Tóm tắt luận văn 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

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: K

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

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

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

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]

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

- 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

(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

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

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 = μ0μ 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

Lực từ động (Magnemotive Force - MMF) được cho bởi công thức sau [8]:



(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

(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:

a

S Ni Ni

x S

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]:

0

S N i 1

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]:

2.2.4 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 l I,l C là nhỏ, thành phần C I

được biểu diễn như sau:

 

2 0 2 0

Phương trình (2.18) được viết thành:

2 0 2

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

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

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 hở không khí

khác nhau

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 y1, 1và x y2, 2thường 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:

(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

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)

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

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:

3.2.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink

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

(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)

Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 6000 v/ph: Tham số bộ điều khiển Kp=35.000; Kd=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

Kp=40.000; Kd = 0.070

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