Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.4 MB, 23 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN DANH HUY
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH HỢP
TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – 2019
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh
Phản biện 1: GS.TS Lê Hùng Lân
Phản biện 2: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 3: PGS.TS Lưu Kim Thành
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU
i.
Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu điều khiển ổ
từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ - bánh
đà.
Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) tốc độ cao
được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng
bánh đà (FESS - flywheel energy storage system) được dùng trong
các lĩnh vực công nghệ cao, thiết bị đặc biệt và bắt đầu được nghiên
cứu để ứng dụng rộng rãi hơn trong các máy móc, thiết bị phục vụ
đời sống. Động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc 2 với tốc độ
quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà, và tỷ lệ với khối lượng
nên các bánh đà thường được thiết kế để làm việc ở vùng tốc độ rất
cao. Do vậy, các hệ truyền động bánh đà cần dùng một giải pháp
khác thay cho ổ đỡ cơ khí để nâng cao chất lượng, đó là dùng các
cơ cấu nâng bằng từ trường (ổ từ). Cơ cấu ổ từ khắc phục hoàn toàn
các hạn chế của ổ bi cơ do không có tiếp xúc cơ, do vậy không có
ma sát và không cần bảo dưỡng, bôi trơn.
ii.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ điều khiển ổ từ chủ động
tích hợp trong hệ truyền động động cơ – bánh đà.
b. Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp trong
hệ truyền động động cơ - bánh đà.
iii.
Phương pháp nghiên cứu.
- Xây dựng mô hình của hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích
hợp ổ từ, kiểm chứng mô hình bằng kết hợp mô phỏng và thực
nghiệm.
- Nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động trong hệ truyền
động động cơ - bánh đà theo các phương pháp điều khiển đã đề
xuất, mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá và hiệu chỉnh.
- Thử nghiệm phương pháp điều khiển đã thiết kế trên mô hình
thực nghiệm và đánh giá kết quả, từ đó đưa ra các hiệu chỉnh cần
thiết và kết luận.
iv.
Mục tiêu và dự kiến kết quả đạt được
a. Mục tiêu của luận án:
1
Nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ chủ động trong
truyền động động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ.
b. Dự kiến kết quả đạt được:
- Xây dựng được mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền
động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ.
- Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong
hệ truyền động động cơ – bánh đà.
v.
Đóng góp mới của luận án:
- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới của truyền động động cơ-bánh đà,
với ba ổ từ kép đặt lệch nhau 1200 thay cho một ổ từ kép dạng
vành khăn. Cấu trúc mới có ưu điểm: Dễ chế tạo và khi thiết kế
điều khiển ba bậc tự do sẽ tạo nên ổn định bánh đà khi quay bị
nghiêng lật, chao đảo.
- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ ổ từ chủ động trong
truyền động động cơ - bánh đà ở các chế độ vận hành. Đề xuất
mô hình động lực học hệ ổ từ theo hai hệ tọa độ: Tọa độ u , v , w
và tọa độ z, x , y thuận lợi cho việc xây dựng mô hình điều khiển
và thiết kế điều khiển.
- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp
tựa phẳng cho hệ ổ từ chủ động của truyền động động cơ - bánh
đà, góp phần nâng cao được chất lượng điều khiển.
vi.
Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm 173 trang với 01 bảng số liệu, 114 hình và
88 tài liệu tham khảo. Kết cấu của luận án gồm: mở đầu (07 trang),
chương 1- khái quát chung (22 trang), chương 2 - mô hình động
lực học (27 trang), chương 3 - thiết kế điều khiển tuyến tính (22
trang), chương 4- thiết kế điều khiển phi tuyến (29 trang), chương
5 – kết quả thực nghiệm (19 trang), kết luận và kiến nghị (02 trang),
tài liệu tham khảo (06 trang), danh mục công trình công bố (01
trang), phụ lục (23 trang).
2
1. CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG
CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG
1.1. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có ổ từ.
Hệ truyền động bánh đà ổ từ, được hiểu là bánh đà tích lũy năng
lượng dưới dạng động năng, nó được nạp và phóng năng lượng thông
qua hệ truyền động. Ổ từ sử dụng trong hệ với mục đích để hệ có thể
vận hành ở tốc độ cao và giảm tổn thất cơ khi phóng năng lượng.
Giải pháp ổ đỡ từ chủ động đã được ứng dụng trong thực tế. Đó
là do so với các phương pháp khác, ổ đỡ từ chủ động có khả năng chịu
tải cao, độ cứng vững tốt, mức tổn hao quay thấp và phạm vi nhiệt độ
hoạt động rộng. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế như cần cấp
nguồn liên tục và hệ điều khiển phức tạp.
1.2. Phân tích nguyên lý hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ.
Hệ TĐBĐ-OT trong thực tế có nhiều dạng khác nhau nhưng có
chung một nguyên lý được trình bày trên hình 1.6.
OT x1,y1
Rotor
Stato
BBD
OT z
Máy điện
Bộ biến đổi
Biến áp
Nguồn điện
OT x2,y2
Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình.
1.2.1. Nguyên lý làm việc của bánh đà.
Bánh đà là khối đồng nhất được quay với tốc độ . Khi bánh
đà quay đến tốc độ cho phép thì năng lượng tích lũy là.
1
(1.1)
E .J . 2
2
J
GD2
1
1
; J .r 2 .m .r 4 . .a.
4.g
2
2
3
(1.2)
Ta thấy rằng động năng tích lũy của bánh đà tỷ lệ bậc 2 với tốc
độ quay, tỷ lệ bậc 4 với đường kính bánh đà và tỷ lệ với khối lượng
riêng của vật liệu chế tạo bánh đà. Các thông số đường kính, khối
lượng và khối lượng riêng của bánh đà là các thông cơ bản để thiết kế
bánh đà.
1.2.2. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ
1.2.2.1. Nguyên tắc cơ bản của nam châm điện
Nguyên lý làm việc của nạm châm điện được trình bày trên hình
2.2. Một vật (vật liệu có độ từ thẩm cao, thường bằng sắt từ) có thể
tương tác với một nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện (là một
cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ).
1.2.2.2. Nguyên lý cơ bản của ổ từ
Để có thể duy trì ổn định vị trí của vật với nam châm điện, cần phải
điều chỉnh được dòng điện một cách liên tục. Cảm biến vị trí, bộ điều
khiển và bộ khuyếch đại công suất là các phần tử chủ đạo của bộ điều
khiển ổ từ.
i2,n
i,n
khuyếch đại
F,l
công suất
Z+
FG
e
F1
Fem
z
FG
Cảm biến
vị trí
Z
Z0
e
Bộ điều
khiển vị trí
e
F2
0
Zz
i1,n
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ nâng từ.
1.2.2.3. Các phương trình và đặc tính cơ bản của ổ từ.
Lực hút của ổ từ được tính toán theo năng lượng từ trường. Khi
khe hở không khí không quá lớn, từ trường trong khe hở coi là đều và
năng lượng từ trường trong vùng khe hở không khí như sau:
1
1
W .B.H .V .B.H . A.2.e
(1.3)
2
2
Lực tác động lên mạch từ được tạo ra bởi sự biến đổi năng lượng
từ trường trong khe hở không khí như sau:
4
n.i 1
i2
F 0 . A. .0 . A.n2 . 2
2.e
4
e
2
(1.4)
1.3. Định hướng nghiên cứu
1.3.1. Chọn cấu hình cơ khí hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ chủ động
Cấu trúc ổ từ hình 1.6, có số lượng ổ từ lớn (5 ổ từ) và điều
khiển ổ từ 5 bậc tự do, như vậy hệ sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng và điều
khiển phức tạp. Từ lý do trên, luận án đề xuất cấu trúc mới như hình
1.13. Cấu hình dùng 3 bộ nam châm kép đặt lệch nhau 120 độ.
i2u,F2u
zu
z
i2v, F2v
i2w,F2w
zw
u
w
zv
i1u, F1u
v
i1w,F1w
i1v,F1v
Hình 1.13. Cấu hình hệ bánh đà – ổ từ làm mô hình thử nghiệm.
1.3.2. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ
Mặc dù hệ ổ từ hình 1.13 chỉ có ba bậc tự do điều khiển nhưng
nó có tính xen kênh và phi tuyến. Vì vậy trong nội dung luận án sẽ
định hướng nghiên cứu xây dựng được động học của ổ từ ba bậc tự do.
1.3.3. Thiết kế điều khiển
Định hướng nghiên cứu của luận án sẽ theo hướng ứng dụng
điều khiển đa biến phi tuyến phi tuyến cho ổ từ chủ động trong mô
hình truyền động động cơ- bánh đà.
1.3.4. Xây dựng mô hình thử nghiệm
Để minh chứng nghiên cứu luận án sẽ đi xây dựng mô hình thử
nghiệm và tiến hành các thử nghiệm trên mô hình để kiểm chứng kết
quả nghiên cứu.
5
2. CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN
ĐỘNG ĐỘNG CƠ-BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG
2.1. Động học quá trình điện-cơ của ổ từ.
2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép.
i1
2
F F1 F2
i2
2
e z
2
(2.1)
e z
2
Phương trình động lực học của vật được nâng như sau:
m.z F1 - F2 FG
FG mg
(2.2)
Từ (2.2) và (2.3) có thể biểu diễn sơ đồ động học của một ổ từ
nam châm kép như trên hình 2.2:
Ổ từ
l
i1
F1
F
e
1
m
l
i2
F2
1
s
1
s
z
FG
Hình 2.1. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ.
2.2. Động lực học của hệ bánh đà - ổ từ.
z
u
x
Mx,θx
Fz,z
ω
Fu,zu
Fv,zw
Fw,zw
w
O
r
My,θy
v
Hình 2.2. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ.
Phương trình động lực học tổng quan của bánh đà:
6
z
. x
y
m
0
0
0
Jx
0
0
z Fze Fzd
0 . x M xe M xd
J y y M ye M yd
(2.7)
1/ 3
1/ 3 zu
z 1/ 3
zu
1/ (r. 3) 1/ (r. 3) . zv . zv
x 0
2 / (3.r ) 1/ 3.r
zw
1/ 3.r z w
y
(2.8)
1
0
r
z
zu
z
3
r
-1
zv 1 2 r 2 . x . x
zw
y
3
r y
1
r
2
2
(2.9)
1
Fze
M xe 0
M
ye
r
1
r
3
2
r
2
Fu
Fu
3
r
. Fv . Fv
2
F
Fw
r w
2
1
(2.10)
Trong đó các lực Fu , Fv , Fw độc lập với nhau và chỉ phụ thuộc
vào dòng điện của mỗi cặp ổ từ u, v, w vị trí dọc trục zu , zv , z w tại
điểm tác động của ổ từ đó:
2
2
l i1u
l i2 u
Fu F1u F2u
2
2
e zu e zu
2
2
l i1v
l i2 v
Fv F1v F2 v
2
2
e zv e z v
2
2
l i1w
l i2 w
Fw F1w F2 w e z 2 e z 2
w w
7
(2.11)
2.2.1. Chuyển vị điều khiển.
i2z
i2x
Fz
M
θx
e+r.θx
F z2
e+z
Fz2
r
x
O
Fz1
y
Mx
e-r.θx
e-z
F z1
(a)
(b)
i1z
z
z
i1x
Hình 2.3. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ ( z , x , y )
i1z
2
Fz F1z F2 z
i2 z
2
e z
2
r. i1x
2
2
M x ( F1x F2 x ).r
r. i2 x
2
e x .r
2
r. i1y
2
M y ( F1y F2 y ).r
(2.29)
e z
e y .r
2
(2.30)
e x .r
2
r. i2 y
2
(2.31)
e y .r
2
Có thể thấy rằng các biểu thức (2.19, (2.20) và (2.21) cũng
tương tự như (2.11) tức là các lực và mô men được điều khiển độc lập
mỗi trục bởi các ổ từ giả định.
z
z
w
u θx
x
w
u θx
x
r 3
/2
i2z
i2w
i2u
r 3
/2
i2y
i1v
i2x
v
θy
v
θy
y
y
Hình 2.4. Tương quan giữa các dòng điện i2 z , i2 x , i2 y và
i2u , i2v , i2w
Từ hình 2.6 ta thấy có thể tạo được dòng điện iz , ix , i y từ dòng
điện
iu , iv , iw như biểu thức 2.17:
8
1
0
iiu
iiz 3
1
1
-1
iiv . iix 3
3
i
i
iy
1
1
iw
3
3
2
3 i
iiz
iz
1
. iix . iix
3
i
iix
1 ix
3
(2.32)
2.2.2. Động lực học của bánh đà - ổ từ trong hệ z, θx, θy .
2.2.2.1. Khi bánh đà không quay.
z
. x
y
Fze Fzd
M xe M xd
M ye M yd
(2.33)
2.2.2.2. Khi bánh đà quay.
z
. x (+
y
z
) . x
y
Fze m.g Fzd
M xe M xd
M ye M yd
(2.34)
2.3. Cấu trúc chung điều khiển hệ bánh đà - ổ từ
z*
z
θ*x
θx
θ* y
θy
Hệ điều khiển vị trí
Như vậy, từ hình 2.6 và các biểu thức (2.4), (2.5), (2.6) và (2.7),
ta có cấu trúc toàn hệ điều khiển bánh đà – ổ từ như hình 2.9.
D/A
D/A
i*u1
i*u2
GKi
GKi
iu1
iu2 Gu
*
D/A
i
v1
i*v2
GKi
GKi
iv1
iv2 Gv
DSP
D/A
D/A
A/D
z
Fv
R M
Mx
x 1 x
zu
1 z
s2
s2
S-1
zv
zv
A/D
S
Fz
zu
A/D
D/A
Fu
i*w1
i*w2
GKi
GKi
iw1
iw2 Gw
Fw
My
y 1 y
zw
2
s
zw
Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong mô hình TĐ ĐC-BĐ
2.4. Kết luận.
Chương 2 đã phân tích và xây dựng được mô hình động học của
hệ TĐ ĐC-BĐ nâng bằng ổ từ trong các chế độ vận hành: chế độ cân
bằng, chế độ không cân bằng và chế độ bánh đà quay. Từ đó phân tích
tính chất điều khiển của đối tượng phục vụ thiết kế điều khiển
9
3. CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ
ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ
3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ
F (N)
300
F1 vs i1
F2 vs i2
200
DF1
= const
Di1
100
DFi
0
Di i
0
-4
-3
-2
-1
-100
(A)
I0
2
1
0
3
4 i
DF2
= const
Di2
-200
-300
Hình 3.1. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện
3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép
Lực tổng tác động lên vật được điều khiển bằng một dòng điện
điều khiển ( iC ) đưa vào hai cuộn dây với chiều ngược nhau.
I 0 iC
2
F F1 F2
e z
2
I 0 iC
2
(3.1)
e z
2
Cấu trúc ổ từ kép khi có đưa thêm dòng tiền từ hóa được trình
bày trên hình 3.3:
i1
I0
iC
l
Ổ từ
F1
F
e
1
m
l
i2
F2
1
s2
z
FG
Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0.
Việc chọn giá trị I0 rất quan trọng với việc tuyến tính hóa mô
hình điều khiển, bởi vì lực tác động có quan hệ phi tuyến với hai đại
lượng đầu vào là dòng điện và đầu ra mô hình là vị trí, điều này có
10
nghĩa là giá trị dòng I 0 sẽ ảnh hưởng tới mô hình tuyến tính hóa theo
dòng điện đầu vào và cả vị trí đầu ra.
Xác định giá trị I 0 theo điều kiện nâng ban đầu::
I0 (m.g.e2 ) /
(3.2)
Khi iC I 0 và y e , (3.1) trở thành:
F K i .iđk K y . z
(3.3)
Trong đó:
Ki
4..I0
4..I02
;
K
y
e2
e3
(3.4)
Từ (3.5) ta có cấu trúc của một ổ từ nam châm kép tuyến tính
hóa quanh điểm cân bằng với đầu vào là dòng điện iC như hình 3.5.
iC
Ki
F 1
m
1
s
1
s
z
Ky
Hình 3.3. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính
3.3. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính
của ổ từ.
Phương trình động lực học của bánh đà như sau:
M .z Kiz .iz K z .z M.g
J . K .i K .
x x
ix x
x x
J . Kiy .i y K y . y
y y
(3.5)
Ta có các bộ điều chỉnh vị trí cho z , x , y như (3.13).
Rz
(1 8Tbx s ) M
M
M
s
2
2
32Tbx .K iz
32Tbx . K iz 4Tbx .K iz
11
(a)
(3.6)
R x
R y
(1 8Tbx s) J x
Jx
Jx
s
2
2
32Tbx .K ix
32Tbx .K ix 4Tbx .K ix
(1 8Tbx s ) J y
2
bx
32T .Kiy
Jy
2
bx
32T .K iy
Jy
(b)
s
4Tbx .K iy
(c)
Với hệ 3.12 và bộ điều khiển (3.13) ta có cấu trúc điều khiển
tuyến tính cho hệ bánh đà – ổ từ như hình 3.16.
S
z*
(3.13.a)
θx*
(3.13.b)
iz
iu*
*
ix*
F
iv*
i1u
BBĐu i2u (2.2)
z
Fz
Fu
z
zu
i1v
BBĐv i2v (2.2)
R
Fv
Mx
M
x
1
s2 θx
S-1 z
v
θy*
(3.13.c)
iw*
iy*
i1w
BBĐw i2w (2.2)
y
My
Fw
θy
zw
Hệ điều khiển vị trí (DSP)
Ổ từ
Bánh đà và cảm biến
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ
3.3.1. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính.
3.3.1.1. Trường hợp nâng bánh đà không cân bằng và có nhiễu tác
động.
(10 -5m)
z
z (10-5m)
15
zđặt
zthự c
10
zu
zv
zw
18
5
16
0
14
-5
θx (10 rad)
8
6
4
2
0
12
θxđặt
θxthực
10
8
6
-5
θy (10 rad)
4
0
θyđặt
θythực
-5
2
0
-10
(a)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
(s)
t
(b)
-2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
(s)
t
Hình 3.5. Vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu tác động lên bánh đà.
12
(10-6m)
y
F (N)
2
1
Nhiễu góc u
Nhiễu góc v
Nhiễu góc w
200
zthực
0
100
-1
-2
0
0.5
-100
-0.5
-1
θx (10-6rad)
1
θxthực
0
θy (10-6rad)
1
-200
θythực
0
-300
(a)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
(s)
t
(b)
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
(s)
t
Hình 3.6. Lực nhiễu tác động lên bánh đà tại các góc (a) và dao
động vị trí (b).
3.3.1.2. Nâng bánh đà lên vị trí cân bằng và nạp năng lượng cho
bánh đà.
Cấu trúc động học của bánh đà xuất hiện tác động xen kênh giữa
trục quay x và y tỷ lệ với tốc độ quay của trục z như hình 3.21.
FG
Fz
Mx
ω
1
M
1
s
1
s
1
Jx
1
s
1
s
1
Jx
1
s
1
s
z
θx
Jz
My
θy
Hình 3.7. Động học bánh đà khi quay.
z
20
(10-5m)
z
20
z
15
(10-5m)
z
15
10
10
5
5
0
0
θ x (10-7 rad)
θ x (10-7 rad)
4
4
θx
2
rung
2
0
0
-2
-2
-4
θx
rung
rung
-4
-7
θ y (10 rad)
-7
θ y (10 rad)
2
2
θy
-2
0
θy
rung
0
0
(b)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
(s)
2 t
-2
0
(a)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
(s)
t
Hình 3.8. Vị trí z,x , y khi bánh đà không quay và quay, có nhiễu.
3.4. Kết luận.
Phương pháp này về cơ bản đáp ứng được để hệ làm việc ở điểm
cân bằng. Nhược điểm ở điểm xa vùng tuyến tính hóa thì hệ không
đưa bánh đà về điểm cân bằng được, phải có thêm cơ cấu cơ khí để
đưa bánh đà đến gần điểm cân bằng trước khi khởi động. Do các nhược
điểm rất khó khắc phục của phương pháp điều khiển tuyến tính,
phương pháp điều khiển phi tuyến được đề xuất ở chương 4.
13
4.
Chương 4
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ Ổ TỪ CỦA
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ
PHẲNG
4.1. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà ổ từ theo u, v, w
4.1.1.1. Thiết kế các bộ điều khiển
a. Khâu truyền thẳng (tạo quỹ đạo đặt)
Sau khi có các đa thức quỹ đạo đặt z1 (t ), z2 (t ) , từ (4.26) xây
dựng khâu tính toán các dòng điện đặt i1* và i2* hay có thể gọi là bộ
điều khiển truyền thẳng như hình 4.4.
z*j1
i*j1
g
z
*
j1
z
*
j2
m
3.l
i*j 2
e
Hình 4.1. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt).
b. Khâu bù sai lệch quỹ đạo đặt.
z1 z1* k0 ( z1 z1* ) k1 ( z1 z1* )
(4.32)
m
i1
e z A z, z ; i2 0
1
khi A z , z 0
m
i1 0, i2
e z A z, z
2
khi A z, z 0
(4.33)
4.1.2. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng.
4.1.2.1. Thiết lập mô phỏng điều khiển tựa phẳng cho một ổ từ.
14
Kết hợp với khâu tính toán dòng điện đặt như hình 4.4, và ổ từ
như hình 2.22, ta có cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng cho một ổ từ như
hình 4.5.
0
g
z*j1
e
i*j1
z*j1
m
3.l
||
k1u
s
z*j1
i*j 2
k0u
z j1
Hình 4.2. Khâu bù sai lệch mô hình.
**
iu1
Lập quỹ đạo u
zu**1
(4.28)
*
iu1
(4.34)
zu**1
iu1
Gci
(4.33)
iu**2
iu*2
iu 2
Gci
2.11(a)
2.12(a)
zu
Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ
góc u.
Sau khi đã thiết kế thêm khâu bù, ta thực hiện mô phỏng điều
khiển cho 1 ổ từ đơn để xác định thông số làm việc phù hợp cũng như
đánh giá chất lượng điều khiển với điều khiển tựa phẳng.
z (10-4 m)
i
10
(A)
2
zđặt
zthực
8
i 1đặt
i1thực
1.5
1
0.5
6
0
4
6
i 2đặt
i2thực
4
2
2
0
0
(a)
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
(s)
0.02 t
(c)
0
0
0.002
0.004
0.0 06
0.008
0.01
0.012
0.014
0.0 16
0.018
0.02
(s)
t
Hình 4.4. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển
phẳng với nguồn 100VDC.
4.1.3. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng.
Giải pháp đề ra là tạo quỹ đạo biến thiên đủ nhỏ để tạo dòng
điện tức là có lực tác động lên bánh đà đủ để duy trì vị trí ổn định.
15
z (10-4m)
10
i
zđặt
zthực
(A)
1.5
i1đặt
i1thực
1
8
0.5
6
0
Đoạn flying-up
6
4
Đoạn
duy trì
Đoạn flying-up
2
i2đặt
i2thực
4
Đoạn
duy trì
2
0
(a)
0
0.005
(b)
(s)
0.01
0.015
0.02
0.025
0
t
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
(s)
t
Hình 4.5. Vị trí (a), dòng điện (b), của ổ từ
4.2. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z,
θx , θy
S
z1**
(4.28)
z1**
i1u*
i1x*
i1v*
z
Tính iz
(4.28)
x**
**
x
i1y
*
i1w
z
Fz
Fu
z
zu
*
i1v
Gci
i2z*
(2.2)
i2u
Gci
(4.33)
x**
Lập quỹ
đạo θx
F
i1u
Gci
(4.33)
**
1
Lập quỹ
đạo z
i1z*
(2.2)
i2v
Gci
i2u*
R
Fv
Mx
M
x
1
s2 θx
S-1 z
v
Tính ix
i2x
**y
(4.28)
**
y
(4.33)
i2y
**
y
Lập quỹ
đạo θy
*
F
*
i2v*
i1w
Gci
i2w*
(2.2)
i2w
Gci
y
My
Fw
θy
zw
Tính iy
Hệ điều khiển vị trí (DSP)
Ổ từ
Bánh đà và cảm biến
Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ bánh đà – ổ từ.
z
10
z (10-4 m)
(10-4m)
10
z
zu
zv
zw
5
8
0
-4
θx (10 rad)
6
5
θx
0
4
-5
-4
θy (10 rad)
2
5
θy
0
-5 0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
(s)
t
0.6
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
(s)
t
ω (rad/s)
2000
ω
1500
1000
500
0
F (N)
20
Nhiễu góc u
Nhiễu góc v
Nhiễu góc w
10
0
-10
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
(s)
t
0.6
Hình 4.7. Vị trí zu , z v , z w (a); z, x , y (b) khi nhiễu tác động lên bánh
đà (c)
16
4.3. Kết luận, đánh giá.
Phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý phẳng đã
được xây dựng cho ổ từ. Từ quá trình thiết kế điều khiển có thể thấy
rằng phương pháp phẳng với điều kiện liên kết dòng điện khi lập quỹ
đạo mong muốn cho phép dùng mô hình phi tuyến của ổ từ chứ không
phải mô hình tuyến tính (đoạn tuyến tính của (1)). Kết quả cho thấy ổ
từ có thể làm việc trong toàn giải đặc tính làm việc cho phép, |z| < e,
chứ không chỉ lân cận quanh điểm cân bằng, z e so với phương
pháp điều khiển tuyến tính..
5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM
5.1. Mô tả cấu hình thí nghiệm
Cấu hình thí nghiệm được xây dựng theo cấu trúc điều khiển
như hình 2.6 với các thiết bị thử nghiệm đã thiết kế chế tạo ở như đã
giới thiệu ở phần phụ lục. Các bộ phận chính của thiết bị thí nghiệm
như hình 4.1.
Hình 5.1. Cấu hình hệ thí nghiệm.
5.1.1. Xây dựng giao diện vận hành: Các đồ thị tín hiệu cần quan
sát, cài đặt thông số và thuật điều khiển.
Giao diện điều khiển tuyến tính, phi tuyến được xây dựng như
hình 5.6, hình 5.11 và hình 5.24
17
Hình 5.6. Giao diện và kết quả điều khiển với hệ điều khiển tuyến
tính theo u, v, w.
Hình 5.11. Giao diện và kết quả điều khiển với hệ điều khiển tuyến
tính theo z, θx, θy.
Hình 5.2. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí, quỹ đạo dòng điện thực
tế với card dS1104
18
5.3. Kết luận, đánh giá
- Các mô hình được xây dựng trong phần lý thuyết là phù hợp với
đối tượng thực, đảm bảo để sử dụng các phương pháp điều khiển
đã nghiên cứu.
- Các thử nghiệm nâng bánh đà, duy trì vị trí ổn định lại vị trí đặt,
khởi động và tăng tốc bánh đà và xả năng lượng cho bánh đà
cho thấy các phương pháp điều khiển đã được kiểm nghiệm.
- Đặc điểm điều khiển của các phương pháp đã áp dụng phù hợp
cới kết quả thí nghiệm.
- Hệ thống mô hình thiết bị thí nghiệm phù hợp với mục đích
nghiên cứu. Hệ thống hoạt động tốt, độ tin cậy cao có thể ứng
dụng để nghiên cứu mở rộng cũng như áp dụng các phương
pháp tính toán, thiết kế vào thực tế.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. Kết luận:
Nội dung luận án đã giải quyết các vấn đề nghiên cứu sau:
- Xây dựng được mô hình thử nghiệm hệ truyền động động cơbánh đà có tích ổ từ chủ động. Từ đó nghiên cứu động lực học
của hệ trong các chế độ vận hành: Nâng, nạp năng lượng, duy
trì và phóng năng lượng. Mô hình điều khiển cho hệ được xây
dựng trên hai tọa độ u, v, w và z , x , y thuận lợi cho thiết kế
điều khiển.
- Kết quả nghiên cứu điều khiển tuyến tính cho hệ chỉ rõ phạm vi
hoạt động của hệ bị giới hạn trong vùng hoạt động nhỏ xung
quanh điểm cân bằng và không đảm bảo ổn định khi có nhiễu
tác động lớn, ngoài ra hệ còn tiêu thụ nhiều điện năng.
- Điều khiển phi tuyến cho kết quả đáp ứng yêu cầu của hệ: Vùng
hoat động toàn dải không bị giới hạn, đảm bảo hoạt động ổn
định khi có nhiễu tác động, tiết kiệm điện năng hơn so với cấu
trúc điều khiển tuyến tính.
- Các kết quả nghiên cứu đều được minh chứng qua mô phỏng và
thực nghiệm trên mô hình đã xây dựng.
19
B. Những điểm đóng góp mới
- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới của truyền động động cơ – bánh
đà có tích hợp ổ từ, với ba ổ từ kép đặt lệch nhau 1200 thay cho
một ổ từ kép dạng vành khăn. Cấu trúc mới có ưu điểm: Dễ chế
tạo và khi thiết kế điều khiển ba bậc tự do sẽ tạo nên ổ định bánh
đà khi quay bị chao đảo.
- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ trong các chế độ vận
hành, từ đó đề xuất mô hình điều khiển hệ ổ từ theo hệ tọa độ
quy đổi z, x , y đẳng trị với ba tọa độ zu , zv , z w . Với việc
chuyển vị tọa độ như vậy, việc điều khiển hệ trong các chế độ
vận hành được đảm bảo và thực hiện dễ dàng.
- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp
tựa phẳng cho hệ, góp phần năng cao được chất lượng điều
khiển.
- Thiết kế, xây dựng mô hình truyền động bánh đà - ổ từ trong
phòng thí nghiệm với các tính toán cụ thể.
C. Kiến nghị:
Luận án đã giải quyết được mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu đề
ra và có một số đóng góp mới nhưng vẫn còn nhiều vấn đề có thể cần
tiếp tục nghiên cứu giải quyết:
- Phương pháp điều khiên tuyến tính hóa có thể áp dụng các kỹ
thuật như là thích nghi tham số, mờ để nâng cao chất lượng.
- Nghiên cứu xây dựng các bộ điều khiển tích hợp cho các
phương pháp điều khiển đã đề ra để có thể định hướng đưa vào
ứng dụng.
- Các vấn đề về thiết kế, lựa chọn vật liệu cho ổ từ cũng cần được
tiếp tục nghiên cứu.
20
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ÐÃ CÔNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN
[1] Nguyễn Danh Huy, Trần Trọng Minh, " Thiết kế hệ điều khiển phi tuyến theo
nguyên lý phẳng cho cơ cấu nâng bằng từ truờng trong ổ từ," Hội nghị toàn quốc
lần thứ 3 về Ðiều khiển và Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp. 433-439, 2015.
[2] Nguyễn Trung Ðức, Nguyễn Tùng Lâm, Phan Phú Khánh, Nguyễn Danh Huy,
Nguyễn Quang Ðịch, “Ðiều khiển phi tuyến ổ bi từ chủ động” Hội nghị toàn quốc
lần thứ 3 về Ðiều khiển và Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp. 420-426, 2015
[3] Nguyễn Trung Đức, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang
Địch. “Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động dưới tác động của
nhiễu tải”. Chuyên san Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, 2016.
[4] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Ðắc Truởng, Nguyễn Tuấn Nghia, Nguyễn Danh
Giang, “Phân tích, thiết kế, đánh giá bộ diều khiển tuyến tính ứng dụng trong cơ
cấu nâng bằng từ truờng”, Hội thảo về điều khiển và TÐH cho Phát triển bền
vững – CASD 2017
[5] Danh Huy Nguyen, Tung Lam Nguyen, Manh Linh Nguyen, Huy Phuong
Nguyen, “Nonlinear Control of an Active Magnetic Bearing with Output
Constraint”, International Journal of Electrical and Computer Engineering
(IJECE), May 2018, pp. 1 – 12.
[6] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Huy Phương, “Ổn định ổ đỡ từ
chủ động với hạn chế đầu ra và sử dụng bộ quan sát tốc độ”, Chuyên san Đo
lường, Điều khiển và Tự động hóa, 2017.
[7] Giang Hồng Quân, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Giang Hồng Bắc,”
Điều khiển ổ đỡ từ chủ động bằng phương pháp Backstepping Sliding Mode
control”, Tạp chí KH&CN các Trường ĐH Kỹ thuật, Số 124 (1/2018)
