ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ HIỀN
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ
4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH
THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN, 2014
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Đặng Danh Hoằng
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
Phản biện 2: PGS.TS.Bùi Quốc Khánh
Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Vào hồi 13 giờ 15, ngày 19 tháng 4 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Hiện nay ổ đỡ từ được sử dụng trong những hệ truyền động
tốc độ cao, đây là một trong những sản phẩm công nghệ chứa đựng
nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ
thân thiện với môi trường. Nhưng trong tương lai không xa, khi các
nghiên cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá
thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ khí để làm việc ở các
lĩnh vực công nghiệp sẽ là điều tất yếu.
Việc điều khiển ổ đỡ từ đảm bảo chất lượng trong những
điều kiện làm việc nhất định là hết sức cần thiết. Vì vậy mục tiêu của
đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ
chỉnh định tham số bộ
điều khiển PID nhằm cải thiện chất lượng cho ổ đỡ từ.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do, sau
đó đưa mô hình đó về dạng mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm
làm việc.
- Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bằng bộ điều khiển PID.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều
khiển PID.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ
Chương 2: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do
Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự
do sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ 4
bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
Kết luận và kiến nghị
2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ
1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ
1.1.1. khái niệm ổ trục
Ổ trục là một chi tiết máy thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Nó
có 2 dạng chính là ổ lăn (vòng bi, ổ bi) và ổ trượt.
1.1.2. Ổ đỡ từ
Sơ lược sự phát triển ổ đỡ từ
Xuất phát từ ý tưởng về việc treo một vật bằng từ trường đã
được đặt ra từ giữa những năm 1842 trong bài báo của Earnshaw
(On the nature of molecular forces), cho đến năm 1934 Braunbeck
mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những hoạt động sản
xuất công nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập
đoàn S2M ở Vernon, Pháp. Sau đó đã có rất nhiều thí nghiệm và các
ứng dụng thực tế của ổ từ đã trở thành hiện thực từ những năm 1960.
Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng
và phát triển trong sản xuất công nghiệp. Từ những năm 1988 trở lại
đây, do sự phát triển mạnh mẽ trong công nghệ điều khiển, cả về
phần cứng lẫn phần mềm cũng như những đột phá về kỹ thuật vật
liệu và công nghệ chế tạo cơ khí, góp phần làm giảm kích thước,
độ phức tạp cũng như giá thành của ổ từ. Điều đó, đã tạo cơ hội cho
việc phát triển sử dụng ổ đỡ từ trong công nghiệp và trong các dụng
cụ cao cấp của y sinh học. Tính đến năm 2010, đã tổ chức được 12
hội nghị khoa học quốc tế về ổ đỡ từ [18].
Định nghĩa
Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc
các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường, được thể hiện trên như
hình 1.5.
Phân loại ổ đỡ từ [8]
3
- Theo chức năng: Ổ đỡ từ ngang trục và ổ đỡ từ dọc trục
như hình 1.6.
- Theo cấu tạo: ổ đỡ từ chủ động, ổ đỡ từ bị động và ổ đỡ từ
siêu dẫn.
Ứng dụng của ổ đỡ từ
Ổ đỡ từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
(1). Trong lĩnh vực Công nghệ bán dẫn
(2). Trong lĩnh vực Công nghệ sinh học
(3). Trong lĩnh vực Công nghệ chân không
(4). Trong lĩnh vực kỹ thuật công nghệ chính xác
(5). Trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng
(6). Trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không
(7). Trong lĩnh vực động lực học (máy nổ, máy phát,
turbin).
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Nghiên cứu về sử dụng các bộ điều khiển hiện đại
4
Chương 2
MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG
4 BẬC TỰ DO
2.1. Khái quát chung
Một hệ thống điều khiển nói chung cần phải xây dựng cấu
trúc điều khiển với bộ điều khiển và đối tượng cần điều khiển.
Để thiết kế được một bộ điều khiển cho đối tượng, thì cần
thiết phải xây dựng được một mô hình toán học mô tả bản chất vật lý
của đối tượng. Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng
các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần
phải xây dựng. Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về đối
tượng điều khiển, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ
phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị
thực. Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của
một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa
giải pháp vào triển khai.
Mô hình toán học là hình thức biểu diễn lại những hiểu biết
của ta về quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t) của một hệ
thống nhằm phục vụ mục đích mô phỏng, phân tích và tổng hợp bộ
điều khiển cho hệ thống sau này. Không thể điều khiển hệ thống nào
đó nếu như không biết gì về nó cả.
Mô hình của đối tượng dưới dạng toán học được gọi là mô
hình danh định. Do vậy, có thể nói rằng, một hệ thống điều khiển
danh định là được thể hiện dưới dạng các phương trình toán học. Từ
đây, ta nhận thức được rằng mô hình hóa đối tượng dưới dạng các
phương trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong phân tích
hệ thống và thiết kế bộ điều khiển. Việc mô tả toán học cho đối
tượng càng sát với mô hình vật lý thì việc điều khiển nó càng đạt
5
chất lượng cao như mong muốn. Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế
bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều với các đối
tượng không ổn định và có tính phi tuyến cao [4].
Ổ đỡ từ trước hết đó là chi tiết máy thuộc kỹ thuật cơ khí, nó
đỡ cho các trục chuyển động quay và tịnh tiến. Mặt khác nó lại là
một thiết bị điện có điều khiển. Cụ thể, về cấu tạo nó giống như một
động cơ điện có stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên stator
được xẻ rãnh để đặt dây quấn, rotor được chế tạo bằng vật liệu từ
tính bao bên ngoài trục chuyển động, nhưng về nguyên lý làm việc
thì ổ đỡ từ lại như một nam châm điện thay vì tạo mô men quay cho
trục thì nó lại tạo ra các lực chuyển dịch trục theo phương x và y, các
lực này được điều chỉnh tự động nhằm duy trì khe hở giữa stator và
rotor xung quanh giá trị danh định. Để thiết lập được mối quan hệ
động lực học của ổ đỡ từ chủ động thì trước hết phải phân tích và
tính toán được từ thông, từ trở, điện cảm, mật độ từ thông, năng
lượng từ tích trữ và lực từ theo các phương chuyển dịch (x, y) của
trục. Trên cơ sở đó, xây dựng được mô hình toán học của AMB.
2.2. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường
Trong công nghệ nâng bằng từ trường, các phần tử điện từ
gây ra từ thông khép kín trong một mạch vòng từ. Khi phân tích
những mạch vòng từ như vậy, việc tính toán chính xác từ trường
thường là không khả thi và không thực sự cần thiết [8]. Thông
thường các phương pháp phân tích xấp xỉ hóa dựa vào một số giả
thiết chẳng hạn như: từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ
(không có từ thông tản), ngoại trừ trong khe hở không khí. Vì độ
thẩm từ của vật liệu sắt từ μ = μ
0
μ
r
lớn hơn nhiều so với độ thẩm từ
không khí, các đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu sắt từ gần
như vuông góc với bề mặt của nó.
2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ
6
Lực từ động (Magnemotive Force - MMF) được cho bởi
công thức sau [8]:
0 0
( )
C I fe a
Hdx l l H + 2x H = Ni = R
(2.3)
trong đó, R biểu diễn cho tổng từ trở; Ψ là từ thông chạy trong mạch
từ tương đương tại hình 2.2; Mật độ từ thông và cường độ từ trường
liên hệ với nhau qua:
0
r
B H
(2.4)
Khi mật độ từ thông B trong lõi sắt từ và khe hở không khí là
như nhau, thay thế (2.4) vào trong (2.3) ta có:
0
0 0
( ) 2
C I
r
B B
l l x Ni
(2.5)
Giải phương trình (2.5) đối với B ta sẽ có:
C I
r
Ni
B
l l
x
0
0
2
(2.6)
Giả thiết không có từ thông dò:
a fe
a
C C I
r r a r
S Ni
Ni
x l l l l
x
S
0
0 I
0
0 0 0
2
1
2
(2.7)
7
2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ
Hình 2.2 biểu diễn một mạch điện biến đổi tương đương cho
mạch từ của cơ cấu điện từ trong Hình 2.1. Các thành phần sức từ
động, từ thông, từ trở và mạch từ không đổi được xem xét tương ứng
như các thành phần điện áp, dòng điện, điện trở và nguồn một chiều
(DC) trong mạch điện. Sự khác biệt chính đó là từ trở là một thành
phần tích trữ năng lượng chứ không phải là thành phần tiêu tán năng
lượng. Nguồn “DC” –
Ni
biểu diễn cho sức từ động do dòng điện
trên cuộn dây sinh ra.
2.2.3. Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép
Khi quan tâm đến năng lượng từ W
a
được tích trữ trong một
thể tích khe hở không khí của hệ thống, V
a
= 2x
0
S
a
; S
a
được giả thiết
là vùng chiếu của bề mặt cực, ta có thể dẫn ra được lực từ tại một
chuyển dịch bất kỳ. Trường hợp từ trường tại khe hở không khí là
đồng nhất, như thể hiện trong Hình 2.2, năng lượng tích trữ W
a
được
tính toán theo công thức [17]:
a I C
a a a
r r
B l l
B dV x S
2
2
a 0
0 0
1
W 2
2 2
(2.14)
Từ (2.2), ta tính B = Ψ/S
a
, sau đó thay vào trong (2.14) ta có:
2 2
0 a
a
C I
0
r r
S N i
1
W
2
l l
2x
(2.15)
Lực tác động lên vật thể sắt từ (μ
r
>> 1) được tạo ra bởi sự
biến đổi năng lượng từ trường trong khe hở không khí. Lực này là
một hàm số của độ chuyển dịch vật thể.
8
Khi khe hở không khí x
0
tăng lên một lượng δx
0
, thể tích V
a
=
2x
0
S
a
sẽ tăng lên, và năng lượng từ trường cũng tăng lên một lượng
bằng dW
a
. Nếu vật thể bị dịch chuyển đi một lượng δx thì một lực
điện từ F bằng với vi phân từng phần của năng lượng từ trường với
khe hở không khí được sinh ra [15]:
2 2 2 2
a 0 a 0 a
2 2
0
C I C I
0 0
r r r r
W 2 S N i S N i
1
F
x 2
l l l l
2x 2x
2.2.4. Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép
Đối với các vật liệu sắt từ có
r
>>1 thì từ hóa của sắt từ
thường được bỏ qua. Khi không kể đến ảnh hưởng của độ từ hóa của
vật liệu sắt từ, và giả thiết
I
l
,
C
l
là nhỏ, thành phần
C I
r r
l l
được
bỏ qua.
Lực điện từ được tạo ra trong biểu thức (2.16) sẽ là:
2
2 2
2 2
0 a 0 a 0 a
2 2
0 0 0
Ni 1 i i 1
F S N S K ; K N S
2x 4 x x 4
(2.17)
2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ
AMB
Khi khe hở không khí thay đổi một lượng x so với vị trí ban
đầu là x
0
do dòng điện đầu vào thay đổi một lượng i so với dòng điện
phân cực i
0
. Lực hấp dẫn F của cơ cấu điện từ trong (2.17) có thể
được biểu diễn như sau:
9
2
0
2
0
i i
F K
x x
(2.18)
Phương trình (2.18) được viết thành:
2 2
2
0
2
0 0
0
i
x i
F K 1 1
x i
x
(2.19)
Sử dụng phương pháp khai triển Taylor theo cho (2.19) ta
có:
2
2 3 2
0
2 2 3 2
0 0 0 0 0 0
i
x x x i i
F K 1 2 3 4 1 2
x x x x i i
(2.20)
2.3. Xây dựng mô hình toán của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ
đỡ từ 4 cực
2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ đỡ từ hiện nay và hướng nghiên cứu
Như ở Chương 1 đã trình bày, cấu trúc của ổ đỡ từ chủ động
gồm hai bộ phận là rotor và stator, rotor của ổ đỡ từ thường được gắn
trực tiếp vào trục cần nâng còn stator thì gồm nhiều nam châm điện
được bố trí theo nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp bố
trí cực từ hiện nay được phân thành ba loại chính là loại ba cực, loại
bốn cực và loại tám cực như được minh họa trong Hình 2.3 a,b,c.
2.3.2. Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do
Hình 2.4 mô tả sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng
vật chuyển động sử dụng ổ đỡ từ. Để đảm bảo vật nâng chuyển động
ổn định thì hệ sử dụng hai ổ đỡ từ ngang trục. Mỗi ổ đỡ từ ngang trục
sẽ tạo ra các lực nâng ngang trục theo các phương vuông góc với
10
nhau là x và y. Các lực nâng này được điều khiển bởi hệ thống phản
hồi vòng kín để đảm bảo vị trí của trục nâng nằm chính giữa lõi
stator. Ổ từ ngang trục phía trái sẽ kiểm soát hai vị trí theo phương x
1
và y
1
, còn ổ đỡ từ ngang trục phía phải sẽ kiểm soát hai vị trí theo
phương x
2
và y
2
. Như vậy các ổ đỡ từ sẽ kiểm soát 4 bậc tự do cho
vật nâng.
2.3.3. Xây dựng mô hình toán học
2.3.4. Các đặc tính động lực học của ổ từ 4 bậc tự do
2.3.4.1. Quan hệ giữa sức từ động và dòng điện stator ( λ = ψ.N
hoặc λ = L.i)
Đường cong bão hoà mạch từ chính xác phụ thuộc vào các loại
thép silic. Những thông tin này sẽ được các nhà sản xuất thép cung
cấp. Với kích thước khe hở không khí nhỏ, đường cong
/i là phi
tuyến, nếu khe hở không khí lớn sẽ làm cho đường cong mang đặc
tính tuyến tính nhiều hơn do từ trở của mạch sẽ tăng (chủ yếu là tăng
từ trở của khe hở không khí), thậm chí tại giá trị cường độ dòng điện
cao thì nó cũng không bị bão hoà. Khi tính toán ta giả thiết:
- Lõi sắt từ có đặc tính tuyến tính nghĩa là có độ dẫn từ không đổi;
- Độ dẫn từ của sắt cao, bởi vậy từ trở của lõi sắt từ rất nhỏ có
thể bỏ qua.
Tuy nhiên, trong
một số trường hợp, từ trở
của lõi từ cần được xét
đến. Chẳng hạn một mạch
từ có khe hở rất nhỏ nhưng
đường sức lại dài, từ trở
của lõi sắt từ rất cao. Trong
trường hợp này, mối quan
hệ giữa sức từ động (từ
Hình 2.9:
λ = f(i)
ở
các khe h
ở
k
hông khí
khác nhau
11
thông vòng) và cường độ dòng điện là phi tuyến. Ví dụ, để đạt được
0
, cường độ dòng điện i
0
, i
1
, và i
2
cần tương ứng với x
0
= 0, x
1
và
x
2
. Để giảm tổn hao đồng và kích cỡ cuộn dây, kích thước khe hở
không khí thường được chế tạo ở mức nhỏ nhất có thể ( 0,5 mm)
hình 2.9.[8]
2.4. Mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc
Dựa vào Hình 2.7, căn cứ thực tế các giá trị của độ dịch
chuyển
x y
1 1
,
và
x y
2 2
,
thường nhỏ hơn rất nhiều so với khe hở không
khí tại vị trí cân bằng x
0
, do đó các lực nâng này có thể được viết như
sau:
2
0 0
1 1 1 1 1
2 3
0 0
2
0 0
2 2 2 2 2
2 3
0 0
2 2
2 2
p p
x x a x n
p p
x x a x n
SH N SH
F i x K i K x
x x
SH N SH
F i x K i K x
x x
(2.32a)
2.6. Kết luận chương 2
(1) Xây dựng được mô hình toán học của ổ đỡ từ dưới dạng
mô hình tuyến tính hoá.
(2) Từ mô hình toán học được xây dựng (2.34) sẽ là cơ sở cần
thiết để thiết kế được bộ điều khiển phù hợp cho hệ ổ đỡ từ 4 bậc tự
do trong các chương tiếp sau.
12
Chương 3
KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC
TỰ DO SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG
VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Tổng hợp 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
I
D
u(t)
u
P
u
I
u
D
e(t)
3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
3.1.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols
*. Phương pháp 1
3.1.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
3.1.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng không có
độ quá điều chỉnh, ổn định và động học hình chữ s (đối tượng 3.1).
Với:
3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
3.1.2.1. Nguyên tắc thiết kế
13
Một hệ thống điều khiển được mô tả:
W
đk
(s)
y(t)
u(t)
(-)
W
đt
(s)
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Bài toán đặt ra điều khiển sao cho tín hiệu ra phải bám được
tín hiệu vào u(t). Nếu một cách lý tưởng thì hàm truyền hệ kín:
3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID
3.2.1. Xây dựng hệ điều khiển
Từ mô hình (2.34) động lực học của trục rotor được viết lại
như sau:
x a xs n
a a
x x x a xd n x
y a ys n
a a
y y y a yd n y
F mx K i K x
h h
T J K i K
F my K i K y
h h
T J K i K
2
2
2
2 2
2
2 2
(3.13)
.
3.2.2. Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink
Sử dụng bộ điều khiển
1
x
R
và
1
ix
R
để mô phỏng cho hệ (2.34).
Sơ đồ mô phỏng như trên hình 3.8, chi tiết như trên hình 3.9, 3.10:
Nhận xét: Ổ đỡ từ là khâu động học không ổn định. Khi sử
dụng mô hình điều khiển 2 mạch vòng (mạch vòng vị trí và mạch
vòng tốc độ), ta thấy quỹ đạo chuyển động của hệ AMB1 dao động
xung quanh tâm của rotor với biên độ lớn nhất khoảng 0.08mm
14
(Hình 3.11a, b và 3.12a, b). Ngoài ra bộ điều khiển vẫn làm việc ổn
định khi có nhiễu tác động (hình 3.15 và 3.16).
3.3.2. Kết quả thí nghiệm
Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 3000 v/ph: Tham số bộ điều
khiển K
p
=35.000; K
d
=0.080.
Hình 3.22: Đồ thị tốc độ động cơ
Hình 3.23: Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x
15
Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 6000 v/ph: Tham số bộ
điều khiển K
p
=35.000; K
d
=0.080.
Hình 3.24: Đồ thị tốc độ động cơ
Hình 3.25: Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x
Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 8000 v/ph: Tham số bộ điều khiển
K
p
=40.000; K
d
= 0.070
16
Hình 3.26: Đồ thị tốc độ động cơ
Hình 3.27: Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x
Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm ở các hình 3.22 đến hình 3.27
cho thấy hệ thống làm việc ổn định với điều khiển PID tương tự như
mô 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 thông số bộ điều khiển PID
hợp lý và hệ làm việc ở tốc độ cao (8000v/ph) thì chất lượng làm
việc của hệ là rất tốt thể hiện trên hình 3.27.
17
3.5. Kết luận chương 3
Chương 3 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Thiết kế được bộ điều khiển PID theo mô hình tuyến tính
hoá đảm bảo điều khiển bám ổn định cho hệ với sự thay đổi của tín
hiệu đầu vào.
- Khảo sát chất lượng của hệ thống qua mô phỏng trong các
trường hợp không có nhiễu và có nhiễu tác động.
- Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển qua kết quả thực nghiệm
Chương 4
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC
TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ
Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi
một mô hình toán học hoặc có thể mô tả được song mô hình của nó lại
phức tạp và phi tuyến, hay có các tham số thay đổi, đối tượng biến đổi
chậm có trễ . . ., thì logic mờ tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt. Ngay cả ở
những bài toán điều khiển đã thành công khi sử dụng nguyên tắc điều
khiển kinh điển thì việc áp dụng điều khiển logic mờ vẫn mang lại cho
hệ thống sự cải tiến về tính đơn giản, gọn nhẹ và nhất là không phải
thay bằng bộ điều khiển khác khi tham số của đối tượng bị thay đổi
trong một phạm vi khá rộng, điều này bộ điều khiển kinh điển không
đáp ứng được. Chính vì vậy trong đề tài này tôi sử dụng thuật toán mờ
chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để phát huy những ưu điểm của
bộ điều khiển kể trên.
4.1.1. Hệ Logic mờ
4.1.1.1 Khái niệm về tập mờ
Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử cơ bản của nó còn
được gán thêm một giá trị thực trong khoảng [0,1] để chỉ thị “độ phụ
thuộc” của phần tử đó vào tập mờ đã cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0
thì phần tử cơ bản đó sẽ hoàn toàn không thuộc tập đã cho (xác suất
18
phụ thuộc bằng 0), ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử cơ
bản sẽ thuộc tập hợp với xác suất 100.
*. Cấu trúc hệ logic mờ
Giống như một bộ điều khiển kinh điển, một hệ logic mờ
cũng có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra. Ta phân chia
chúng thành các nhóm
+ Nhóm SISO có một đầu vào và một đầu ra.
+ Nhóm MIMO có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
+ Nhóm SIMO có một đầu vào và nhiều đầu ra.
+ Nhóm MISO có nhiều đầu vào và một đầu ra.
4.1.2. Bộ điều khiển mờ
4.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động
Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ có xét tới các
trạng thái động của đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai
lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tính hiệu sai lệch e theo
thời gian còn có các đạo hàm, tích phân của sai lệch giúp cho bộ điều
khiển phản ứng kịp thời với các thay đổi đột xuất của đối tượng.
Các bộ điều khiển mờ hay được dùng hiện nay là bộ điều
khiển mờ theo luật tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân và tỷ lệ vi tích
phân(I, PI, PD và PID).
4.1.2.2 Điều khiển chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
+ Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
có 2 phương pháp và cấu trúc cơ bản:
+ Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
theo phương pháp thích nghi trực tiếp được tổng quát trên sơ đồ hình
4.12.
4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID theo mô hình mẫu
4.2.1. Đặt vấn đề Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ logic mờ
(FLC –Fuzzy Logic Control) là cấu trúc kiểu phản hồi sai lệch. Sơ đồ
như hình 4.14:
4.2.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ
19
Xét bộ điều khiển mờ hai đầu vào như hình 4.14. Để xây
dựng mô hình toán học của nó ta thực hiện theo các bước sau:
4.2.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều
khiển PID theo mô hình mẫu
Theo tài liệu [2], ta có 2 phương pháp điều khiển mờ thích
nghi theo mô hình mẫu đó là thích nghi theo mô hình mẫu song song
và thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng. Trong luận văn này tác
giả chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số
bộ điều khiển PID theo mô hình mẫu truyền thẳng.
4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng
4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số bộ điều khiển PID với bộ điều khiển PID
Trường hợp không có nhiễu tác động:
Trường hợp có nhiễu tác động:
4.3.3. Nhận xét
Từ các kết quả mô phỏng trên các hình 4.24 đến hình 4.27
cho thấy bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID đã
cải thiện được chất lượng so với bộ điều khiển PID (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 chỉnh định tham số bộ điều
khiển PID 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.
- Đưa ra được phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh
định tham số bộ điều khiển PID theo mô hình mẫu để thiết kế bộ
điều khiển cho đối tượng.
- Mô phỏng hệ thống.
- Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ở đỡ từ 4 bậc tự do
bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID so với
phương pháp điều khiển PID.
20
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận:
Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng
dụng các phương pháp điều khiển để điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do.
Nhiệm vụ cụ thể là Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc
tự do bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID.
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 4 bậc tự do
Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự
do sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự
do bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.
Kết quả của luận văn đã đạt được là:
- Thiết kế được bộ điều khiển cho ổ đỡ từ 4 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 thiết kế được bộ điều khiển mới đó là: Bộ điều
khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. 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 chưa nhiều, kiến thức và kinh
nghiệm về thực tế có hạn, cho nên nội dung luận văn của em còn một
số hạn chế. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hơn để có thể
áp dụng tốt kết quả nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này,
nhất là áp dụng các bộ điều khiển hiện đại vào các đối tượng trong
thực tế sản xuất.
