khiển khử rơ ..........................................................55
Hình 4.20 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID kết hợp khử rơ ................................................................................................55
Hình 4.21 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra với bộ điều khiển
PID kết hợp khử rơ, bỏ qua hiện tƣợng trễ ...........................................................56
Hình 4.22 Tín hiệu ra với bộ điều khiển PID không có khử rơ và kết hợp khử rơ
...............................................................................................................................57
Hình 4.23 Đầu ra so với tín hiệu mong muốn của các bộ điều khiển khi đảo chiều
...............................................................................................................................58
Hình 4.24 Sai số bộ điều khiển thích nghi ...........................................................59
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý.....................................................................................64
Hình 5.2 Mô hình tính lực ....................................................................................71
Hình 5.3 Mô hình hệ chuyển động tịnh tiến ........................................................73


xii
Hình 5.4 Bố trí quá trình thực nghiệm .................................................................73
Hình 6.1 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm ..............................................................74
Hình 6.2 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm thời gian thực .........74
Hình 6.3 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngƣợc độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ..........74
Hình 6.4 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm thời gian thực ..............................75
Hình 6.5 Điều khiển đáp ứng độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ...............................75
Hình 6.6 Khử rơ ngƣợc độ rơ 0.547mm ..............................................................75

1.2. Các phƣơng án khử rơ
Từ năm 1993, hiện tƣợng rơ trong hệ thống truyền động cơ khí đã đƣợc chú ý và
có những nghiên cứu để giảm thiểu hoặc loại bỏ vấn đề này. Hai hƣớng tiếp cận bao
gồm: Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí của hệ truyền động hoặc điều chỉnh
hành trình, và khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Từ năm 2012, một số nghiên cứu mới
đi theo hƣớng lắp đặt các cơ cấu bổ sung (ví dụ nhƣ lắp thêm động cơ đảo chiều, cảm
biến…) và xây dựng bộ điều khiển tƣơng ứng với cơ cấu bổ sung.
1.2.1. Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí hoặc điều chỉnh hành trình
Khử rơ bằng cách hiệu chỉnh thiết kế cơ khí không làm thay đổi đặc tính điều
khiển của hệ thống mà vẫn giúp giảm thiểu độ rơ rất hiệu quả. Các chi tiết gây nên độ
rơ chính khi truyền động (nhƣ bánh răng, đai ốc) đƣợc hiệu chỉnh để có thể tự bù đắp
độ rơ khi hệ truyền động đảo chiều. Một số thiết kế cơ khí để khử rơ tiêu biểu:
 Khử rơ bằng cặp bánh răng đặc biệt. Thiết kế thông dụng nhất của cơ cấu này
là chia một bánh răng trong hệ truyền động thành hai nửa theo chiều dày bánh
răng. Một nửa gắn cố định vào trục, một nửa có thể chuyển động xoay quanh
trục. Một tải nhất định (thông thƣờng đƣợc tạo ra bởi lò xo xoắn) giúp đảm bảo


2
nửa bánh răng tự do chuyển động bám theo nửa bánh răng cố định, đồng thời
luôn có ít nhất một trong hai nửa của bánh răng duy trì tiếp xúc với bánh răng kia
của cơ cấu. Thiết kế này ƣu tiên độ chính xác vị trí theo cả chiều thuận và chiều
ngƣợc, tuy nhiên chỉ có thể truyền động tải nhỏ.
 Khử rơ bằng cách truyền động một chiều. Ví dụ khi điểm hoạt động đang di
chuyển hƣớng về phía bên trái, nếu muốn đi đến một điểm nằm phía bên phải
điểm hiện tại, ngƣời sử dụng di chuyển điểm hoạt động về bên phải, vƣợt qua
điểm cần đến, rồi mới di chuyển ngƣợc về phía trái trở lại. Phƣơng pháp này đảm
bảo độ chính xác vị trí và tải theo 1 chiều.
 Giảm độ rơ trong bộ truyền vít me-đai ốc bằng đai ốc chống rơ. Ba cơ cấu đai
ốc chống rơ phổ biến trong công nghiệp: ép hƣớng tâm, kéo hoặc nén cơ cấu bù

có độ rơ, đồng thời kết hợp một bộ điều khiển đáp ứng để cập nhật thông số của hàm
rơ ngƣợc để đảm bảo tín hiệu của hệ thống vòng kín bị chặn. Kết quả mô phỏng lý
thuyết cho thấy tính hiệu quả của phƣơng pháp này cao hơn so với các phƣơng pháp
trƣớc đó.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Tự động hóa là xu thế tất yếu của nền công nghiệp, trong đó robot sẽ phải đóng
vai trò chủ chốt trong hoạt động này.
Tại Việt nam, việc sử dụng robot cũng đã đƣợc ghi nhận khá nhiều trong các nhà
máy do nƣớc ngoài đầu tƣ và rải rác ở một số doanh nghiệp trong nƣớc. Ở Việt nam
nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, có ba nguồn cung cấp robot cho các
lĩnh vực sử dụng khác nhau:
• Nhập khẩu nguyên chiếc từ các công ty chế tạo ở nƣớc ngoài.
• Sử dụng robot đã qua sử dụng thu gom từ các nhà máy ở nƣớc ngoài.
• Các đề tài nghiên cứu ứng dụng khoa học, những sản phẩm đặt hàng cho các
nhà khoa học kỹ thuật, các đơn vị nghiên cứu, sản xuất trong nƣớc.
Nhóm sau cùng rất đa dạng về chủng loại, nhiệm vụ. Các đề tài nghiên cứu này
có thể xuất phát từ yêu cầu thực tế nhƣ robot crane cho Truyền hình Việt nam hay
robot xếp kính cho nhà máy của Viglacera hay các dạng robot an ninh. Có các đề tài
nghiên cứu công nghệ mới nhằm đón đầu phát triển hay cho đào tạo và có những đề tài
nhằm hỗ trợ, đẩy mạnh quá trình sản xuất, chế tạo robot trong nƣớc nhƣ các sản phẩm
của chƣơng trình robot hay tự động hóa của thành phố Hồ Chí Minh bao gồm robot lấy


4
sản phẩm nhựa, robot hàn, ... Đây chính là nguồn cung cấp chính các robot nội địa
cho sản xuất, hiện nay chƣa có một doanh nghiệp chế tạo cũng nhƣ lắp ráp robot cho
thị trƣờng trong nƣớc. Các nhóm nghiên cứu này không có trang bị cũng nhƣ đầu tƣ
bài bản, dài hơi cho sản xuất robot làm cho các sản phẩm này chỉ dừng ở mức nghiên
cứu hay đáp ứng yêu cầu trƣớc mắt.
Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc chế tạo robot ở Việt Nam là khả


Trong đó,

: góc xoắn,

: góc chuyển vị của trục.

đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

Hàm vùng chết

| |

{

(1.2)

b. Mô hình chính xác (exact model):
Khi tính đến giảm chấn của trục,

, moment trên trục cho bởi
(1.3)

̇ [7,8]. Trƣờng hợp này, định nghĩa góc

với

̇

(

: hằng số offset
+ Tính moment ngõ ra bằng các xấp xĩ:
̇ )

(

(1.6)

Từ đó suy ra:
(1.7)
Và
+ Với

.
là một biến độc lập, hàm

có dạng:
(1.8)

d. Mô hình độ trễ (hysteresis model):
Độ trễ liên hệ với góc quay ngõ ra,

, và góc ngõ vào,

với giả thiết trục

không biến dạng:
̇
̇


1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển khử rơ cho các hệ truyền động cơ khí /
Trƣờng Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM; Nguyễn Duy Anh. – 2013.
Luận văn tốt nghiệp Phùng Vũ Lâm – PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Luận văn đề xuất một phƣơng án khử rơ bằng giải thuật điều khiển. Trong đó,
 Bộ điều khiển dựa trên cơ sở mô hình toán học của rơ, rơ ngƣợc và bộ điều
khiển thích nghi theo hàm mẫu.
 Bộ điều khiển này có thể áp dụng cho nhiều loại hệ truyền động cơ khí khác
nhau và giải quyết hai loại chuyển động nhiều nhất trong thực tế là hệ chuyển
động tuyến tính và chuyển động quay.
Nội dung nghiên cứu:
 Phân tích mô hình rơ, và truyền động cơ khí để tìm ra bộ điều khiển khả thi cho
hệ thống.
 Cơ sở lý thuyết và thiết kế giải thuật nhận dạng độ rơ, bộ điều khiển thích nghi
 Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi để giảm độ rơ cơ khí trên MatLab
Bộ điều khiển có thể đƣợc thêm vào các giải thuật điều khiển vị trí và vận tốc của
các cấu điều khiển nhằm tăng chất lƣợng điều khiển. Đề tài có tính học thuật cao, có
khả năng áp dụng vào các hệ thống truyền động cơ khí để nâng cao độ chính xác, đặc
biệt là các máy móc đã qua sử dụng.


8


9

Chƣơng 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ
THI CHO HỆ THỐNG
2.1. Phân tích thiết kế bộ điều khiển

Tùy vào ứng dụng của cơ cấu, độ rơ xuất hiện có thể do thiết kế trƣớc hoặc
không. Độ rơ là yếu tố không thể tránh đƣợc trong một cơ cấu truyền động có đảo
chiều. Độ rơ có thể gây tác động tích cực hay tiêu cực. Trong nhiều ứng dụng, độ rơ có
thể bỏ qua hoặc đƣợc chấp nhận để hạn chế nhiễu. Độ rơ đƣợc chấp nhận do nó hỗ trợ
cho việc bôi trơn, xử lý sai số gia công, độ lệch thiếu tải và giãn nở nhiệt.
Trong khuôn khổ đề tài, độ rơ đƣợc tìm hiểu là độ rơ không xác định trƣớc, có
tác động tiêu cực đến độ chính xác của kết cấu cơ khí và của hệ thống điều khiển.
Theo kết quả của [16], hàm rơ (Backlash function) (ký hiệu là

) có thể đƣợc

biểu diễn bằng hệ phƣơng trình sau:
̇

{

̇

̇
̇

Trong đó:
: Đáp ứng đầu ra.
: Tín hiệu đầu vào.
: Cận phải.
: Cận trái.
: Độ dốc.

(2.1)


: Tín hiệu đầu vào.
: Đáp ứng đầu ra.
: Cận phải.
: Cận trái.
: Độ dốc.


12
v
1

/m

cr

0

ud
cl

1

/m

Hình 2.3. Đồ thị hàm rơ ngƣợc
Mô hình của Gang Tao và Kokotovic là một mô hình rơ lý tƣởng. Trong thực tế,
không tồn tại một phƣơng án khử rơ theo hàm khử rơ ngƣợc lý tƣởng. Nguyên nhân vì
tốc độ dốc tại các vị trí đảo chiều của hàm Backlash Inverse không thể đạt giá trị
nhƣ lý thuyết, mà phụ thuộc vào tốc độ di chuyển tối đa của bàn máy. Do đó, hàm
BI(.) trong thực tế đƣợc hiệu chỉnh nhƣ sau:

kỹ thuật phân tách hệ thống thành một hệ thống tuyến tính động và một hệ thống
phi tuyến động. Cuối cùng, áp dụng phƣơng pháp lặp để ƣớc lƣợng thông số của
hệ tách lớp này. [17]
 Chứng minh mối liên hệ tuyến tính giữa độ nảy tiêu chuẩn (standard bounce)
và thông số độ rơ. Sử dụng một motor phát động để cho hệ thống đi theo những
quỹ đạo đặc biệt. Bằng cách quan sát sự thay đổi của độ nảy tiêu chuẩn, có thể
xác định đƣợc thông số của độ rơ một cách tƣơng đƣơng và chính xác [17].
Trong phạm vi của đề tài, độ rơ đƣợc xét đến là hàm rơ của toàn bộ hệ thống
truyền động, có biên độ và ảnh hƣởng lớn hơn nhiều so với nhiễu hệ thống. Hàm rơ
này đƣợc xem là lý tƣởng và cố định trong hệ thống, do đó, đề tài giới thiệu một
phƣơng pháp đơn giản hơn để xác định thông số của hàm rơ này: Chạy rà hệ thống
theo quỹ đạo tam giác và xác định thông số độ rơ bằng phƣơng pháp hình học.
Ƣu điểm của việc đo thông số rơ bằng phƣơng pháp hình học là cách thức thực
hiện đơn giản, có thể quy đổi thành câu lệnh tự động và tốn ít tài nguyên điều khiển,
không cần biết trƣớc thông số hàm truyền hệ thống. Hạn chế của phƣơng pháp hình
học là chỉ có thể đo đƣợc độ rơ có biên độ lớn so với biên độ của nhiễu hệ thống,
thông số đo đƣợc chỉ áp dụng đƣợc cho công thức của hàm rơ thuần (Pure Backlash)
theo [16].
2.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển
Mô hình cơ bản của hệ truyền động cơ khí đang khảo sát đƣợc thể hiện nhƣ sau:
φ

Hộp đen
G(.)

x

Hình 2.5. Mô hình cơ bản của hệ thống
Trong đó