ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
DƯƠNG QUỲNH NHẬT
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ
HAI BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI
Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số
: 60520202
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2014
Luận văn được hoàn thành tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Đặng Danh Hoằng
Phản biện 1
: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà
Phản biện 2
: TS. Nguyễn Duy Cương
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại:
Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Vào 16 giờ 30 phút ngày 24 tháng 08 năm 2014.
Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên và thư viện trường
Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao
chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới. Hạn chế
trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích thước lớn và giá thành cao. Nhưng tương lai
gần, khi các nghiên cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự
thay thế vịng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phịng và
cơng nghiệp vũ trụ,... sẽ là điều tất yếu. Hiện nay các bộ điều khiển cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp
như khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn... Thực tế này là do phần
động lực học của các ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao. Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và nâng cao chất
lượng các bộ điều khiển để đảm bảo cho các hệ phi tuyến (trong đó có ổ đỡ từ) có khả năng hoạt động
tốt trong mọi chế độ làm việc được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Sau 2 năm được đào tạo thạc sỹ tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tôi đã được giao đề
tài luận văn tốt nghiệp là “Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do bằng bộ điều khiển
mờ thích nghi”.
Đề tài đã được hồn thành, ngồi sự nỗ lực của bản thân cịn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên
của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến TS.
Đặng Danh Hoằng, người đã ln quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tơi trong suốt
q trình thực hiện luận văn.
Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn này khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong
nhận được các ý kiến chỉ bảo của các thầy cô và của bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2014
Học viên
Dương Quỳnh Nhật
3
TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn được cấu trúc gồm 4 chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ
1.1.1. Ổ trục
1.1.2. Ổ đỡ từ
Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng khơng tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ
trường.
Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau nên ổ đỡ từ có những ưu điểm nổi bật
như sau mà ổ cơ khơng có được:
- Khơng có hao mịn khi vận hành
- Tăng hiệu suất của động cơ
- Thân thiện với môi trường
- Làm việc với tốc độ cao
- Loại bỏ các rung động khi chuyển động
- Khả năng làm việc trong mơi trường khắc nghiệt
Hình 1.3: Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ.
Tuy nhiên có nhược điểm: Giá thành cao và cần có điều khiển cho ổ từ.
* Tùy theo cách phân loại mà ta có các loại ổ đỡ từ khác nhau: Ổ đỡ từ ngang trục, dọc trục; ổ
đỡ từ chủ động, thụ động và siêu dẫn. Trong luận văn lựa chọn nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ chủ
động (AMB) 2 bậc tư do vì có đặc tính động tốt, lực nâng có thể điều chỉnh.
1.1.3. Nguyên lý làm việc cơ bản của ổ đỡ từ
Cấu trúc cơ bản của một AMB 1 bậc tự do như sau:
∼
Rotor được treo tự do tại một khoảng
cách tiền định x0 so với cơ cấu điện từ. Một
Cơ cấu chấp hành điện từ
Bộ biến
đổi
cảm biến vị trí tiếp xúc sẽ đo độ sai lệch giữa vị
trí mong muốn x0 so với vị trí thực của rotor x
Cơ cấu điện từ
và cung cấp thông tin này tới bộ điều khiển. Bộ
(Stator)
điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển vị trí đến
Bộ ĐK
một bộ khuếch đại cơng suất, tại bộ biến đổi tín
hiệu được chuyển thành dạng dịng điện để đưa
Rotor
Rot
or
Lực từ
fm
Trọng lượng rotor
mg
Sensor
đến cuộn dây của cơ cấu điện từ, tạo lực điện từ
Hình 1.8: Cấu trúc cơ bản của AMB 1 bậc tự do
như mong muốn đưa rotor về vị trí cân bằng.
1.1.4. Phân loại các kiểu treo từ tính
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
4
Mặc dù khái niệm về động cơ sử dụng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã
thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứu sinh trên cả nước trong đó có cả
trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Các vấn đề được nghiên cứu bao gồm:
- Nghiên cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường
- Các phương pháp điều khiển vòng bi từ
- Nghiên cứu chế tạo thu nhỏ kích thước cho động cơ nâng bằng vịng bi từ
- Tích hợp chức năng vòng bi từ dọc trục động cơ
- Điều khiển vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ
- Nghiên cứu ứng dụng nâng cao chất lượng điều khiển.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Từ năm 2003 đến nay, có thể quan tâm đến một số nghiên cứu về sử dụng các bộ điều khiển
hiện đại điển hình như sau:
(1). Trong nghiên cứu được cơng bố gần đây nhất (2009) [20], Chen và cộng sự đề xuất thay thế
bộ điều khiển PID truyền thống bằng độ điều khiển PID tự điều hướng mờ (self-tuning fuzzy PID type controller), nhằm giải quyết vấn đề rung động không cân bằng trong hệ thống ổ đỡ từ tích cực.
Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc giảm rung động cho hệ thống ổ đỡ từ tích
cực cũng như giảm dịch chuyển của trục rotor.
(2). Trong một cơng trình cơng bố năm 2008 [21], B.Lu và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử
dụng phương pháp điều khiển thay đổi tham số tuyến tính (Linear Parameter Varying – LPV) cho hệ
thống ổ từ tích cực. Mơ hình các thơng số khơng ổn định được xác định nhờ mạng nơ-ron nhân tạo.
Một hàm trọng số không ổn định được gần đúng hóa phục vụ cho việc điều khiển LPV. Các thí
nghiệm được tiến hành để kiểm chứng tính bền vững của các hệ điều khiển LPV làm việc với dải các
tốc độ quay khá rộng. Cách điều khiển này loại bỏ được địi hỏi về tuyến tính mở rộng ( gain
scheduling), đồng thời cho thấy kết quả tốt hơn so với điều khiển PID truyền thống ở tốc độ cao.
(3). Cũng trong năm 2008 [22], Z. Gosiewski và A. Mystkowski công bố nghiên cứu điều khiển
bền vững ổ đỡ từ đơn cực. Hệ điều khiển bền vững của rung động rotor cứng được thiết kế và kiểm
chứng bằng thí nghiệm. Một bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) được sử dụng để thực thi
giải thuật điều khiển. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ điều khiển cũng như tính bền vững
của bộ điều khiển được thiết kế…
Từ những phân tích ở trên cho thấy có thể ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để
điều khiển ổ đỡ từ nhằm mang lại những kết quả mong đợi. Có nhiều phương pháp điều khiển đã được
đề xuất theo các tài liệu [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]. Nếu coi ổ đỡ từ là đối tượng điều khiển thì bản
thân nó là phần tử động học không ổn định và mang tính phi tuyến cao.
5
Do đó, trong luận văn này tác giả đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển mờ thích nghi, áp
dụng để điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do nhằm cải thiện chất lượng cho hệ thống so với phương pháp
điều khiển PID kinh điển.
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Giới thiệu những nét cơ bản về ổ trục và ổ đỡ từ.
- Lựa chọn loại ổ đỡ từ cần nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động.
- Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ thích nghi để điều khiển ổ đỡ từ trong các hệ thống
truyền động điện.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ đỡ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về động
lực học ổ đỡ từ và mơ tả tốn học cho hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 2 bậc tự do.
6
CHƯƠNG 2: MƠ TẢ TỐN HỌC CHO Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO
2.1. Giới thiệu chung
Để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng ta cần xây dựng mơ hình tốn học mơ tả đối tượng.
Việc xây dựng mơ hình tốn càng chính xác thì việc điều khiển càng đạt chất lượng cao như mong
muốn.
Để thiết lập mối quan hệ động lực học cho ổ đỡ từ chủ động thì trước hết ta cần phân tích và
tính tốn cho từ thơng, từ trở, điện cảm, mật độ từ thơng, năng lượng tích lũy và lực từ theo các
phương chuyển dịch x, y của trục. Trên cơ sở đó xây dựng được mơ hình tốn cho AMB 2 bậc tự do.
2.2. Các thành phần mạch vòng điều khiển
2.3. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
2.3.1. Các mối quan hệ cơ bản
2.3.2. Cơ cấu chấp hành vi sai
2.3.3. Ổ từ chịu tải hướng tâm
2.3.4. Mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ hai bậc tự do
Từ hai phương trình biểu diễn lực hướng tâm qua cảm ứng từ và dịng điện:
S
2
2
F=
( B+ − B− )
(2.15)
2 µ0
F=
L0
π
cos ÷i 2
2g
8
(2.19)
Ta thấy, để điều khiển lực hướng tâm thì độ cảm ứng từ hoặc dịng điện phải được điều khiển.
Xác định dòng điện lợi hơn nhiều so với xác định độ cảm ứng từ vì:
- Xác định dịng điện có chi phí thấp hơn. Các sensor đó có thể được cài đặt trong bộ điều khiển
hiện có.
- Xác định từ thơng rất phức tạp và có thể rất đắt tiền.
Trong phần lớn các trường hợp, dòng điện tức thời được điều chỉnh để điều khiển lực hướng
tâm. Dễ nhận thấy là mối quan hệ giữa lực hướng tâm và cường độ dịng điện là phi tuyến. Khơng kể
đến ảnh hưởng của sự bão hoá từ, lực hướng tâm tỉ lệ với bình phương dịng điện. Trong thực tế, lực
hướng tâm khơng tỉ lệ với i2, mà nó tỉ lệ với i1.6. Ta biểu diễn lực hướng tâm như sau:
k i' 2
F1 = i1
4
(2.20)
k i' 2
i3
4
(2.21)
F3 =
Với k i =
'
2L0 cos(π / 8)
g
7
Để tuyến tính hố mối quan hệ giữa lực hướng tâm và phần tử dòng điện, các dòng điện cuộn
dây trong nam châm 1 và 3 được chia thành 2 thành phần, thành phần dòng điện phân cực I b và thành
phần dòng điện điều khiển lực từ ib:
i1 = Ib + ib
(2.22)
i3 = Ib - ib
(2.23)
Các dòng điện i1 và i3 là những giá trị dương. Do vậy, ib nên nhỏ hơn Ib. Lực hướng tâm tác
dụng lên trục theo chiều trục x là:
Fx = F1- F3
(2.24)
Thay (2.20) và (2.21) ta được một cơng thức tính lực từ đơn giản sau:
Fx = ki’Ibib
(2.25)
Từ đây thấy rằng lực hướng tâm tỉ lệ với dòng điện điều khiển lực i b khi dịng điện phân cực Ib
được giữ khơng đổi. Đặt ki = ki’Ib và ki được tham chiếu như là một hệ số lực - dịng điện
Lực từ có thể được biểu diễn dưới dạng:
Fx = ki ib
(2.26)
Hình 2.9 biểu diễn sơ đồ khối để điều khiển một dòng điện. Trong bộ điều khiển, đại lượng lực
hướng tâm điều khiển là Fx* và một thành phần dòng điện điều khiển là i b* được tạo ra, thành phần tỉ lệ
với lực điều khiển. Sau đó dịng điện điều khiển được tăng lên hoặc giảm bớt đi để giữ cho dòng điện
phân cực điều khiển Ib* không đổi dựa vào công thức (2.22) và (2.23). Các dòng điện điều khiển của
cuộn dây i1* và i3* được cung cấp cho các bộ điều khiển dòng điện, những bộ điều khiển này sinh ra
các dòng điện phù hợp với các yêu cầu trên. Như vậy, tổng của lực hướng tâm được sinh ra trong nam
châm 1 và nam châm 3 sẽ phụ thuộc vào lực hướng tâm tham khảo F x*.
*
x
F
1
k ilb
i*
b
+
*
1
i
+
i*
b
-
Bộ ổn dịng
i1
i3
+
Bộ ổn dịng
i
*
3
Hình 2.9: Sơ đồ cách thức điều khiển dịng điện
Sử dụng phép phân tích ở các phần trên, lực hướng tâm có thể được rút ra cho ổ đỡ từ chịu tải
hướng tâm là một hàm của đồng thời cường độ dòng điện i b và chuyển vị hướng trục x của rôto. Lực
hướng tâm Fx là tổng của các lực đó:
Fx = k i i bx + k x x
(2.27)
Với ibx là dòng điện điều khiển lực theo phương x. Hệ số lực – dòng điện và lực - chuyển vị
được tính như sau:
8
I π
ki = 2 L0 b cos
g
8
(2.28)
2
I
π
k x = 2L 0 b cos
g
8
(2.29)
2.5. Các tính chất điều khiển được của bộ treo từ tính
2.5.1. Lực kéo không cân bằng
2.5.2. Các nguyên tắc cơ bản
2.5.3. Phép phân tích lõi từ hình C và lõi từ hình chữ I
2.5.4. Hệ giảm chấn – khối lượng – lò xo tương đương
Từ các phân tích ta đưa ra cấu trúc điều khiển cho ổ đỡ từ như sau:
Wph1
ibx
(-)
Wđk
WCL
(+
)
Wkđ
1
1
1
m
s
s
x
Wph2
Hình 2.13 - Sơ đồ cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ
Trong đó:
ibx: Tín hiệu đầu vào của hệ thống
x:
Tín hiệu đầu ra của hệ thống
Wdk: Hàm truyền của bộ điều khiển
WCL: Hàm truyền của bộ chỉnh lưu
Wkđ: Hàm truyền của bộ khuếch đại
Wph1;Wph2: Hàm truyền phản hồi của bộ điều khiển và hàm phản hồi bên trong ổ từ.
m : khối lượng vật thể
kx
ibx
ki
+ F
x
+
ax
1
m
1
s
vx
1
s
Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống từ treo
sử dụng năng lượng từ theo một phương
9
x
Hình 2.14 biểu diễn một sơ đồ khối của (2.25) và hệ thống cơ khí. Lực hướng tâm được chia
cho khối lượng m, bởi vậy đầu ra của khối là gia tốc a x mà gia tốc này cũng chính là đầu vào của một
khối tích phân. s là tốn tử Laplace, do đó một khối 1/s chính là tích phân của đầu vào. Tích phân của
gia tốc là vận tốc hướng tâm của rơto υx. Tích phân của vận tốc là chuyển vị hướng tâm x. Khối lượng
m là khối lượng của vật thể được treo. Có thể thấy rằng k x tạo ra một chu kỳ phản hồi dương cũng là
nguyên nhân tạo ra hàm truyền không ổn định. Một sơ đồ khối tương tự có thể được vẽ cho các biến
theo trục y.
Hình 2.15 biểu diễn một sơ đồ cấu trúc hàm số truyền rút gọn của ổ đỡ từ.
ibx
ki
x
ms − k x
2
Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc rút gọn
Có thể thấy rằng hàm truyền là khơng ổn định bởi vì mẫu số ms 2-kx bị thiếu một số hạng thứ
nhất và bao gồm một số hạng âm -kx
Phương trình đặc tính:
ms2 – kx = 0
Nghiệm của phương trình đặc tính là: s1, 2 = ±
kx
m
Có thể thấy rằng hàm số truyền của ổ đỡ từ là khâu khơng ổn định vì có một nghiệm ở nửa phải
của mặt phẳng phức.
Để ổ từ làm việc ổn định thì phải sử dụng các biện pháp ổn định hóa bằng các khâu phản hồi âm
hoặc các khâu hiệu chỉnh.
2.6. Kết luận chương 2
Trong chương này ta đã mơ hình hóa các biểu thức tốn học của ổ đỡ từ và các cơ cấu chấp
hành liên quan. Ổ từ được mơ hình hóa thành hai hằng số lực đơn giản, được xác định đối với chuyển
vị và dòng điện.
Mặt khác, hàm truyền của ổ đỡ từ có bản chất là một hàm không ổn định bởi vậy trước khi thiết
kế bộ điều khiển mờ thích nghi, ta sẽ đi khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do bằng bộ
điều khiển PID trong chương 3.
10
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC TỰ DO
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong bộ điều khiển :
khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D).
P
uP
uI
I
e(t)
u(t)
uD
D
với u(t) = uP + uI + uD
e(t)
⇔
u(t)
Hình điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ sung hoàn
Khi sử dụng bộ 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) hảo của 3 trạng thái, 3 tính cách
khác nhau:
Phục tùng và làm việc chính xác (P)
Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)
Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)
Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO theo nguyên lý phản
hồi (feedback) như hình vẽ:
e(t)
x(t)
(-)
PID
u(t)
Plant
y(t)
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được mô tả:
1
de( t )
U( s )
1
u ( t ) = K P e( t ) + ∫ e( t ) dt + TD
⇒ WDK ( s ) = K ( s ) = K P 1 + T s + TD s
TI
dt
I
Việc xác định các thông số K P, TI, TD quyết định chất lượng hệ thống và ta có các phương pháp
thường gặp:
Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t)
Phương pháp thiết kế trên miền tần số
Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.
11
3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển ở miền tần số
3.1.3. Phương pháp thực nghiệm
3.2. Tổng hợp bộ điều khiển PID
3.2.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển
Từ hình 2.13 và 2.14 ta xây dựng được cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ theo phương x như hình 3.5:
Kx
ix
PID
1
1
1
m
Ki
s
s
x
Ksn
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x của ổ đỡ từ
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển
Bảng thông số của ổ đỡ từ 2 bậc tự do theo phương x:
Từ bảng số liệu, ta xác định được :
WCL =
1
1
K CL
22
=
= 0,318 ; K x = 15800 N / m ; K sn = 10000 v / m
; WKD = Ki = 2 ; =
TCL s + 1 0.0017 s + 1
m 3,14
Với thông số của ổ đỡ từ như trên, ta đi thiết kế bộ điều khiển cho ổ đỡ từ theo
phương x. Sử dụng phương pháp thiết kế bằng thực nghiệm [5], ta có được tham số của bộ điều khiển:
Kp = 3 ; Ki = 50 và KD = 0,035
3.2.3. Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink
12
Sơ đồ mơ phỏng như trên hình 3.8, chi tiết như trên hình 3.9, 3.10 và 3.11:
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng điều khiển theo phương x của ổ đỡ từ
- Kết quả mơ phỏng
+ Trường hợp khơng có nhiễu tác động:
-4
5
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
x 10
xdat
xPID
4
x ( m )
3
2
1
0
-1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
t(s)
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Hình 3.7: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ khi lệch tâm theo x 0,4 mm
-4
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
x 10
xdat
xPID
8
7
x ( m )
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
0
0.05
0.1
0.15
0.2
t(s)
0.25
0.3
0.35
0.4
Hình 3.8: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ khi lệch tâm theo x 0,7 mm
-4
6
x 10
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
xdat
xPID
5
x ( m )
4
3
2
+ Trường1hợp có nhiễu tác động:
13
0
-1
-2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
t(s)
Hình 3.9: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ khi lệch tâm theo x 0,4 mm
-4
8
x 10
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
xdat
xPID
7
6
x ( m )
5
4
3
2
1
0
-1
-2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
t(s)
Hình 3.10: Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ khi lệch tâm theo x 0,7
mm
* Nhận xét kết quả mô phỏng
Từ kết quả mô phỏng cho thấy khi sử dụng bộ điều khiển PID dao động xung quanh tâm của
rotor với biên độ khoảng 0.04mm đến 0.07mm (Được thể hiện trên các hình 3.7 đến hình 3.10). Ngồi
ra, bộ điều khiển vẫn làm việc ổn định khi có nhiễu tác động (hình 3.9 và 3.10).
3.3. Khảo sát chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm
3.3.1. Cấu trúc hệ thống thí nghiệm
Hình 3.11: Hệ thống thí nghiệm ổ đỡ từ 2 bậc tự do
14
Hình 3.12: Hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ
Hình 3.13: Card DSP 1104
Hình 3.14: Mạch điều khiển
Hình 3.15: Khối kết nối tín hiệu vào ra
3.3.2. Kết quả thí nghiệm
Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 2000 v/ph: Tham số bộ điều khiển Kp=30.000; Kd = 0.085.
15
Hình 3.16: Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo phương x và y
Hình 3.17: Đồ thị tốc độ động cơ
Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 8000 v/ph: Tham số bộ điều khiển Kp = 30.000; Kd = 0.06
Hình 3.20: Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo phương x và y
Hình 3.21: Đồ thị tốc độ động cơ
* Nhận xét:
Từ các kết quả thí nghiệm trên các hình 3.16 đến hình 3.21 cho thấy hệ thống truyền động sử
dụng ổ đỡ từ 2 bậc tự do làm việc ổn định với bộ điều khiển PID tương tự như mơ phỏng đó là đáp
ứng của hệ xác lập ở vị trí trong phạm vi cho phép để trục quay được với tốc độ cao với khe hở danh
định là 2 mm. Qua thí nghiệm cũng cho thấy với thơng số bộ điều khiển PID hợp lý và hệ làm việc ở
tốc độ cao (8000v/ph) thì chất lượng làm việc của hệ rất tốt thể hiện trên hình 3.20.
16
3.4. Kết luận chương 3
Chương 3 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan và các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID.
- Thiết kế được bộ điều khiển PID để điều khiển độ dịch chuyển theo phương x của ổ đỡ từ 2
bậc tự do (phương y cũng sẽ tương tự).
- Đánh giá chất lượng của hệ thống qua mô phỏng trong các trường hợp khơng có nhiễu và có
nhiễu tác động.
- Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển PID qua kết quả thực nghiệm.
17
CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC
TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
4.1. Tổng quan về hệ logic mờ và điều khiển mờ
4.1.1. Hệ logic mờ
4.1.2. Bộ điều khiển mờ
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu
4.2.1. Đặt vấn đề
4.2.2. Mơ hình tốn học của bộ điều khiển mờ
4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu
Theo tài liệu [2], ta có 2 phương pháp điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu đó là thích
nghi theo mơ hình mẫu song song và thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng. Trong luận văn này
tác giả chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng.
Xét một đối tượng kinh điển được mô tả bởi phương trình:
dy
= −ay + bu
dt
(4.21)
Mơ hình mẫu có phương trình:
dy m
= −a m y m + b m u c
dt
Tín hiệu điều khiển :
(4.22)
u = K1uc - K2y
với sai số ε = ym - y
Biểu thức ε chứa tham số điều chỉnh. Ta cần tìm ra cơ cấu thích nghi để điều chỉnh các tham số
K1 và K2 tới giá trị mong muốn sao cho sai số ε tiến tới 0. Để tìm ra cơ cấu thích nghi này ta có thể
dùng lý thuyết ổn định Liapunov hoặc phương pháp Gradient sau:
+ Luật thích nghi theo Lyapunov
Giả thiết bη > 0 và chọn hàm Lyapunov có dạng:
1
1
1
2
2
V( ε, K1 , K 2 ) = ε 2 + ( − bK 2 − a + a m ) + ( − bK1 + b m )
2
bγ
bγ
thì theo luật điều chỉnh các tham số K1, K2 để cho ε→0 là:
dK1
= γu c ε
dt
;
dK 2
= − γyε
dt
(4.23)
Nếu chỉ có một tham số biến thiên, luật điều chỉnh thích nghi tham số (4.23) trở thành:
18
dK
= γu c ε
dt
(4.24)
+ Luật thích nghi theo Gradient
Giả thiết
K
là một véc tơ tham số cần được xác định, và phụ thuộc giữa sai lệch đầu ra của đối
tượng (y) và đầu ra của mơ hình (ym). Tiêu chuẩn sai lệch đáp ứng của hệ được chọn:
1
J( K ) = ε 2 → 0
2
thì quy luật điều chỉnh
K
(4.25)
theo hướng của Gradient của J là:
dK
∂J
∂ε
∂y
= −γ
= − γε
= γε
dt
∂K
∂K
∂K
(4.26)
* Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng.
Bộ điều khiển mờ 2 đầu vào với hệ số khuếch đại đầu ra K, có thể được biểu diễn như là F.e
cộng thêm một giới hạn trễ T như biểu thức (4.27) (hình 4.20) giới hạn trễ T sẽ tiến tới 0 khi hệ thống
tiến đến điểm cân bằng [2, 3].
u = K (T + Fe)
(4.27)
Ta áp dụng phương pháp Lyapunov hoặc phương
e
pháp Gradient để chỉnh định thích nghi hệ số khuếch đại
đầu ra K của bộ điều khiển mờ.
T
F
K
u
Hình 4.20: Bộ điều khiển mờ với
hệ số khuếch đại đầu ra K
Thích nghi mờ theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng (FMRAFC – Feedforward Model Reference
Adaptive Fuzzy Controller). Xét cấu trúc điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu kiểu truyền
thẳng được biểu diễn trên hình 4.21.
Trong đó đối tượng điều khiển có hàm truyền G, mơ hình mẫu có hàm truyền G m, bộ điều khiển
mờ bao gồm bộ điều khiển mờ cơ bản kết hợp với bộ khuếch đại K. Cần phải tìm ra quy luật điều
chỉnh hệ số K sao cho sai lệch giữa mơ hình và đối tượng tiến đến 0 ( ε → 0 )
Cơ cấu
thích nghi
ε
uc
Mơ hình
mẫu Gm
T
ym -
K
F
FL
C
Đối tượng
G
Hình 4.21: FMRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra
19
y
Với luật điều chỉnh thích nghi cho hệ số khuếch đại đầu ra của FLC theo Liapunov có thể xác
định từ (4.24):
Vì uc của (4.24) chính là ym nên ta được luật điều chỉnh:
K = γy m ε
(4.28)
Với hệ số γ trong (4.28) nói lên tốc độ hội tụ của thuật tốn thích nghi.
4.3. Khảo sát bằng mơ phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mơ phỏng
Hình 4.22: Sơ đồ mơ phỏng theo phương pháp thích nghi và phương pháp
PID
Trong đó bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu có cấu trúc:
Hình 4.23: Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi kiểu truyền
thẳng
4.3.2. Kết quả mơ phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ thích nghi với bộ điều khiển PID
+ Trường hợp khơng có nhiễu tác động:
-4
5
x 10
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
xMo
xdat
xPID
x ( m )
4
3
2
1
0
-1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
t(s)
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Hình 4.24: Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ khi bị lệch tâm 0,4mm
20
x 10
-4
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
xMo
xdat
xPID
8
7
x ( m )
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
0
0.05
0.1
0.15
0.2
t(s)
0.25
0.3
0.35
0.4
Hình 4.25: Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ khi bị lệch tâm 0,7mm
+ Trường hợp có nhiễu tác động:
x 10
6
-4
Dap ung do dich chuyen theo phuong x c ua o do tu
xMo
xdat
xPID
5
x ( m )
4
3
2
1
0
-1
-2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
t(s )
Hình 4.26: Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ khi bị lệch tâm 0,4mm
-4
8
x 10
Dap ung do dich chuyen theo phuong x cua o do tu
xMo
xdat
xPID
7
6
x ( m )
5
4
3
2
1
0
-1
-2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
t(s)
Hình 4.27: Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ khi bị lệch tâm 0,7mm
* Nhận xét
Từ các kết quả mơ phỏng trên các hình 4.24 đến hình 4.27 cho thấy bộ điều khiển mờ thích
nghi đã cải thiện được chất lượng so với bộ điều khiển PID (độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ
ngắn hơn). Điều này cho thấy tính đúng đắn của thuật toán điều khiển và với phương pháp điều khiển
mờ thích nghi sẽ đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho
ổ đỡ từ.
4.4. Kết luận chương 4
Chương 4 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ.
21
- Đề xuất bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm cải thiện chất lượng điều khiển.
- Mô phỏng hệ thống.
- Đánh giá chất lượng bộ điều khiển mờ thích nghi so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng
Matlab/Simulink.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Nội dung cơ bản của luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng các phương pháp điều khiển
để điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do. Nhiệm vụ cụ thể là Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai
bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi.
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ
Chương 2: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động hai bậc tự do
Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do sử dụng bộ điều khiển PID
bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ
thích nghi.
Kết quả của luận văn đã đạt được là:
- Thiết kế được bộ điều khiển cho ổ đỡ từ hai bậc tự do bằng bộ điều khiển PID, tiến hành đánh
giá kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm. Với kết quả này cho thấy tính đúng
đắn của thuật toán điều khiển đã được thiết kế để điều khiển hệ thống.
- Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển bằng việc thiết kế được bộ điều khiển mới đó là: Bộ
điều khiển mờ thích nghi. Với kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điều khiển tốt hơn so với bộ điều
khiển PID (kể cả khi có nhiễu tác động).
2. Kiến nghị
Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức và kinh nghiệm về thực tiễn có hạn, cho nên nội dung
luận văn còn một số hạn chế. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để có thể áp dụng tốt kết quả
nghiên cứu vào cơng tác chuyên môn sau này, nhất là áp dụng các bộ điều khiển hiện đại vào các đối
tượng trong thực tế sản xuất.
22
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động
truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[2] Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở logic mờ và thích
nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
[3] Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ, in lần thứ 3 có sửa
chữa bổ sung , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4] Nguyễn Doãn Phước, Phân tích và điều khiển hệ phi tuyến, NXB Bách khoa, 2012.
[5] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Xưởng in ĐHTC - Đại học Bách
khoa Hà Nội.
[6] Nguyễn Doãn Phước & Phan Xuân Minh & Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi
tuyến, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[7] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.
[8] Nguyễn Thị Thanh Bình (2012), Cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ, Luận án tiến sĩ kỹ
thuật, Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Tiếng Anh
[9] Akira Chiba, adashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu Takemoto and David
G. Dorrell, “Magnetic Bearings and Bearingless Drives”, Newnes, 2005.
[10] J.Schmied “Experience with magnetic bearings support in gas pipeline compressor”, Proc. Of the
10th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2006, Martigny, Switzerland, pp. 292297.
[11] M. Neff, N. Barletta and R. Schoeb “Bearingless Centrifugal Pump for Highly Pure Chemicals”,
Proc. Of the 8th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2002, Mito, Japan, pp.283287.
[12] T. Shinshi et al., “A Mini-Centrifugal Blood Pump Using 2-DOF Controlled Magnetic Bearing”
Proc. Of the 11th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2008, Nara, Japan, pp. 274279.
[13] O. Masahiro et al, “Miniaturized Magnetically Levitated Motor for Pediatric Artificial Heart”,
Proc. Of the 12th International Symposium on Magnetic Bearing, August 2010, Wuhan, China, pp.674679
23
[14] Li Dong et al., “Principle Test of Active Magnetic Bearings for the Helium Turbomachine of
HTR-10GT”, Proc. Of the 12th International Symposium on Magnetic Bearings, August 2010, Wuhan,
China, pp. 594-601.
[15] Quang Dich Nguyen and Satoshi Ueno, “Analysis and Control of Non-Salient Permanent Magnet
Axial-Gap Self-Bearing Motor”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. PP, No. 99, pp. 1-8,
2010 (early access).
[16] Quang Dich Nguyen and Satoshi Ueno, “Modeling and Control of Salient-Pole Permanent
Magnet Axial Gap Self-Bearing Motor”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. PP, No. 99,
pp. 1-9, 2010 (early access).
[17] Quang Dich Nguyen, Satoshi Ueno, Ritsumeikan University, “Control of 6 Degrees of Freedom
Salient Axial-Gap Self-Bearing Motor”, ISMB-12.
[18] Do K.D., D.H. Nguyen, T.B. Nguyen “Nonlinear Control of Magnetic Bearings”, Journal of
Measurement Science and Instrument, Vol. 1, No. 1, 2010, pp.10-16.
[19] Hannes Bleuler EPFL Lausanne Switzerland, Conference Chair, “20 years: Then, Now, Future”,
Eleventh International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB-11).
[20] Chen, K.-Y. et al., A self-tuning fuzzy PID-type controller design for unbalance compensation in
an
active
magnetic
bearing,
Expert
Systems
with
Applications
(2009),
doi:10.1016/j.eswa.2008.10.055.
[21] B. Lu et al, Linear para metter – varying techniques for control of a magnetic bearing system,
Control Engineering Practice 16 (2008) 1161-1172.
[22] Z. Gosiewski, A. Mystkowski, Robust control of active magnetic suspension: Analytical and
experimental results, Mechanical Systems and Signal Processing 22 (2008) 1297–1303.
[23] T.M. Lim, D. Zhang, Control of Lorentz force-type self-bearing motors with hybrid PID and
robust model reference adaptive control scheme, Mechatronics 18 (2008) 35–45.
[24] H. –Y. Kim, C. –W. Lee, Design and control of active magnetic bearing system with Lorentz
force – type axial actuator, Mechatronic 16 (2006) 13-20.
[25] I.S Cade et al, Rotor/active magnetic bearing system with Lorentz force – type axial actuator,
Journal of Sound and Vibration 302 (2007) 88-103.
[26] M.O.T. Cole et al, Towards fault-tolerant active control of rotor-magnetic bearing system,
Control Engineering Practice 12 (2004) 491-501.
[27] J. Shi et al, Synchronous disturbance attenuation in magnetic bearing systems using adaptive
compensating signals, Control Engineering Pratice 12 (2004) 283-290.
24
