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 tự động hóa Mã số : 60520202 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2014 Luận văn hoàn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Cán hướng dẫn khoa học : TS Đặng Danh Hoằng Phản biện : PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Phản biện : TS Nguyễn Duy Cương Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Vào 16 30 phút ngày 24 tháng 08 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 – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU Ổ đỡ từ sử dụng động điện xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám đồng thời sản phẩm công nghệ xanh Hạn chế việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ kích thước lớn giá thành cao Nhưng tương lai gần, nghiên cứu thành công việc thu gọn kích thước giảm giá thành ổ đỡ từ thay vịng bi khí để làm việc lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phịng cơng nghiệp vũ trụ, điều tất yếu Hiện điều khiển cho ổ đỡ từ có chất lượng thấp khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển khơng bị chặn Thực tế phần động lực học ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế nâng cao chất lượng điều khiển để đảm bảo cho hệ phi tuyến (trong có ổ đỡ từ) có khả hoạt động tốt chế độ làm việc nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Sau năm đào tạo thạc sỹ trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, giao đề tài luận văn tốt nghiệp “Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bậc tự điều khiển mờ thích nghi” Đề tài hồn thành, ngồi nỗ lực thân cịn có bảo, giúp đỡ động viên thầy giáo, gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS Đặng Danh Hoằng, người quan tâm động viên, khích lệ tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Do kiến thức cịn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận ý kiến bảo thầy cô bạn bè đồng nghiệp để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2014 Học viên Dương Quỳnh Nhật TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Nội dung luận văn cấu trúc gồm chương: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Khái niệm ổ đỡ từ 1.1.1 Ổ trục 1.1.2 Ổ đỡ từ Ổ đỡ từ loại ổ trục có khả nâng không tiếp xúc trục chuyển động nhờ vào lực từ trường Do trục quay phần tĩnh không tiếp xúc với nên ổ đỡ từ có ưu điểm bật sau mà ổ được: - Khơng có hao mịn vận hành - Tăng hiệu suất động - Thân thiện với môi trường - Làm việc với tốc độ cao - Loại bỏ rung động chuyển động - Khả làm việc mơi trường khắc nghiệt Hình 1.3: Hình dạng ổ đỡ từ Tuy nhiên có nhược điểm: Giá thành cao cần có điều khiển cho ổ từ * Tùy theo cách phân loại mà ta có loại ổ đỡ từ khác nhau: Ổ đỡ từ ngang trục, dọc trục; ổ đỡ từ chủ động, thụ động siêu dẫn Trong luận văn lựa chọn nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ chủ động (AMB) bậc tư có đặc tính động tốt, lực nâng điều chỉnh 1.1.3 Nguyên lý làm việc ổ đỡ từ Cấu trúc AMB bậc tự sau: ∼ Rotor treo tự khoảng cách tiền định x0 so với cấu điện từ Một Cơ cấu chấp hành điện từ Bộ biến đổi cảm biến vị trí tiếp xúc đo độ sai lệch vị trí mong muốn x0 so với vị trí thực rotor x Cơ cấu điện từ cung cấp thông tin tới điều khiển Bộ (Stator) điều khiển gửi tín hiệu điều khiển vị trí đến Bộ ĐK khuếch đại cơng suất, biến đổi tín hiệu chuyển thành dạng dòng điện để đưa Rotor Rot or Lực từ fm Trọng lượng rotor mg Sensor đến cuộn dây cấu điện từ, tạo lực điện từ Hình 1.8: Cấu trúc AMB bậc tự mong muốn đưa rotor vị trí cân 1.1.4 Phân loại kiểu treo từ tính 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước Mặc dù khái niệm động sử dụng ổ đỡ từ xuất thời gian gần thu hút mạnh mẽ nghiên cứu nhà khoa học nghiên cứu sinh nước có trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Các vấn đề nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu nguyên lý nâng từ trường - Các phương pháp điều khiển vòng bi từ - Nghiên cứu chế tạo thu nhỏ kích thước cho động nâng vòng bi từ - Tích hợp chức vịng bi từ dọc trục động - Điều khiển vector cho động 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, quan tâm đến số nghiên cứu sử dụng điều khiển đại điển sau: (1) Trong nghiên cứu công bố gần (2009) [20], Chen cộng đề xuất thay điều khiển PID truyền thống độ điều khiển PID tự điều hướng mờ (self-tuning fuzzy PID type controller), nhằm giải vấn đề rung động không cân hệ thống ổ đỡ từ tích cực Kết thí nghiệm cho thấy cải thiện đáng kể việc giảm rung động cho hệ thống ổ đỡ từ tích cực giảm dịch chuyển trục rotor (2) Trong cơng trình cơng bố năm 2008 [21], B.Lu cộng 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 thơng số khơng ổn định xác định nhờ mạng nơ-ron nhân tạo Một hàm trọng số không ổn định gần hóa phục vụ cho việc điều khiển LPV Các thí nghiệm tiến hành để kiểm chứng tính bền vững hệ điều khiển LPV làm việc với dải tốc độ quay rộng Cách điều khiển loại bỏ địi hỏi tuyến tính mở rộng ( gain scheduling), đồng thời cho thấy kết tốt so với điều khiển PID truyền thống tốc độ cao (3) Cũng năm 2008 [22], Z Gosiewski A Mystkowski công bố nghiên cứu điều khiển bền vững ổ đỡ từ đơn cực Hệ điều khiển bền vững rung động rotor cứng thiết kế kiểm chứng thí nghiệm Một xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) sử dụng để thực thi giải thuật điều khiển Kết thí nghiệm cho thấy hiệu hệ điều khiển tính bền vững điều khiển thiết kế… Từ phân tích cho thấy ứng dụng phương pháp điều khiển điều khiển ổ đỡ từ nhằm mang lại kết mong đợi Có nhiều phương pháp điều khiển đề xuất theo tài liệu [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27] Nếu coi ổ đỡ từ đối tượng điều khiển thân phần tử động học khơng ổn định mang tính phi tuyến cao Do đó, luận văn tác giả đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển mờ thích nghi, áp dụng để điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự nhằm cải thiện chất lượng cho hệ thống so với phương pháp điều khiển PID kinh điển 1.3 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Giới thiệu nét ổ trục ổ đỡ từ - Lựa chọn loại ổ đỡ từ cần nghiên cứu ổ đỡ từ chủ động - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ thích nghi để điều khiển ổ đỡ từ hệ thống truyền động điện Trên sở nghiên cứu bước đầu ổ đỡ từ, chương sâu nghiên cứu động lực học ổ đỡ từ mô tả toán học cho hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ bậc tự CHƯƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu chung Để thiết kế điều khiển cho đối tượng ta cần xây dựng mô hình tốn học mơ tả đối tượng Việc xây dựng mơ hình tốn xác việc điều khiển đạt chất lượng cao mong muốn Để thiết lập mối quan hệ động lực học cho ổ đỡ từ chủ động trước hết ta cần phân tích tính tốn cho từ thơng, từ trở, điện cảm, mật độ từ thơng, lượng tích lũy lực từ theo phương chuyển dịch x, y trục Trên sở xây dựng mơ hình tốn cho AMB bậc tự 2.2 Các thành phần mạch vịng điều khiển 2.3 Cơ sở tốn học hệ nâng từ trường 2.3.1 Các mối quan hệ 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 Từ hai phương trình biểu diễn lực hướng tâm qua cảm ứng từ dòng điện: S 2 F= ( B+ − B− ) (2.15) µ0 F= L0 π  cos  ÷i 2g 8 (2.19) Ta thấy, để điều khiển lực hướng tâm độ cảm ứng từ dòng điện phải điều khiển Xác định dòng điện lợi nhiều so với xác định độ cảm ứng từ vì: - Xác định dịng điện có chi phí thấp Các sensor cài đặt điều khiển có - Xác định từ thơng phức tạp đắt tiền Trong phần lớn trường hợp, dòng điện tức thời điều chỉnh để điều khiển lực hướng tâm Dễ nhận thấy mối quan hệ lực hướng tâm cường độ dịng điện phi tuyến Khơng kể đến ảnh hưởng bão hoá từ, lực hướng tâm tỉ lệ với bình phương dịng điện Trong thực tế, lực hướng tâm không tỉ lệ với i2, mà tỉ lệ với i1.6 Ta biểu diễn lực hướng tâm sau: k i' F1 = i1 (2.20) k i' i3 (2.21) F3 = Với k i = ' 2L0 cos(π / 8) g Để tuyến tính hố mối quan hệ lực hướng tâm phần tử dòng điện, dòng điện cuộn dây nam châm chia thành thành phần, thành phần dòng điện phân cực I b thành phần dòng điện điều khiển lực từ ib: i1 = Ib + ib (2.22) i3 = Ib - ib (2.23) Các dòng điện i1 i3 giá trị dương Do vậy, ib nên nhỏ Ib Lực hướng tâm tác dụng lên trục theo chiều trục x là: Fx = F1- F3 (2.24) Thay (2.20) (2.21) ta cơng thức tính lực từ đơn giản sau: Fx = ki’Ibib (2.25) Từ thấy lực hướng tâm tỉ lệ với dòng điện điều khiển lực i b dòng điện phân cực Ib giữ không đổi Đặt ki = ki’Ib ki tham chiếu hệ số lực - dịng điện Lực từ biểu diễn dạng: Fx = ki ib (2.26) Hình 2.9 biểu diễn sơ đồ khối để điều khiển dòng điện Trong điều khiển, đại lượng lực hướng tâm điều khiển Fx* thành phần dòng điện điều khiển i b* tạo ra, thành phần tỉ lệ với lực điều khiển Sau dịng điện điều khiển tăng lên giảm bớt để giữ cho dịng điện phân cực điều khiển Ib* khơng đổi dựa vào cơng thức (2.22) (2.23) Các dịng điện điều khiển cuộn dây i1* i3* cung cấp cho điều khiển dòng điện, điều khiển sinh dòng điện phù hợp với yêu cầu Như vậy, tổng lực hướng tâm sinh nam châm nam châm phụ thuộc vào lực hướng tâm tham khảo F x* * x F k ilb i* b + * i + i* b - Bộ ổn dòng i1 i3 + Bộ ổn dòng i * Hình 2.9: Sơ đồ cách thức điều khiển dịng điện Sử dụng phép phân tích phần trên, lực hướng tâm rút cho ổ đỡ từ chịu tải hướng tâm hàm đồng thời cường độ dòng điện i b chuyển vị hướng trục x rôto Lực hướng tâm Fx tổng lực đó: Fx = k i i bx + k x x (2.27) Với ibx dòng điện điều khiển lực theo phương x Hệ số lực – dòng điện lực - chuyển vị tính sau:  I  π  ki = L0  b  cos  g   8 (2.28) I   π k x = 2L  b  cos  g 8   (2.29) 2.5 Các tính chất điều khiển treo từ tính 2.5.1 Lực kéo khơng cân 2.5.2 Các nguyên tắc 2.5.3 Phép phân tích lõi từ hình C lõi từ hình chữ I 2.5.4 Hệ giảm chấn – khối lượng – lị xo tương đương Từ phân tích ta đưa cấu trúc điều khiển cho ổ đỡ từ sau: Wph1 ibx (-) Wđk WCL (+ ) Wkđ 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 hệ thống x: Tín hiệu đầu hệ thống Wdk: Hàm truyền điều khiển WCL: Hàm truyền chỉnh lưu Wkđ: Hàm truyền khuếch đại Wph1;Wph2: Hàm truyền phản hồi điều khiển hàm phản hồi bên ổ từ m : khối lượng vật thể kx ibx ki + F x + ax m s vx s Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc hệ thống từ treo sử dụng lượng từ theo phương x Hình 2.14 biểu diễn sơ đồ khối (2.25) hệ thống khí Lực hướng tâm chia cho khối lượng m, đầu khối gia tốc a x mà gia tốc đầu vào khối tích phân s tốn tử Laplace, khối 1/s tích phân đầu vào Tích phân gia tốc vận tốc hướng tâm rơto υx Tích phân vận tốc chuyển vị hướng tâm x Khối lượng m khối lượng vật thể treo Có thể thấy k x tạo 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 2.15 biểu diễn sơ đồ cấu trúc hàm số truyền rút gọn ổ đỡ từ ibx ki x ms − k x Hình 2.15: 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 2.6 Kết luận chương Trong chương ta mơ hình hóa biểu thức tốn học ổ đỡ từ cấu chấp hành liên quan Ổ từ mơ hình hóa thành hai số lực đơn giản, xác định chuyển vị dòng điện Mặt khác, hàm truyền ổ đỡ từ có chất hàm khơng ổn định trước thiết kế điều khiển mờ thích nghi, ta khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bậc tự điều khiển PID chương 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 điều khiển PID Bộ điều khiển gọi PID viết tắt từ thành phần điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) 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 đảm bảo tính bổ sung hồn Khi sử dụng 3.1: Sơ đồ khối điều khiển tuyến tính (PID) hảo trạng thái, tính cách khác nhau: Phục tùng làm việc xác (P) Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I) Có khả phản ứng nhanh nhạy sáng tạo (D) Bộ điều khiển PID ứng dụng rộng rãi đối tượng SISO theo nguyên lý phản hồi (feedback) hình vẽ: e(t) x(t) (-) PID u(t) Plant y(t) Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID Bộ điều khiển PID mô tả:    de( t )  U( s ) 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 thông số K P, TI, TD định chất lượng hệ thống ta có phương pháp thường gặp: Phương pháp thực nghiệm dựa hàm h(t) Phương pháp thiết kế miền tần số Phương pháp sử dụng mơ hình xấp xỉ bậc đối tượng 11 3.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 3.1.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 3.1.3 Phương pháp thực nghiệm 3.2 Tổng hợp điều khiển PID 3.2.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển Từ hình 2.13 2.14 ta xây dựng cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ theo phương x hình 3.5: Kx ix PID 1 m Ki s s x Ksn Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương x ổ đỡ từ 3.2.2 Thiết kế điều khiển Bảng thông số ổ đỡ từ bậc tự theo phương x: Từ bảng số liệu, ta xác định : WCL = 1 K CL 22 = = 0,318 ; K x = 15800 N / m ; K sn = 10000 v / m ; WKD = Ki = ; = TCL s + 0.0017 s + m 3,14 Với thông số ổ đỡ từ trên, ta thiết kế điều khiển cho ổ đỡ từ theo phương x Sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm [5], ta có tham số điều khiển: Kp = ; Ki = 50 KD = 0,035 3.2.3 Mô làm việc hệ thống Matlab-Simulink 12 Sơ đồ mơ hình 3.8, chi tiết hình 3.9, 3.10 3.11: Hình 3.6: Sơ đồ mô điều khiển theo phương x ổ đỡ từ - Kết mô + Trường hợp khơng có nhiễu tác động: -4 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu x 10 xdat xPID x ( m ) -1 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 trục ổ đỡ từ lệch tâm theo x 0,4 mm -4 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu x 10 xdat xPID x ( m ) -1 -2 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 trục ổ đỡ từ lệch tâm theo x 0,7 mm -4 x 10 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu xdat xPID x ( m ) + Trường1hợp có nhiễu tác động: 13 -1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 t(s) Hình 3.9: Đáp ứng dịch chuyển trục ổ đỡ từ lệch tâm theo x 0,4 mm -4 x 10 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu xdat xPID x ( m ) -1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 t(s) Hình 3.10: Đáp ứng dịch chuyển trục ổ đỡ từ lệch tâm theo x 0,7 mm * Nhận xét kết mô Từ kết mô cho thấy sử dụng điều khiển PID dao động xung quanh tâm rotor với biên độ khoảng 0.04mm đến 0.07mm (Được thể hình 3.7 đến hình 3.10) Ngoài ra, điều khiển làm việc ổn định có nhiễu tác động (hình 3.9 3.10) 3.3 Khảo sát chất lượng hệ thống thực nghiệm 3.3.1 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm Hình 3.11: Hệ thống thí nghiệm ổ đỡ từ bậc tự 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 3.3.2 Kết thí nghiệm Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 2000 v/ph: Tham số điều khiển Kp=30.000; Kd = 0.085 15 Hình 3.16: Đồ thị vị trí trục quay ổ đỡ từ theo phương x y Hình 3.17: Đồ thị tốc độ động Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 8000 v/ph: Tham số điều khiển Kp = 30.000; Kd = 0.06 Hình 3.20: Đồ thị vị trí trục quay ổ đỡ từ theo phương x y Hình 3.21: Đồ thị tốc độ động * Nhận xét: Từ kết thí nghiệm hình 3.16 đến hình 3.21 cho thấy hệ thống truyền động sử dụng ổ đỡ từ bậc tự làm việc ổn định với điều khiển PID tương tự mơ đáp ứng hệ xác lập vị trí phạm vi cho phép để trục quay với tốc độ cao với khe hở danh định mm Qua thí nghiệm cho thấy với thơng số điều khiển PID hợp lý hệ làm việc tốc độ cao (8000v/ph) chất lượng làm việc hệ tốt thể hình 3.20 16 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan phương pháp thiết kế điều khiển PID - Thiết kế điều khiển PID để điều khiển độ dịch chuyển theo phương x ổ đỡ từ bậc tự (phương y tương tự) - Đánh giá chất lượng hệ thống qua mô trường hợp khơng có nhiễu có nhiễu tác động - Kiểm chứng chất lượng điều khiển PID qua kết 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 hệ logic mờ điều khiển mờ 4.1.1 Hệ logic mờ 4.1.2 Bộ điều khiển mờ 4.2 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu 4.2.1 Đặt vấn đề 4.2.2 Mơ hình tốn học điều khiển mờ 4.2.3 Xây dựng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu Theo tài liệu [2], ta có phương pháp điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu thích nghi theo mơ hình mẫu song song thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng Trong luận văn tác giả chọn phương pháp thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng Xét đối tượng kinh điển mô tả 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 cấu thích nghi để điều chỉnh tham số K1 K2 tới giá trị mong muốn cho sai số ε tiến tới Để tìm cấu thích nghi ta dùng lý thuyết ổn định Liapunov phương pháp Gradient sau: + Luật thích nghi theo Lyapunov Giả thiết bη > chọn hàm Lyapunov có dạng: 1 1 2 V( ε, K1 , K ) = ε + ( − bK − a + a m ) + ( − bK1 + b m )  2 bγ bγ  theo luật điều chỉnh tham số K1, K2 ε→0 là: dK1 = γu c ε dt ; dK = − γyε dt (4.23) Nếu có 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 véc tơ tham số cần xác định, phụ thuộc sai lệch đầu đối tượng (y) đầu mơ hình (ym) Tiêu chuẩn sai lệch đáp ứng hệ chọn: J( K ) = ε → quy luật điều chỉnh K (4.25) theo hướng Gradient 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 đầu vào với hệ số khuếch đại đầu K, biểu diễn F.e cộng thêm giới hạn trễ T biểu thức (4.27) (hình 4.20) giới hạn trễ T tiến tới hệ thống tiến đến điểm cân [2, 3] u = K (T + Fe) (4.27) Ta áp dụng phương pháp Lyapunov phương e pháp Gradient để chỉnh định thích nghi hệ số khuếch đại đầu K điều khiển mờ T F K u Hình 4.20: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu 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 biểu diễn hình 4.21 Trong đối tượng điều khiển có hàm truyền G, mơ hình mẫu có hàm truyền G m, điều khiển mờ bao gồm điều khiển mờ kết hợp với khuếch đại K Cần phải tìm quy luật điều chỉnh hệ số K cho sai lệch mô hình đối tượng tiến đến ( ε → ) 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 19 y Với luật điều chỉnh thích nghi cho hệ số khuếch đại đầu FLC theo Liapunov xác định từ (4.24): Vì uc (4.24) ym nên ta luật điều chỉnh: K = γy m ε (4.28) Với hệ số γ (4.28) nói lên tốc độ hội tụ thuật tốn thích nghi 4.3 Khảo sát mơ Matlab/Simulink 4.3.1 Sơ đồ mơ Hình 4.22: Sơ đồ mơ theo phương pháp thích nghi phương pháp PID Trong điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu có cấu trúc: Hình 4.23: Sơ đồ mơ cấu trúc điều khiển mờ thích nghi kiểu truyền thẳng 4.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ thích nghi với điều khiển PID + Trường hợp khơng có nhiễu tác động: -4 x 10 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu xMo xdat xPID x ( m ) -1 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 ổ đỡ từ bị lệch tâm 0,4mm 20 x 10 -4 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu xMo xdat xPID x ( m ) -1 -2 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 ổ đỡ từ bị lệch tâm 0,7mm + Trường hợp có nhiễu tác động: x 10 -4 Dap ung dich chuyen theo phuong x c ua o tu xMo xdat xPID x ( m ) -1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 t(s ) Hình 4.26: Đáp ứng theo trục x ổ đỡ từ bị lệch tâm 0,4mm -4 x 10 Dap ung dich chuyen theo phuong x cua o tu xMo xdat xPID x ( m ) -1 -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 t(s) Hình 4.27: Đáp ứng theo trục x ổ đỡ từ bị lệch tâm 0,7mm * Nhận xét Từ kết mô hình 4.24 đến hình 4.27 cho thấy điều khiển mờ thích nghi cải thiện chất lượng so với điều khiển PID (độ điều chỉnh thời gian độ ngắn hơn) Điều cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển với phương pháp điều khiển mờ thích nghi đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho ổ đỡ từ 4.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ 21 - Đề xuất điều khiển mờ thích nghi nhằm cải thiện chất lượng điều khiển - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng điều khiển mờ thích nghi so với điều khiển PID mô Matlab/Simulink KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển để điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự Nhiệm vụ cụ thể Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự điều khiển mờ thích nghi Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học ổ đỡ từ chủ động hai bậc tự Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự sử dụng điều khiển PID mô thực nghiệm Chương 4: Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự điều khiển mờ thích nghi Kết luận văn đạt là: - Thiết kế điều khiển cho ổ đỡ từ hai bậc tự điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Với kết cho thấy tính đắn thuật toán điều khiển thiết kế để điều khiển hệ thống - Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển việc thiết kế điều khiển là: Bộ điều khiển mờ thích nghi Với kết mô cho thấy chất lượng điều khiển tốt so với điều khiển PID (kể có nhiễu tác động) Kiến nghị Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng 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 Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [2] Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp điều khiển sở logic mờ 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 có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Dỗn Phước, Phân tích 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 Khoa học Kỹ thuật [7] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [8] Nguyễn Thị Thanh Bình (2012), Cải thiện chất lượng điều khiển 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 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