1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong hệ truyền, dẫn động ln có tiếp xúc phần động phần tĩnh sử dụng ổ đỡ khí nên chúng sinh lực ma sát lớn ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động Không sử dụng ổ đỡ khí người ta phải bảo dưỡng định kỳ Việc bảo dưỡng động công việc đơn giản dễ làm Chính lí nhà nghiên cứu tìm tịi cho đời loại ổ đỡ mà khơng có tiếp xúc phần động phần tĩnh Đó ổ đỡ từ xuất phát từ ý tưởng nâng vật từ trường Ổ đỡ từ sử dụng hệ truyền động điện coi ngành công nghệ tiên tiến thân thiện với mơi trường Chúng góp phần mạnh mẽ việc nâng cao tốc độ quay cho động giúp động ứng dụng môi trường đặc biệt mà động sử dụng vịng bi thơng dụng khơng thể làm việc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Tuy nhiên ổ đỡ từ chưa ứng dụng nhiều lí cồng kềnh giá thành cao Tương lai khơng xa vấn đề kích thước giá thành giải thay vịng bi khí để làm việc lĩnh vực cơng nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng công nghiệp vũ trụ, điều tất yếu Để ổ đỡ từ hoạt động có hiệu cao phần quan trọng điều khiển điều khiển cho hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng ổ đỡ từ có chất lượng thấp như: khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển khơng bị chặn Thực tế động lực học hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, phương pháp thiết kế điều khiển cho hệ phi tuyến chịu tác dụng nhiễu ngoại sinh, chứa tham số thay đổi theo thời gian chưa nghiên cứu phát triển hồn thiện để ứng dụng vào việc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng ổ đỡ từ Vì nghiên cứu thiết kế điều khiển chất lượng cao cho số hệ phi tuyến bao gồm ổ đỡ từ cấp thiết Do nhu cầu cấp thiết thực tiễn Trung tâm dạy nghề Thanh Xuân nơi em làm việc em phải thường xuyên cho học viên bảo dưỡng ổ đỡ khí nhiều thời gian, công sức Em mong muốn áp dụng ổ đỡ từ có chất lượng cao vào cơng việc giảng dạy em chọn đề tài “Nâng cao chất lượng ổ đỡ từ hai bậc tự điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID” đời loại ổ đỡ từ có chất lượng tốt Mục tiêu luận văn Dựa nghiên cứu hệ thống truyền động điện dùng ổ đỡ từ hai bậc tự điều khiển kinh điển PID, qua khảo sát mô thực nghiệm cho thấy phương pháp nhiều hạn chế Để khắc phục nhược điểm điều khiển kinh điển, dựa sở logic mờ, luận văn đề xuất thiết kế điều khiển thông minh sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Bước đầu tiến hành kiểm nghiệm điều khiển phần mềm mô Matlab – Simulink sau thí nghiệm thiết bị thực trung tâm thực nghiệm Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Kết thực nghiệm luận văn Với yêu cầu lý luận phải kiểm chứng thực tế, luận văn cao học cần kiểm chứng thực nghiệm miền thời gian thực Đây yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo cho học viên cao học Việc áp dụng sáng tạo mơ hình thí nghiệm sẵn có nhà trường hay thiết kế mơ hình vào cơng việc thực nghiệm luận văn cho thấy kết khả quan Kết thí nghiệm chứng tỏ nghiên cứu để nâng cao chất lượng ổ đỡ từ hai bậc tự đề tài lý thuyết mơ cịn có khoảng cách so với thực tế nhờ có thí nghiệm nên có sở vững để điều chỉnh lại thơng số điều khiển đáp ứng yêu cầu hệ thống làm tảng cho thiết kế nâng cao chất lượng cho hệ thống Nội dung luận văn: Luận văn bao gồm nội dung sau: Chương 1: Tổng quan ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ hai bậc tự Chương 3: Thiết kế điều khiển kinh điển (PID) tự Chương 4: Thiết kế điều khiển nâng cao Kết luận, kiến nghị tài liệu tham khảo Chương 1: Tổng quan ổ đỡ từ 1.1 Giới thiệu ổ đỡ từ 1.2 Lịch sử phát triển 1.3 Nguyên lý làm việc phân loại ổ đỡ từ 1.3.1 Nguyên lý làm việc Hình 1.1 cấu trúc ổ đỡ từ treo vật từ trường Kích thích cuộn dây tạo lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật Khi đối tượng giữ tự theo phương thẳng đứng Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống treo từ tính Sensor chuyển vị đo mức độ dịch chuyển vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn Một điều khiển tạo tín hiệu điều khiển từ thông tin đo lường, khuếch đại cơng suất chuyển tín hiệu điều khiển thành dòng điện điều khiển, dòng điện sinh từ trường mạch từ, lực từ tạo Bằng cách đó, vật thể treo vị trí lơ lửng Vật thể treo ổn định nhờ lượng đặt lực từ Hình 1.2- Chức vòng bi từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Hình vẽ 1.2 giới thiệu thành phần diễn giải chức vòng bi từ đơn giản để nâng rotor lên hướng Luật điều khiển phản hồi chịu trách nhiệm trì ổn định trạng thái treo độ cứng độ tắt dần trình treo 1.3.2 Phân loại ổ đỡ từ 1.3.2.1 Phân loại ổ đỡ từ theo nguyên lý treo từ tính Theo cách mà lực từ tính tốn biểu diễn ta chia làm hai nhóm chính, lực từ trở lực Lorentz 1.3.2.2 Theo chức + Ổ đỡ từ ngang trục + Ổ đỡ từ dọc trục Hình 1.4- Ổ đỡ từ ngang trục (a) ổ đỡ từ dọc trục (b) 1.3.2.3 Theo cấu tạo + Ổ đỡ từ thụ động + Ổ đỡ từ siêu dẫn + Ổ đỡ từ chủ động Hình 1.5- Ổ đỡ từ thụ động (a), ổ đỡ từ siêu dẫn (b), ổ đỡ từ chủ động (c) 1.4 Các cấu trúc ổ đỡ từ chủ động( AMB) Hình 1.6(a, b) trình bày cấu trúc treo từ tính theo hai phương Trong hình 1.6(a), trục động nằm lõi rotor Treo từ tính theo hai phương nhận biết lực từ rotor stator Tại phía cuối trục động có bố trí trục xoay nhằm định vị hướng trục hướng kính cho đầu cuối trục Cấu trúc phù hợp cho máy trục đứng Trong hình 1.6(b), trục động bị loại bỏ khỏi cấu trúc Hình 6- Vịng bi từ chủ động theo hai phương: (a) có trục xoay đáy; (b) khơng tiếp xúc Hình 1.7(a, b, c d) thể mặt cắt ngang số cấu trúc treo tích cực theo năm phương Hình 1.7- Các kiểu vịng bi từ chủ động theo năm phương: (a) rotor bên trong; (b) rotor bên ngoài; (c) rotor rỗ 1.5 Một số nghiên cứu liên quan 1.5.1 Các nghiên cứu nước 1.5.2 Các nghiên cứu nước 1.6 Kết luận chương Chương đề cập đến số nội dung: + Giới thiệu ổ đỡ từ + Lịch sử phát triển ổ đỡ từ + Nguyên lý làm việc ổ đỡ từ + Phân loại ổ đỡ từ + Hệ truyền động ổ đỡ từ chủ động + Tổng kết nghiên cứu có liên quan Chương 2: Mơ tả tốn học 2.1 Giới thiệu chung mơ hình tốn học ổ đỡ từ 2.1.1 Cơ sở toán học hệ nâng từ trường Nguyên tắc làm việc ổ đỡ từ tương tự nam châm điện Nghĩa là, tạo nên chuyển dịch học theo phương lực (hút đẩy) điện từ Do vậy, chọn biến độc lập hệ thống ổ đỡ từ dòng điện (i) chạy dây quấn chuyển vị (x) vật thể Hình 2.1 trình bày cấu trúc nam châm điện với điều khiển phản hồi ngược cho hệ thống treo theo phương sử dụng lượng từ v châm điện i ψ Bộ điều khiển Bộ ổn dòng Vật liệu sắt từ g x mga Sensor khoảng cách Hình 2.1: Hệ thống từ treo 2.1.2 Mơ hình vật lý ổ đỡ từ chủ động ( AMB) bậc tự Hình 2.2 trình bày cấu trúc hệ thống truyền động động dùng vòng bi từ Trục động nâng vòng bi từ hướng kính Vịng bi từ hướng kính tạo lực hướng kính theo hai hướng trục vng góc Các lực hướng kính điều khiển hệ thống điều khiển phản hồi âm cho vị trí trục điều chỉnh vị trí khung stator Vòng bi từ điều chỉnh hệ trục tọa độ x1 y1 Hình 2.2- Động sử dụng ABM 2.1.3 Các mối quan hệ Hình 2.4 trình bày mạch "điện" tương đương cho mạch từ nam châm điện + Nguồn điện áp ‘Ni’: đặc trưng cho lực từ động MMF sinh cường độ dòng điện cuộn dây + RC RI từ trở tương ứng lõi từ C lõi từ hình chữ I + Rg từ trở khe hở khơng khí Các từ trở viết dạng sau: Rg = Rc = RI = g−x µ wl (2.3) 2l1 + l2 µ µ r wl (2.4) l3 µ µ r wl Ni (2.5) Rc Rg Rg ψ Rl Hình 2.4: Mạch từ hố tương đương 10 Với : µ0 µr độ dẫn từ khơng khí ( độ dẫn từ tỷ đối ( Với từ thơng ψ µ mt = µ0 =4 µ r µ0 π x 10-7 H/m) ) ta có: ψ= Ni Ni µ wl = Rg g−x (2.6) Từ thơng liên kết vịng λ1 cuộn dây xác định tích số vịng N với từ thơng xun qua cuộn dây: λ1 = N 2i µ wl g−x (2.7) Điện cảm L xác định từ thông liên kết vòng chia cho giá trị cường độ dòng điện L = L= L0 = λ /i nên ta có: N µ wl 2( g − x) N µ wl 2g (2.8) (2.11) Thêm vào đó, mật độ từ thơng B khe hở khơng khí tính : B= Nµ i ψ = wl 2( g − x) 12 chu kỳ phản hồi dương nguyên nhân tạo hàm truyền không ổn định Một sơ đồ khối tương tự vẽ cho biến theo trục y Hình 2.11 biểu diễn sơ đồ cấu trúc hàm số truyền rút gọn ổ đỡ từ ibx ki ms − k x x Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc rút gọn Có thể thấy hàm truyền khơng ổn định mẫu số ms 2-kx bị thiếu số hạng thứ bao gồm số hạng âm -kx Phương trình đặc tính: ms2 – kx = Nghiệm phương trình đặc tính là: s1, = ± kx m Có thể thấy hàm số truyền ổ đỡ từ khâu khơng ổn định có nghiệm nửa phải mặt phẳng phức Để ổ từ làm việc ổn định phải sử dụng biện pháp ổn định hóa khâu phản hồi âm khâu hiệu chỉnh Trong chương trước, thiết kế ổ từ biểu thức toán học cho ổ từ cấu chấp hành liên quan mơ tả Ổ từ mơ hình hố thành hai số lực đơn giản, chúng xác định chuyển vị dịng điện Hàm truyền có chất hàm không ổn định thiết kế điều khiển vấn đề quan trọng 2.2 Các tính chất điều khiển ổ đỡ từ 2.2.1.Lực kéo không cân 2.2.2 Các nguyên tắc 2.2.3 Phép phân tích lõi từ hình C lõi từ hình chữ I 13 2.2.4 Hệ giảm chấn - khối lượng – lò xo tương đương fd x x b a Hình 2.13: Hệ thống giảm chấn - khối lượng – lò xo a Sơ đồ cấu tạo b Sơ đồ khối Vật thể chịu tác dụng ngoại lực f d chuyển động điều khiển phương trình động lực là: m d 2x dx = f d − kd − ks x dt dt (2.33) Hàm truyền hệ trễ bậc hai điển hình, dạng tiêu chuẩn là: x = fd ks s  s  + 2ζ +  ωn  ωn    ( 2.35) Với: + Hằng số giảm chấn ζ = kd ωn = Sơ đồ hệ thống từ treo: mks ks m (2.36) ( 2.37) 14 Hình 2.14: Hệ thống treo từ tương đương với hệ thống giảm chấn-khối lượng – lò xo kd = Tdkiksn (2.38) ks = Kpkiksn- kx ( 2.39) Từ phân tích ta đưa cấu trúc điều khiển cho ổ đỡ từ sau: Wph1 (+) ibx (-) Wđk WCL Wkđ m s s Wph2 Trong đó: Hình 2.15 - Sơ đồ cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ ibx: Tín hiệu đầu vào hệ thống x: Tín hiệu đầu hệ thống Wđk: Hàm truyền điều khiển WCL: Hàm truyền chỉnh lưu Wkđ: Hàm truyền khuếch đại Wph1;Wph2: Hàm truyền phản hồi m : khối lượng vật thể 2.3 Kết luận chương Chương đề cập đến nội dung : + Giới thiệu chung mơ hình tốn học ổ đỡ từ x 15 + Các tính chất điều khiển ổ đỡ từ + Đưa cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ Chương 3:Thiết kế điều khiển cho ổ đỡ từ hai bậc tự 3.1 Thiết kế điều khiển PID 3.1.1 Một vài nét thuật toán điều chỉnh PID 3.1.2 Bộ điều khiển PID Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID Thuật toán PID biểu diễn miền thời gian sau: t  de(t)  u(t)=k P e( t ) + ∫ e(T )dT+τ D  τI dt   (3.1) 16 Nếu ta coi tín hiệu (3.1) biến chênh lệch, có nghĩa hàm truyền đạt điều khiển viết sau: K PID (s)=   u(s) =k P 1+ +τ Ds e(s)τ s  I  (3.2) 3.2 Cấu trúc mô cho hệ thống Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển hình 2.15, ta có hệ thống điều khiển ổ phương x hình 3.2: 17 Hình 3.2: Hệ thống điều khiển ổ từ hai bậc tự theo phương x Bảng 3.2: Thông số hệ thống điiều khiển Số liệu theo bảng 3.2, từ ta có sơ đồ mô matlab – simulink sau: 3.2.2 Sơ đồ mô điều khiển PID cho (kp = 10; kD = 0,5): 18 Hình 3.3: Sơ đồ mô với kp = 10 kD = 0,5 + Kết mô -3 1.4 Dap ung theo truc x cua o tu x 10 Ld PID 1.2 x (m ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 Hình 3.4- Kết mơ với kp = 10 kD = 0,5 3.3 Thí nghiệm ổ đỡ từ 0.5 19 3.3.1.Thiết bị thí nghiệm 3.3.2 Các đường đặc tính thay đổi thơng số 3.3.2.1.Tốc độ 3000 v/ph: KP =35.000; KI =48.810; KD =0.080 (a) (b) (c) Hình 3.8- Các đường đặc tính ổ đỡ từ hai bậc tự với tốc độ 3000v/p Kp=35, KI =48.8, KD =0.08 a- Đáp ứng theo phương y b- Đường đặc tính tốc độ c- Đáp ứng theo phương x 20 + Tốc độ 6000 v/ph: (a) (b) (c) Hình 3.9- Các đường đặc tính ổ đỡ từ hai bậc tự với tốc độ 6000v/p Kp=35, KI =48.8, KD =0.08 a- Đáp ứng theo phương y b- Đáp ứng theo phương x c- Đường đặc tính tốc độ 21 3.3.2.2 Tốc độ 8000 v/ph: Kp = 40.000; KI =30; KD =0.07 (a) (b) Hình 3.10- Các đường đặc tính ổ đỡ từ hai bậc tự với tốc độ 8000v/p Kp=40, KI =30, KD =0.07 a- Đáp ứng theo phương y ; b- Đáp ứng theo phương x Nhận xét: Nhìn vào đường đặc tính cho ta thấy: + Ở hình 3.9(a, b) tăng tốc độ động đáp ứng chuyển vị ổn định hình 3.8(a,c), đáp ứng chuyển vị x y dao động xung quanh vị trí cân với biên độ dao động nhỏ nhiều + Ở hình 3.10(a,c) ta tăng hệ số khuếch đại tỷ lệ đồng thời giảm hệ số khuếch đại khâu tích phân vi phân cho ta đáp ứng chuyển vị tốt gần đường thẳng, đồng nghĩa với việc chất lượng ổ đỡ làm việc ổn định 3.4 Kết luận chương 3: Nội dung chương luận văn thiết kế điều khiển kinh điển cho ổ đỡ từ hai bậc tự mô đặc tính matlab-simulink thực nghiệm Từ kết mô cho ta thấy cần điều chỉnh thơng số để có chất lượng hệ thống tốt Chương 4: Thiết kế điều khiển nâng cao 4.1 Thiết kế điều khiển mờ nâng cao 4.1.1 Giới thiệu điều khiển mờ 4.1.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ 22 Hình 4.1- Sơ đồ khối điều khiển mờ - Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu thành giá trị rõ y o ứng với gía trị rõ xo để điều khiển đối tượng - Khối mờ hoá có chức chuyển giá trị rõ biến ngơn ngữ đầu vào thành vectơ μ có số phần tử số tập mờ đầu vào Khối luật mờ khối hợp thành phần cốt lõi điều khiển mờ có khả mơ suy nghĩ, suy đoán người để đạt mục tiêu điều khiển mong muố 4.1.3 Nguyên lý điều khiển mờ + Giao diện đầu vào: bao gồm khâu Fuzzy hoá khâu phụ trợ thêm để thực toán động khâu I, D +Thiết bị hợp thành: mà chất triển khai luật hợp thành R xây dựng sở luật điều khiển hay gọi luật định + Khâu giao diện đầu ra: (khâu chấp hành) gồm khâu giải mờ khâu giao diện trực tiếp với đối tượng 23 Hình 4.2- Hệ thống điều khiển mờ 4.1.4 Các nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ - Bước 1: Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào - Bước 2: Định nghĩa tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) cho biến vào – - Bước 3: Xây dựng luật điều khiển - Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành ( MAX –MIN hay SUM – MIN ); - Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ: - Bước 6: Tối ưu hoá: 4.1.5 Các điều khiển mờ 4.1.5.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 4.1.5.2 Bộ điều khiển mờ động Bộ điều khiển mờ động điều khiển mờ mà đầu vào có có xét tới trạng thái động đối tượng vận tốc, gia tốc, đạo hàm gia tốc, Hiện có nhiều dạng cấu trúc khác PID mờ nghiên cứu Các dạng cấu trúc thường thiết lập sở tách điều chỉnh PID thành hai điều chỉnh PD PI Việc phân chia nhằm mục đích thiết lập hệ luật cho PD PI gồm hai biến vào, biến ra, thay phải thiết lập ba biến vào 24 Hình 4.5- Bộ điều khiển mờ động đầu vào đầu Hình 4.10- Hệ điều khiển mờ PID 4.2 Mô điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 4.2.1 Sơ đồ mô mờ chỉnh định tham số PID Hình 4.11- Sơ đồ mơ mờ chỉnh định tham số PID 25 Hình 4.12- Khai triển điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 4.2.2 Kết mô mờ chỉnh định tham số PID -3 1.4 Dap ung theo truc x cua o tu x 10 Mo Ld PID 1.2 x (m ) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) 0.3 0.35 0.4 Hình 4.13 – Đường đặc tính theo trục x ổ đỡ từ 0.45 0.5 26 Nhận xét: Nhìn vào hình 4.13 ta thấy khác biệt đường đặc tính sử dụng điều khiển nâng cao Đường đặc tính mờ hệ thống có đáp ứng nhanh hơn, thời gian xác lập ngắn khơng có sai lệch tĩnh 4.3 Kết luận chương Nội dung chương đề cập đến: Thiết kế điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ hai bâc tự để có chất lượng ổ đỡ tốt nhất, cụ thể gồm: - Giới thiệu diều khiển mờ - Các luật điều khiển mờ - Bộ điều khiển mờ tĩnh, mờ động - Mô điều khiển mờ chỉnh định tham số PID