(Luận văn) thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN PHƯƠNG LẬP lu an n va p ie gh tn to THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa z m co l gm @ an Lu THÁI NGUYÊN, 2017 n va ac th si ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN PHƯƠNG LẬP lu THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ an n va gh tn to p ie Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 d oa nl w LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT an lu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC va KHOA CHUYÊN MÔN ll u nf TRƯỞNG KHOA oi m z at nh PGS.TS.TRẦN XUÂN MINH z m co l gm @ PHÒNG ĐÀO TẠO an Lu THÁI NGUYÊN, 2017 n va ac th si MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ cần giải toán điều khiển: - Điều khiển động phương pháp điều khiển động khơng có tích hợp ổ đỡ từ - Điều khiển ổ đỡ từ nhằm giữ trục động tâm ổ đỡ từ Mục tiêu luận văn điều khiển trục động ổn định tâm ổ đỡ từ đầu trục động nên phạm vi nghiên cứu đề tài luận văn tập trung lu nghiên cứu phương pháp điều khiển ổ đỡ từ nhằm đạt chất lượng điều khiển mong an muốn Ổ đỡ từ sử dụng động điện xếp loại sản phẩm va công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám đồng thời sản phẩm n tn to công nghệ xanh Hạn chế việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ kích gh thước lớn giá thành cao Nhưng tương lai gần, nghiên cứu thành cơng p ie việc thu gọn kích thước giảm giá thành ổ đỡ từ thay vịng bi w khí để làm việc lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phịng oa nl cơng nghiệp vũ trụ, điều tất yếu d Phần quan trọng ổ đỡ từ điều khiển Hiện điều khiển lu va an cho ổ đỡ từ có chất lượng thấp khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu u nf điều khiển không bị chặn Thực tế phần động lực học ổ đỡ từ có ll tính phi tuyến cao, mà thiết kế điều khiển cho hệ phi tuyến (bao gồm ổ m oi đỡ từ) chịu tác dụng nhiễu chứa tham số thay đổi trình hoạt động z at nh chưa nghiên cứu phát triển hồn thiện để ứng dụng vào việc thiết kế điều khiển đảm bảo cho ổ đỡ từ có khả hoạt động tốt chế độ làm z việc @ gm Mặt khác, có nhiều phương pháp điều khiển ổ đỡ từ, giới động tích hợp ổ đỡ từ" - Tìm hiểu mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ an Lu Mục tiêu nghiên cứu m co l hạn đề tài lựa chọn nghiên cứu "Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển n va ac th si - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ (với phạm vi nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ) Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan động tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học ổ đỡ từ tích cực điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển mờ cho ổ đỡ từ động tích hợp ổ đỡ từ Kết luận kiến nghị lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu chung Thực tế cho thấy hệ thống truyền động sử dụng động với trục chuyển động giữ vịng bi khí, ổ đỡ chất lỏng có nhiều nhược điểm độ bền, ma sát, hạn chế tốc độ… Trong vịng bi dạng ổ đỡ từ sử dụng lực từ để hỗ trợ cho chuyển động máy mà khơng cần có tiếp xúc học Do đặc điểm treo nhờ lực từ không tiếp xúc, cơng nghệ ổ đỡ từ có số ưu điểm bật so với loại ổ đỡ thông thường Những ưu điểm bao gồm loại bỏ hệ thống bôi trơn ổ lu an đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao đặc tính động điều chỉnh n va Các vịng bi dạng ổ đỡ từ có khả đáp ứng khả chịu tải lớn cách tối ưu tn to hóa hệ thống thơng số vật liệu, bao gồm khe hở khơng khí ổ đỡ, từ gh thơng bão hịa vật liệu từ, diện tích bề mặt ổ đỡ, số lượng vòng dây p ie cực từ cơng suất khuếch đại Các vịng bi dạng ổ đỡ từ cho phép làm việc môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp chân oa nl w không Một hệ thống đo lường đại tích hợp hệ thống treo từ tính khơng giám sát tức thời thơng số hệ vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động d an lu hướng trục, dòng điện, nhiệt độ tốc độ quay mà hệ thống đo lường cịn va phân tích cân bằng cách tính tốn vị trí biên độ Bộ ll u nf điều khiển thay đổi thuộc tính tắt dần độ cứng ổ đỡ Điều cho oi m phép điều khiển điều chỉnh đặc tính động ảnh hưởng lên tần số cộng z at nh hưởng hệ thống làm giảm rung động lan truyền [6] Ứng dụng công nghệ đỡ từ trải qua phát triển rõ rệt z năm gần Đã có nhiều nghiên cứu quan trọng tiến hành bao trùm lên tất @ gm lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ Ta kể bao gồm công nghệ cảm l biến điều khiển, mơ hình hóa nhận dạng, cơng nghệ vật liệu thành phần… m co Cho đến nay, ứng dụng quan trọng vòng bi dạng ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, thiết bị y tế công nghệ cao, ứng dụng cho an Lu môi trường tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, thiết bị làm n va ac th si việc ngồi khơng gian, hệ thống bánh đà tích trữ lượng cách ly rung động [6] 1.2 Nguyên lý làm việc phân loại ổ đỡ từ 1.2.1 Nguyên lý làm việc Cấu trúc điện - từ điều khiển phản hồi cho hệ thống treo từ tính trục thể hình vẽ 1.1 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 Dòng điện i tạo từ thông ψ Đường từ thông thể đường nét đứt qua khe hở khơng khí hai lần theo chiều thẳng đứng Lực hấp dẫn vật thể treo lõi sắt từ hàm số dòng điện i, tỷ lu an lệ thuận với bình phương với dòng điện i lõi sắt từ chưa bão hòa Trong điều n va kiện xác lập, lực hấp dẫn điều chỉnh để với tích trọng lượng vật Sensor chuyển vị đo mức độ dịch chuyển vật thể treo theo chiều thẳng gh tn to treo m gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân lực p ie đứng so với vị trí chuẩn Điện áp sensor tín hiệu đầu vào cho điều khiển Một vi xử lý đóng vai trò điều khiển tạo tín hiệu điều nl w khiển từ thơng tin đo lường, khuếch đại cơng suất chuyển tín hiệu điều khiển d oa thành dòng điện điều khiển, dòng điện sinh từ trường mạch từ, an lu lực từ tạo Bằng cách đó, vật thể treo vị trí lơ lửng va Một lượng đặt lực từ tạo để treo ổn định vật thể Lượng đặt lực u nf tổng đại lượng lực tắt dần lực đàn hồi Lượng điều khiển lực đàn ll hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị vật thể treo Cịn lực tắt dần lực tỷ m oi lệ thuận với tốc độ dịch chuyển vật thể treo Các đại lượng có chiều ngược với z at nh chuyển vị tốc độ phản hồi âm Bộ điều khiển tạo lượng dòng điện điều z khiển để nhằm tạo lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện m co l gm @ điều khiển dòng điện cách đặt điện áp lên đầu cuộn dây an Lu n va ac th si Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống treo nhờ lực từ trường (treo từ tính) lu an n va p ie gh tn to d oa nl w an lu Hình 1.2: Chức ổ đỡ từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng u nf va Dòng điện i chạy cuộn dây, ta giả thiết cuộn dây có số vịng dây N lực từ động (MMF) sinh Ni Với vật ll oi m liệu sắt từ có độ thẩm từ cao từ thơng theo đường hình vẽ qua z at nh khe hở hai lần Độ tập trung từ thông cực đại khe hở khơng khí định độ lớn lực phần điện từ Độ tập trung từ thông lớn tạo lực từ lớn Tuy z nhiên, độ tập trung từ thông cực đại giới hạn khảng từ (1.7 ÷ 2) T @ gm thép silic thông thường Một lưu ý quan trọng chiều dài khe hở khơng khí l phải giữ nhỏ tốt để giảm dòng điện tổn thất m co Bằng cách chủ động điều khiển động lực học phần điện từ để tạo lực an Lu điện từ nguyên lý mà thực tế sử dụng hầu hết ổ đỡ n va ac th si từ Trên hình 1.2 giới thiệu thành phần diễn giải chức ổ đỡ từ đơn giản để nâng rotor theo hướng Luật điều khiển thực nhiệm vụ trì ổn định trạng thái treo độ cứng độ tắt dần q trình treo Độ cứng độ tắt dần thay đổi rộng giới hạn vật lý hệ thống, điều chỉnh theo u cầu cơng nghệ Đồng thời chúng thay đổi suốt trình làm việc theo yêu cầu toán điều khiển đặt 1.2.2 Phân loại kiểu treo từ tính Có nhiều kiểu thiết kế khác để tạo lực từ nhằm hỗ trợ treo vật thể mà không chịu tiếp xúc Thậm chí vật thể khơng thể lu an treo trạng thái ổn định tự việc treo đạt n va vài bậc tự tn to Phân loại mang tính hệ thống bao trùm lên kiểu treo từ tính biết Theo gh cách mà lực từ tính tốn biểu diễn ta chia làm hai nhóm p ie chính, lực từ trở lực Lorentz w Đối với trường hợp thứ nhất, lực từ trở sinh từ lượng tích trữ d thức sau: oa nl từ trường chuyển đổi sang dạng Do vậy, lực từ trở thu từ cơng W s lu an f Trong đó: u nf va (1.1) W lượng từ trường ll oi m s độ dịch chuyển vật thể treo z at nh Lực từ xét trường hợp này gia tăng bề mặt độ từ thẩm tương đối khác μr, ví dụ thép khơng khí Hướng lực vng góc z với bề mặt lớp vật liệu khác Sai lệch tương đối độ từ thẩm lớn @ gm lực từ f lớn Với vật liệu sắt từ có μr >> lực từ lớn, l mà đáp ứng yêu cầu ứng dụng kỹ thuật Trong m co tài liệu máy điện, độ cản từ gọi từ trở Giá trị tỷ lệ nghịch với độ động điện khai thác thuộc tính gọi động từ trở an Lu thẩm từ μr Lực tác động theo cách thường có xu hướng làm giảm độ từ trở Các n va ac th si Một điều kiện tiên lực từ tác động lên vật thể phải giữ cho vật thể trạng thái treo ổn định Trong ứng dụng công nghiệp, thơng thường mạch vịng điều khiển cần thiết để thích ứng liên tục từ trường chuyển động vật thể treo Yêu cầu dẫn đến khái niệm vòng bi dạng ổ đỡ từ dạng ổ đỡ từ tích cực Nằm nhóm phân loại gồm có treo từ loại đến loại Loại gọi treo lực từ trở tích cực Kiểu chí cịn phân biệt theo nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn theo cách điều khiển tích cực, theo từ trường, từ thông, khoảng cách stator rotor điều khiển Loại treo dùng mạch LC Mạch LC cấu trúc điện cảm cuộn dây treo điện từ tụ lu an điện Độ chuyển dịch rotor làm thay đổi điện cảm mạch điện từ Mạch LC làm n va việc vùng gần cộng hưởng điều chỉnh cho tiếp cận vùng cộng hưởng tn to rotor dịch chuyển xa khỏi phần điện từ Điều tạo dòng điện gia tăng gh từ nguồn điện áp xoay chiều kéo rotor trở lại vị trí danh định Lực p ie độ cứng không lớn đủ để đáp ứng cho số ứng dụng dụng cụ w đo Do kiểu ổn định mà khơng cần mạch vịng điều khiển nên gọi thụ oa nl động Nhược điểm kiểu khơng thể tắt dần Loại loại từ trường d vĩnh cửu (μr >> 1) có cấu trúc tĩnh khơng thể ổn định hóa vị trí vật thể treo an lu Những kiểu treo yêu cầu có thêm lực hồi chuyển trường hợp u nf va Levitron, vật liệu nghịch từ (μr < 1) để đạt trạng thái treo ổn định với lực nhỏ, chất siêu dẫn (μr = 0) Tuy vậy, việc ứng dụng từ trường vĩnh ll oi m cửu hữu ích để hỗ trợ cho vật thể làm giảm tải theo phương đối z at nh với ổ đỡ thông thường Các thiết bị theo loại dựa vào thuộc tính đặc biệt vật liệu, μr = Chỉ có vật liệu có thuộc tính gọi vật liệu siêu z dẫn Đặc tính trội loại nhiệt độ thấp, vật liệu trở thành siêu @ gm dẫn, không điện trở Dòng điện cuộn dây siêu dẫn tiếp tục trì l chí khơng cịn trì điện áp Mặc dù chứa đựng nhiều đặc m co tính kỹ thuật thú vị kiểu giai đoạn nghiên cứu phịng khơng xa an Lu thí nghiệm ứng dụng cơng nghiệp phát triển mạnh thời gian n va ac th si Trường hợp thứ hai phân loại kiểu treo từ tính gọi lực điện từ (hay lực Lorentz) Lực trường điện từ tác động lên hạt mang điện tích gây nên f = Q(E + v x B) (1.2) với, E vector cường độ điện trường vị trí hạt mang điện; Q điện tích hạt mang điện; v vector vận tốc chuyển động hạt mang điện B cường độ từ cảm Khi không quan tâm đến khái niệm tĩnh điện, ta bỏ qua E (1.2) (Q.v) thay dòng điện i, Từ dẫn đến biểu thức tích chéo véc tơ sau: f=ixB (1.3) Lực tạo vng góc với đường từ thơng, độc lập với khe hở khơng khí lu an phụ thuộc tuyến tính với dịng điện (ta giả thiết từ thông không phụ n va thuộc vào dòng điện) Dựa lực Lorentz, kiểu treo từ tính lại chia làm tn to loại khác dựa dòng điện i Đối với dịng điện cảm ứng ta có hai chế có gh thể xảy ra: có tương tác từ trường vĩnh cửu với vật dẫn p ie chuyển động, tương tác xảy ra, khơng có chuyển động tương đối, w vật dẫn điện từ biến thiên (nguồn xoay chiều) Trường hợp lại, dòng điện oa nl điều khiển tích cực tương tác với từ trường Với loại lại có d khả xảy ra: từ trường tạo từ trường vĩnh cửu, có an lu tương tác dịng điện điều khiển dòng điện cảm ứng Cả bốn kiểu ll u nf va mô tả hình vẽ từ loại đến loại [6] oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 57 Việc thực phép hợp mờ minh họa hình 3.6 Hợp AB hai tập mờ A B hiểu tập mờ gồm tất phần tử hai tập A, B cho, hàm thuộc AB (x) phần tử AB không mâu thuẫn với phép hợp hai tập kinh điển Hai công thức thường dùng điều khiển là: AB(x) = maxA(x) , B(x) Luật MAX AB(x) = min1, A(x)+B(x) Luật SUM (3.11) Mệnh đề “Nếu A=A1 B =B1 “ có giá trị C1 (3.13) (3.12) Tóm lại, nếu: Mệnh đề “Nếu A =Ak B =Bk “ có giá trị Ck lu tồn luật hợp thành có giá trị C = C1    Ck an * Giải mờ va n Sau có kết luật hợp thành tập mờ, trước đưa giá trị to tn điều khiển ta phải giải mờ tập mờ Điều dễ hiểu đối tượng làm việc gh với giá trị cụ thể (giá trị rõ) không làm việc với giá trị mờ (tập mờ) p ie Giải mờ trình xác định giá trị rõ y0 từ tập tập mờ B' để d oa nl w làm đại diện cho B' (là tập mờ kết luật hợp thành) ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu Hình 3.7: Những nguyên lý giải mờ n va ac th si 58 Trong điều khiển thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chính: Điểm trung bình: Giá trị rõ y0 giá trị trung bình giá trị có độ thỏa mãn cực đại B’(y) Nguyên lý thường dùng miền hàm B’(y) miền lồi y0 giá trị có độ phụ thuộc lớn Trong trường hợp B' gồm hàm liên thuộc dạng đối xứng giá trị rõ y0 khơng phụ thuộc vào độ thỏa mãn đầu vào luật điều khiển Điểm cực đại: Giá trị rõ y0 lấy cận trái/phải cực đại B’(y) Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái/phải phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa mãn đầu vào luật điều khiển hình 3.7 Điểm trọng tâm: Phương pháp cho kết y0 hoành độ điểm lu trọng tâm miền bao trục hoành đường B’(y) Đây nguyên lý dùng an nhiều va n * Cấu trúc hệ logic mờ tn to Giống điều khiển kinh điển, hệ logic mờ có nhiều gh tín hiệu vào nhiều tín hiệu Ta phân chia chúng thành nhóm p ie + Nhóm SISO có đầu vào đầu + Nhóm MIMO có nhiều đầu vào nhiều đầu nl w + Nhóm SIMO có đầu vào nhiều đầu d oa + Nhóm MISO có nhiều đầu vào đầu ll u nf va an lu oi m z at nh HÖ Logic Mê B' gm Fuzzy hãa  Rq: nÕu  th×  @  xi z R1: Giải mờ y i m co l an Lu Hình 3.8: Cấu trúc hệ logic mờ n va ac th si 59 Do chất hệ thực luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển người) kinh nghiệm lại thể dạng ngơn ngữ có giá trị ngơn ngữ tập mờ nên hệ logic mờ phải có khâu hình 3.8: + Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị rõ đầu vào x0 thành vector  gồm độ phụ thuộc giá trị rõ theo giá trị mờ (tập mờ) định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào + Khâu thực luật hợp thành, có tên gọi thiết bị hợp thành, xử lý vector  cho giá trị mờ B' biến ngôn ngữ đầu + Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành giá trị rõ y' chấp nhận cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh) lu 3.1.2 Bộ điều khiển mờ an 3.1.2.1 Bộ điều khiển mờ động n va Bộ điều khiển mờ động điều khiển mờ có xét tới trạng thái động đối to tượng Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ gh tn ngồi tính hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có đạo hàm, tích phân sai lệch ie giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với thay đổi đột xuất đối tượng p Các điều khiển mờ hay dùng điều khiển mờ theo luật tỷ lệ w tích phân, tỷ lệ vi phân tỷ lệ vi tích phân(I, PI, PD PID) oa nl * Bộ điều khiển PD d Bộ điều khiển mờ PD mô tả sơ đồ sau: va an lu P - Bộ điều khiển mờ Đối tượng oi m d det dt ll u nf et z at nh z Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD l gm @ * Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển mờ PI mô tả sơ đồ sau: m co an Lu n va ac th si 60 et d det dt - P Bộ điều khiển mờ Đối tượng I Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) Ta sử dụng mơ hình sau để giải tốn này: lu et an  n va - Đối tượng Bộ điều khiển mờ I gh tn to p ie Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) w 3.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi oa nl Bộ điều khiển mờ thích nghi có phương pháp cấu trúc bản: d + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp lu an tổng quát sơ đồ hình 3.12 va + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp ll u nf tổng quát sơ đồ hình 3.13 oi m z at nh Bộ chỉnh định mờ Nhận dạng tham số z gm @ y Đối tượng m co - Bộ điều khiển l x an Lu Hình 3.12: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp n va ac th si 61 Nhận dạng tham số Bộ chỉnh định mờ x Bộ điều khiển - y Đối tượng Hình 3.13 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp lu an 3.1.2.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID n va Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc hình to 3.14: p ie gh tn Bộ điều khiển mờ KI KD x oa nl w KP d - y Đối tượng va an lu Bộ điều khiển PID ll u nf Hình 3.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển oi m PID 3.2.1 Phương pháp thiết kế z at nh 3.2 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID [1] z Bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa phương pháp biết gm @ phương pháp tổng hợp hệ thống Ziegler Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch … Bộ điều khiển sở cho việc tổng hợp hệ thích l nghi sau Khác với phương pháp dùng công tắc chọn điều khiển phù hợp m co hệ lai, thơng số điều khiển thích nghi hiệu chỉnh trơn Một điều an Lu khiển PID với đầu vào e(t), đầu u(t) có mơ hình tốn học sau: n va ac th si 62  t det  ut   K P et    et dt  TD TI dt   K Hoặc G PID s   K P  I  K D s s K K đó: TI  P TD  D KI KP (2.13) (2.14) Bộ chỉnh định mờ de e, dt lu Thiết bị chỉnh định an n va … Bộ điều khiển PID to x gh tn - y Đối tượng p ie Hình 3.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID nl w d oa Bộ chỉnh định mờ KD Bộ chỉnh định mờ u nf va e an lu e KP ll  oi m Bộ chỉnh định mờ z at nh Hình 3.16 Bên điều chỉnh mờ z de sai lệch Có nhiều phương pháp chỉnh định tham số dt m co lệch e(t) đạo hàm l gm @ Các tham số KP, TD, TI hay KP, KI, KD điều khiển PID chỉnh định sở phân tích tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống, xác sai an Lu cho điều khiển PID chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, song phương án đơn giản dễ áp dụng phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka (hình 2.1) Với giả thiết tham số KP, KD bị chặn, tức là: n va ac th si 63    max max K P  K K D  K P ,KP D ,KD  Zhao, Tomizuka Isaka chuẩn hóa tham số sau: K P  K K D  K P D k D  max k P  max KP  KP K D  K D để có  kP, kD  det  đầu kP, kD dt Như chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), TI k 2P   kI  TD k D  Trong đó:  lu  an A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 C1 C2 C3 C4 n va e, e ie gh tn to emax -emax Hình 3.17: Tập mờ e e’  p Hình 3.18: Tập mờ  B1 B2 d oa nl w  KP; KD u nf va an lu ll Hình 3.19: Tập mờ Kp KD m oi Ở ta thiết kế thành ba điều khiển mờ để chỉnh định tham số, sau z at nh tích hợp thành chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), det  đầu KP, dt z KD  Với tập mờ đầu vào (hình 3.17), tập mờ đầu cho biến KP, KD (hình @ m co l Max-prod giải mờ phương pháp độ cao gm 3.19) tập mờ đầu  (hình 3.18) Triển khai mệnh đề hợp thành theo nguyên tắc an Lu n va ac th si 64 Các luật chỉnh định: * Luật chỉnh định Kp: e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A3 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A0 B1 B1 B1 B2 B1 B1 B1 A4 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A5 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A6 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 lu an n va * Luật chỉnh định KD: A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 A2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B1 A3 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A5 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 A6 B1 B1 B1 B1 B1 B1 A0 A4 A5 A6 C1 C1 C1 C1 C2 A1 w p ie gh tn to e e d A4 oa nl A0 an lu ll u nf va B1 m oi * Luật chỉnh định : z at nh A1 A2 A3 A1 C1 C1 C1 A2 C2 C2 C1 C1 A3 C3 C2 C2 C1 A0 C4 C3 C2 C2 C2 A4 C3 C2 C2 C1 C2 C2 A5 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A6 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 z  e e C2 C2 C3 C3 C4 m co l gm @ C2 C1 C3 an Lu n va ac th si 65 3.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để cải thiện chất lượng điều khiển PID kinh điển 3.3 Khảo sát mô Matlab/Simulink 3.3.1 Sơ đồ mô Để mô đánh giá chất sử dụng phương pháp điều khiển mở chỉnh định tham số điều khiển PID, trước hết ta thiết kế điều khiển PID cho ổ đỡ từ bậc tự [2]: Như chương ta xác định điều khiển tiền xử lý R (2.69), lu điều khiển phản hồi trạng thái M (2.68) xác định hàm truyền đạt an n va kênh độc lập (2.66) (2.67), vấn đề thiết kế điều khiển cho kênh vô to thuận lợi dễ dàng Ở đây, đặt vấn đề thiết kế điều khiển cho đối tượng hai ổ gh tn đỡ từ có cấu trúc hình 2.21, số liệu đối tượng bảng 1, điều p ie khiển sử dụng PID có thơng số KP , KI , KD tổng hợp theo phương pháp thực nghiệm Giá trị cụ thể sau: oa nl w Bộ điều khiển PID1: Kp = 2, KI = 0,5, KD = 0,1; Bộ điều khiển PID2: Kp = 4, KI = 1, KD = 0,15; d an lu Bộ điều khiển PID3: Kp = 10, KI = 2, KD = 0,45; va Bộ điều khiển PID4: Kp = 4, KI = 2, KD = 0,2 ll u nf * Sơ đồ mô với điều khiển PID oi m z at nh z m co l gm @ an Lu Hình 3.20: Sơ đồ mơ ổ đỡ từ với cấu trúc điều khiển PID n va ac th si 66 * Sơ đồ mô với điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID lu an n va Hình 3.21: Sơ đồ mơ ổ đỡ từ với cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID tn to Trong điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc mơ phỏng: p ie gh d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Hình 3.22: Các khối điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID an Lu n va ac th si 67 Bộ đk tiền xử lý M Bộ đk phản hồi trạng thái R lu an Hình 3.23: Các khối đk tiền xử lý M điều khiển phản hồi trạng thái R ie gh tn to - Trường hợp không xét đến nhiễu Dap ung theo truc x, y cua o tu p 1.5 x1 y1 x2 y2 d oa nl w va an lu 0.5 ll u nf x,y (mm) n va 3.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ với điều khiển PID m -0.5 oi z at nh -1 z 0.05 0.1 0.15 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 l gm 0.25 t (s) @ -1.5 m co Hình 3.23a: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 1mm; x2 = -1,2 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển PID an Lu n va ac th si 68 Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 lu -1 an va -1.5 n 0.05 0.1 0.15 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.23b: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 1mm; x2 = -1,2 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID p ie gh tn to 0.25 t (s) Dap ung theo truc x, y cua o tu w 1.5 d oa nl x1 y1 x2 y2 ll u nf oi m x, y (mm) va an lu 0.5 z at nh -0.5 z 0.05 0.1 0.15 0.2 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 m co 0.25 t (s) l gm @ -1 an Lu Hình 3.24a: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển PID n va ac th si 69 Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 lu an 0.05 0.1 0.15 0.2 n va -1 0.25 t (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 p ie gh tn to Hình 3.24b: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID - Trường hợp xét có nhiễu nl w Dap ung theo truc x, y cua o tu co nhieu oa d x1 y1 x2 y2 lu 1.5 va an 0.5 oi m z at nh x, y (mm) ll u nf -0.5 z @ 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 m co l -1.5 gm -1 an Lu Hình 3.25a: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển PID (có nhiễu) n va ac th si 70 Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 lu an -1 0.1 0.2 0.3 0.4 n va 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 p ie gh tn to Hình 3.25b: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID (có nhiễu) * Nhận xét w d oa nl Từ kết mơ hình 3.23ab đến hình 3.25ab cho thấy cách sử dụng các điều khiển tiền xử lý M điều khiển phản hồi trạng thái R tính tốn trên, từ hệ MIMO tách thành hệ SISO độc lập điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID làm việc tốt Không có mà điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cải thiện chất lượng so với điều khiển PID (sai lệch tĩnh thời gian độ ngắn hơn) Điều cho thấy tính đắn thuật toán điều khiển với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho ổ đỡ từ ll u nf va an lu oi m z at nh 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: z @ - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ m co l - Mô hệ thống gm - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID - Đánh giá chất lượng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID có so sánh với điều khiển PID mô Matlab/Simulink an Lu n va ac th si 71 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 Nhiệm vụ cụ thể "Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ" Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan động tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học ổ đỡ từ tích cực điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ lu an Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định n va tham số điều khiển PID cho động tích hợp ổ đỡ từ (trong tập trung vào điều tn to khiển ổ đỡ từ chủ động bậc tự do), tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết gh mô Matlab/Simulink Với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số p ie PID qua mô cho thấy chất lượng cải thiện đáng kể so với điều khiển w PID kinh điển Qua đánh giá có kết định song vấn đề hoàn thiện an lu Kiến nghị d oa nl triển khai vào thực tiễn đòi hỏi thời gian nghiên cứu nhiều u nf va Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn cịn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn ll oi m thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác sau này, áp dụng z at nh điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất z m co l gm @ an Lu n va ac th si