i
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường 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


Ngãi 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 hướng 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
Trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM và Trường 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 trường 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


5

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 phương 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.

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN.......................................................................................1
1.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................1
1.2. Các phương 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 nước ......................................................... 7
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................7
Chương 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 ngược và phương pháp xác định hàm rơ .................. 10
2.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển .............................................................. 13
2.2. Điều khiển đáp ứng ....................................................................................17
Chương 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
Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN HỆ CHUYỂN ĐỘNG TUYẾN TÍNH .......36


8

Bảng 4: .................................................................................................................65
Bảng 5: .................................................................................................................65
Bảng 6: .................................................................................................................66


10

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 ngược .............................................................................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 được khử rơ bằng hàm rơ ngược ...........................................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 bước 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

Hình 4.14 Sai số tín hiệu điều khiển mong muốn và tín hiệu ra bằng cách bù
xung ......................................................................................................................50
Hình 4.15 Tín hiệu ra bám theo tín hiệu vào nhưng dao có sự dao động lớn ......51
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 tượng 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 tượng 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 tượng 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 ngược độ rơ 0.185mm ..............................................................74
Hình 6.2 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngược độ rơ 0.185mm thời gian thực .........74
Hình 6.3 Khử rơ PID kết hợp bù rơ ngược độ rơ 0.185mm bỏ qua độ trễ ..........74

Có rất nhiều nghiên cứu về độ rơ đã được thực hiện từ năm 1940. Đây là bài toán
rất phức tạp, đặc biệt là khi có yêu cầu độ chính xác cao. Độ rơ xuất hiện khi có khe
hở trong cơ cấu truyền động, gây ra nhiễu khi truyền động, đặc biệt khi có sự đảo
chiều của vận tốc tương đối giữa các khâu. Bài toán điều khiển hệ truyền động cơ khí
khi có độ rơ thường gây ra sai số xác lập, hoặc xấu nhất, xuất hiện “vòng tròn giới
hạn” (limit circle) và hệ thống ở trạng thái bất ổn định. Do đó, bài toán khử rơ cho hệ
thống cơ khí là rất cần thiết và quan trọng.
1.2. Các phương án khử rơ
Từ năm 1993, hiện tượng rơ trong hệ thống truyền động cơ khí đã được chú ý và
có những nghiên cứu để giảm thiểu hoặc loại bỏ vấn đề này. Hai hướng 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 hướng lắp đặt các cơ cấu bổ sung (ví dụ như lắp thêm động cơ đảo chiều, cảm
biến…) và xây dựng bộ điều khiển tương 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 (như bánh răng, đai ốc) được 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 thường được tạo ra bởi lò xo xoắn) giúp đảm bảo


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 ưu tiên độ chính xác vị trí theo cả chiều thuận và chiều
ngược, 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

phi tuyến không khả vi, các thông số hệ thống thường không xác định trước, từ các
nghiên cứu tham khảo các bộ điều khiển đáp ứng có kết quả hiệu quả nhất.
Tuy nhiên, hầu hết các bộ điều khiển đáp ứng thường chỉ mang lại hiệu quả cao
cho các hệ tuyến tính hoặc hệ phi tuyến nhưng khả vi. Gang Tao và Kokotovic đã giới
thiệu và sử dụng hàm rơ ngược (Backlash Inverse) trong [16] để khử rơ cho hệ thống
có độ rơ, đồng thời kết hợp một bộ điều khiển đáp ứng để cập nhật thông số của hàm
rơ ngược để đảm bảo tín hiệu của hệ thống vòng kín bị chặn. Kết quả mô phỏng lý
thuyết cho thấy tính hiệu quả của phương pháp này cao hơn so với các phương pháp
trước 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 được ghi nhận khá nhiều trong các nhà
máy do nước ngoài đầu tư và rải rác ở một số doanh nghiệp trong nước. 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 nước ngoài.
• Sử dụng robot đã qua sử dụng thu gom từ các nhà máy ở nước 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 nước.
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 như 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 nước như các sản phẩm
của chương trình robot hay tự động hóa của thành phố Hồ Chí Minh bao gồm robot lấy


sản phẩm nhựa, robot hàn, ... Đây chính là nguồn cung cấp chính các robot nội địa
cho sản xuất, hiện nay chưa có một doanh nghiệp chế tạo cũng như lắp ráp robot cho


:
(1.1)

Trong đó,

: góc xoắn,

Hàm vùng chết

: góc chuyển vị của trục.

được định nghĩa như sau:
| |

{

(1.2)

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

, moment trên trục cho bởi
(1.3)

với

[7,8]. Trường hợp này, định nghĩa góc
(



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:
(1.9)
{
Dựa trên các mô hình độ rơ đã liệt kê trên, các hướng điều khiển khử rơ được kể
đến như sau:
Điều khiển vận tốc hệ truyền động xét đến biến dạng trục và độ rơ (speed
control of elastic systems with internal backlash).
Điều khiển vị trí hệ truyền động xét đến biến dạng trục và độ rơ (position
control of elastic systems with internal backlash).
Điều khiển hệ truyền động xét đến độ rơ tại ngõ vào và độ rơ tại ngõ ra
(control of systems with backlash at the plant input or output).

các cấu điều khiển nhằm tăng chất lượng 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.



Chương 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHẢ
THI CHO HỆ THỐNG
2.1. Phân tích thiết kế bộ điều khiển
Đề tài hướng tới việc xây dựng các giải thuật có thể áp dụng đa dạng cho các
thiết bị điều khiển thông dụng, đặc biệt là trong môi trường máy gia công cơ khí ở Việt
Nam. Bộ điều khiển và phần cứng lắp đặt thêm phải hạn chế can thiệp vào kết cấu của
hệ thống sẵn có.
Các giả thiết và yêu cầu đặt ra:
Hành trình gia công yêu cầu được xác định trước khi bắt đầu điều khiển.
Độ rơ tại các khâu khác nhau của hệ thống có thể tổng hợp thành một hàm rơ
duy nhất về mặt toán học.
Kế thừa các kết quả nghiên cứu của Gang Tao và Kokotovic, đề tài đưa ra
phương án điều khiển như sau:
Phương án được đưa ra là vận dụng mô hình hàm rơ (Backlash) và hàm rơ ngược
(Backlash Inverse) theo [16] để khử rơ. Sau khi khử rơ, vẫn còn các sai số do việc khử
rơ không hoàn toàn, sai số do nhiễu hệ thống. Tất cả các sai số này được xử lý bằng
cách sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo hàm mẫu. Trong đó hàm mẫu là hàm
truyền ổn định nhất, được tổng hợp và xây dựng sau khi nhận diện hệ thống hàm tổng
sau khi khử rơ.

Hình 2.1. Mô hình giải thuật điều khiển của đề tài


2.1.1. Hàm rơ, hàm rơ ngược và phương pháp xác định hàm rơ


Hình 2.2. Đồ thị và ví dụ minh họa về hàm rơ
b) Hàm rơ ngược:
Tác dụng nghiêm trọng nhất của hàm rơ trọng một hệ thống là gây ra độ trễ về
thời gian và độ hao hụt về quỹ đạo đáp ứng tại các vị trí đảo chiều, khi điểm hoạt động
rơi vào các đường ngang trong đồ thị của hình 2.2. Ý tưởng của Gang Tao và
Kokotovic trong [16] là đưa ra một hàm rơ ngược để loại bỏ tác động này. Hàm rơ
ngược (Backlash Inverse) (ký hiệu là

) thỏa mãn điều kiện

, và

được biểu diễn theo hệ phương trình sau:

(2.2)

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


v
1


/m

ud
cl

/m

Hình 2.4. Đồ thị hàm Backlash Inverse hiệu chỉnh
c) Nhận dạng thông số hàm rơ:
Mô hình hàm rơ được Gang Tao đưa ra ở [16] là mô hình lý tưởng của hàm rơ.
Tuy nhiên, theo tổng hợp của Jozef Vörös trong [17], các hàm rơ vi mô của hệ truyền
động lại phức tạp hơn, và ảnh hưởng của các hàm rơ này xuất hiện không chỉ khi hệ
truyền động đảo chiều, mà ngay cả khi có sự thay đổi tốc độ truyền động. Để xác định