Thiết kế bộ điều khiển hiện đại cho hệ thống vòng bi từ chủ động 4 bậc tự do

Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn TRẦN LỤC QUÂN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TỰ ĐỢNG HÓA CHO HỆ THỐNG VỊNG BI TỪ CHỦ ĐỘNG BẬC TỰ DO TRẦN LỤC QUÂN TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VÒNG BI TỪ CHỦ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung Các vòng bi từ sử dụng lực từ để hỗ trợ cho chuyển động máy mà khơng cần có tiếp xúc học Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ đưa số ưu điểm bật so với loại ổ đỡ thông thường, ví dụ ổ đỡ vịng bi hay ổ đỡ chất lỏng Những ưu điểm bao gồm loại bỏ hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao đặc tính động điều chỉnh Các vịng bi từ có khả đáp ứng khả chịu tải lớn cách tối ưu hóa hệ thống thông số vật liệu, bao gồm khe hở khơng khí ổ đỡ, từ thơng bão hịa vật liệu từ, diện tích bề mặt ổ đỡ, số lượng vịng dây cực từ cơng suất khuếch đại Các vịng bi từ cho phép làm việc môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp chân 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 hướng trục, dòng điện, nhiệt độ tốc độ quay mà hệ thống đo lường cịn phân tích cân bằng cách tính tốn vị trí biên độ Bộ điều khiển thay đổi thuộc tính tắt dần độ cứng ổ đỡ Điều cho phép điều khiển điều chỉnh đặc tính động ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng hệ thống làm giảm rung động lan truyền [1, 2, 6] Ứng dụng công nghệ đỡ từ trải qua phát triển rõ rệt khoảng ba thập kỷ qua Rất nhiều nghiên cứu quan trọng tiến hành bao trùm lên tất lĩnh vực liên quan đến vịng bi từ Ta kể bao gồm công nghệ cảm biến điều khiển, mô hình hóa nhận dạng, cơng nghệ vật liệu thành phần… Cho đến nay, nhận thức trọng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tâm thiết kế vòng bi từ có bước tiến rõ rệt việc ứng dụng vòng bi từ vào ứng dụng thực tiễn vượt mong muốn ban đầu Các ứng dụng quan trọng vòng bi từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, thiết bị y tế công nghệ cao, ứng dụng cho môi trường tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, thiết bị làm việc ngồi khơng gian, hệ thống bánh đà tích trữ lượng cách ly rung động [1, 2] 1.2 Lịch sử phát triển Kể từ năm 1970s đến nay, kỹ thuật truyền động điện xoay chiều phát triển ứng dụng rộng rãi, chúng ngày thể ưu vượt trội so với truyền động điện chiều Sự lớn mạnh truyền động điện xoay chiều phủ nhận được, chúng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực từ công nghiệp sản phẩm dân dụng Tuy nhiên, số ứng dụng định, loại hình bộc lộ số nhược điểm đáng kể Do cấu tạo khí, máy điện loại sử dụng ổ đỡ cổ điển máy điện chiều Các loại ổ đỡ thông thường thiết phải bảo dưỡng định kỳ Công việc bảo dưỡng trở thành toán nan giải động làm việc số lĩnh vực ứng dụng đặc biệt có mơi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao thấp, hóa chất độc hại, phóng xạ hay chí ngồi khơng gian…, lúc địi hỏi người bảo dưỡng phải có tay nghề cao kèm theo chi phí bảo dưỡng lớn Chính xuất phát từ vấn đề thực tế này, nhiều nghiên cứu hướng đến mục tiêu thay ổ đỡ truyền thống biện pháp mà không địi hỏi nhu cầu bảo trì bảo dưỡng, sử dụng vịng bi từ hướng nghiên cứu thành công [1, 2] Trên thực tế, phát minh sớm liên quan vòng bi từ tích cực cấp cho Jesse Beams trường Đại học Virginia thời kỳ Chiến tranh giới thứ II [3] Sáng chế ứng dụng cho trình siêu ly tâm để phục vụ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn cho công đoạn tinh luyện sản xuất bom ngun tử Tuy nhiên, cơng nghệ lúc chưa đủ lớn mạnh xuất công nghệ tiên tiến điện tử bán dẫn điều khiển máy tính, với nghiên cứu Habermann Schweitzer Sau nghiên cứu vịng bi từ thuộc chương trình nghiên cứu Máy điện quay Điều khiển công nghiệp tiếp tục Đại học Virginia Cho đến năm 1988, có vài viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu vịng bi từ Có thể kể đến gồm: phịng thí nghiệm Higuchi, ĐH Tokyo (Nhật Bản), phịng thí nghiệm Schweitzer, Học viện cơng nghệ Zurich (Thụy Sỹ), phịng thí nghiệm Allaire, ĐH Virginia (Hoa Kỳ) phịng thí nghiệm Matsumura, ĐH Kanazawa (Nhật Bản) [5] Tại hội nghị khoa học quốc tế công nghệ treo từ tính (International Symposium on Magnetic Bearings - ISMB) tổ chức vào tháng 6, 1988 Thụy Sỹ, GS Schweitzer (Học viện công nghệ Zurich), GS Allaire (ĐH Virginia) GS Okada (ĐH Ibaraki) người đặt móng cho Hiệp hội quốc tế cơng nghệ treo từ tính Tính đến năm 2008, ISMB trải qua 20 năm phát triển với 11 hội nghị khoa học quốc tế tổ chức, có số đánh giá cụ thể lịch sử phát triển AMB thực [4, 5] Kasarda ứng dụng thương mại AMB máy gia tốc AMB cho phép loại bỏ bồn chứa dầu máy nén đường ống dẫn dầu công ty truyền tải khí đốt NOVA (NGTL) Alberta, Canada Điều làm giảm nguy cháy nổ cho phép giảm giá thành bảo hiểm Thành công việc ứng dụng cơng nghệ treo từ tính khiến cho NGTL trở thành nơi dẫn đầu nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số cho treo từ tính thay cho hệ thống điều khiển tương tự công ty Magnetic Bearings Inc (MBI), Hoa Kỳ cung cấp Một công ty Pháp S2M, thành lập năm 1976, công ty thương mại hóa cơng nghệ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn AMB thị trường Công ty dành phần lớn công sức nghiên cứu thời gian ban đầu để quan tâm đến điều khiển rung động máy điện quay tàu ngầm nhằm làm giảm nhiễu sóng âm Tất nhiên nghiên cứu khơng cơng khai hóa bí mật qn Các ứng dụng AMB tạo dựng bước tiến vững loạt công nghệ ứng dụng khác Các bơm gia tốc phân tử tạo nên đóng góp quan trọng ngành cơng nghiệp bán dẫn Ngồi ra, cơng nghệ chân không, máy nén thu thành công định dựa hệ thống AMB Tim nhân tạo hứa hẹn bước đột phá cho ứng dụng y sinh tương lai không xa [5] Đầu năm 1987, Akira Chiba đề xuất khái niệm động không ổ đỡ Một năm sau đó, năm 1988, mơ hình động không ổ đỡ xây dựng Trường ĐH Khoa học Tokyo Mẫu phát minh cho ý tưởng động không ổ đỡ cho loại máy điện khác nhau, chẳng hạn như: cảm ứng, kích thích vĩnh cửu, từ trở đồng bộ… đệ trình sau năm [1] Từ đến nay, khái niệm phát triển cho nhiều loại máy điện khác Một số đóng góp đáng kể phát triển động dùng AMB tổng hợp bảng 1.1 [16] Kể từ năm 1990s, máy điện không ổ đỡ triển khai nghiên cứu Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc nơi khác Sau 20 năm phát triển, đánh giá khái quát triển vọng phát triển tương lai vịng bi từ nói chung AMB nói riêng nhận định H Bleuler [5] xu hướng tích hợp hệ thống khơng cịn phát triển nhanh chóng số năm trước nữa, thay vào phát triển ứng dụng Hướng phát triển cho vòng bi từ thụ động mở ứng dụng hứa hẹn phát triển nhanh chóng Ngồi ra, loại ổ đỡ tự cảm biến nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành công thành ứng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn dụng công nghiệp Các vòng bi từ tiếp tục mối quan tâm lớn nhà nghiên cứu nhà kỹ thuật Các ứng dụng phát triển mạnh nhiều lĩnh vực khác vòng 20 năm tới Bảng 1.1 Các đóng góp tiêu biểu [16] Năm Cơng trình nghiên cứu Tác giả Động khơng ổ đỡ kích thích vĩnh cửu với Bischel Quốc gia Thụy Sỹ 1991 động cực ổ đỡ cực Động từ cảm không ổ đỡ Chiba Nhật Bản Phân tích động AC khơng ổ đỡ Chiba Nhật Bản 1994 Điều khiển vector cho động cảm ứng không ổ Schoeb Thụy Sỹ đỡ 1995 1996 1997 1998 So sánh vịng bi từ kiểu kích thích vĩnh Okada Nhật Bản cửu kiểu cảm ứng Động trượt không ổ đỡ Schoeb Thụy Sỹ Động treo từ tính hướng trục Okada Nhật Bản Động treo từ tính cho thiết bị bơm máu Okada Nhật Bản Động không ổ đỡ kiểu AMB lai Okada Nhật Bản Động trượt không ổ đỡ cho bơm máu ly tâm Ueno Nhật Bản Ichikawa Nhật Bản Okada Nhật Bản 1999 Động không ổ đỡ kiểu đơn cực Động không ổ đỡ kiểu lực Lorentz 2000 Động - Ổ đỡ kết hợp kiểu khe hở hướng trục Ueno Nhật Bản hai chiều 2003 2005 Bơm tim nhân tạo dùng động không ổ đỡ Okada Nhật Bản hướng trục Không cảm biến chuyển vị cho động không ổ Okada Nhật Bản đỡ Động không ổ đỡ kiểu segment Gruber 2006 Nhận biết lực hướng kính tốc độ cho động Chiba Áo Nhật Bản khơng ổ đỡ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Năm Tác giả Quốc gia 2007 Động không ổ đỡ kiểu từ trở đồng Takemoto Nhật Bản 2009 Động không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo Asama Nhật Bản 2010 Cơng trình nghiên cứu Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động DC Grabner Áo không chổi than, không ổ đỡ 1.3 Nguyên lý làm việc phân loại vòng bi từ 1.3.1 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 không khí hai lần theo chiều thẳng đứng Lực hấp dẫn vật thể treo lõi sắt từ hàm số dòng điện i, tỷ lệ thuận với bình phương với dịng điện i lõi sắt từ chưa bão hòa Trong điều kiện xác lập, lực hấp dẫn điều chỉnh để với tích trọng lượng vật treo m gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân lực Sensor chuyển vị đo mức độ dịch chuyển vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn Điện áp sensor tín hiệu đầu vào cho điều khiển Một vi xử lý đóng vai trị điều khiển tạo tín hiệu điều khiển từ thơng tin đo lường, khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển thành dịng điện điều khiển, dòng điện sinh từ trường mạch từ, lực từ tạo Bằng cách đó, vật thể treo vị trí lơ lửng Một lượng đặt lực từ tạo để treo ổn định vật thể Lượng đặt lực tổng đại lượng lực tắt dần lực đàn hồi Lượng điều khiển lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị vật thể treo Còn lực tắt dần lực tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển vật thể treo Các đại lượng có chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ngược với chuyển vị tốc độ phản hồi âm Bộ điều khiển tạo lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện điều khiển dòng điện cách đặt điện áp lên đầu cuộn dây Hình 1.1[1]: Cấu trúc hệ thống treo từ tính Hình 1.2[1]: Chức vòng bi từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Dòng điện i chạy cuộn dây, ta giả thiết cuộn dây có số vịng dây N lực từ động (MMF) sinh Ni Với vật liệu sắt từ có độ thẩm từ cao từ thơng theo đường hình vẽ qua 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 nhiên, độ tập trung từ thơng cực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn phương x y nhanh chóng giảm zero) khoảng 0.4s Đại lượng điều khiển đầu vào (hình 4.5), ix, y(t) tiến đến zero khoảng thời gian ngắn, khoảng 0.2s Tuy nhiên, điểm cực chọn lại khiến cho hệ phải tiêu tốn nhiều lượng cho đại lượng điều khiển đầu vào để làm cho hệ ổn định hóa nhanh Hình 4.4: Đáp ứng đầu theo hai phương x, y hệ thống điều khiển vịng kín (Các điểm cực chọn trước) Hình 4.5: Dịng điện điều khiển đầu vào hệ thống vịng kín (Các điểm cực chọn trước) Trong đó, hình 4.6 4.7, điểm cực xác định dựa tiêu chuẩn ITAE Thời gian để hệ thống đạt độ ổn định hóa dài đáng kể (gấp khoảng lần) Tuy vậy, lượng điều khiển đầu vào lại giảm nhiều (xem hình 4.7) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.6: Đáp ứng đầu theo hai phương x, y hệ thống điều khiển vòng kín (Các điểm cực chọn theo tiêu chuẩn ITAE loại I) Hình 4.7: Dịng điện điều khiển đầu vào hệ thống vịng kín (Các điểm cực chọn theo tiêu chuẩn ITAE loại I) Hình 4.8 biểu diễn đáp ứng đầu độ chuyển dịch vị trí rotor theo thời gian hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ thống AMB DOF Với điểm cực lựa chọn trước, hệ thống đạt ổn định hóa từ điều kiện đầu tùy ý Khi điều khiển phản hồi trạng thái có bổ sung thêm quan sát Luenberger, đáp ứng đầu hệ thống ứng với điều kiện đầu tùy ý biểu diễn hình 4.9 Do điểm cực chọn cho quan sát Luenberger lớn gấp 10 lần điểm cực hệ vòng kín chưa có quan sát nên đáp ứng nhanh đầu quan sát Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.8: Đáp ứng đầu hệ thống AMB DOF điều khiển phản hồi chưa có quan sát Luenberger Hình 4.9: Đáp ứng đầu quan sát Luenberger Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 http://www.lrc-tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Mục tiêu đề tài thiết kế thành công giải pháp điều khiển tập trung cho hệ thống AMB DOF Để hoàn thành mục tiêu đề ra, luận văn trình bày có hệ thống vấn đề liên quan đến đối tượng AMB, toán đặt giải pháp điều khiển Trong phần tổng quan, luận văn có khảo sát chi tiết lịch sử phát triển, nguyên lý làm việc phân loại hệ thống treo từ tính Đối với hệ thống AMB, đối tượng nghiên cứu đề tài, cấu trúc, đặc trưng công nghệ liên quan chúng đề cập chi tiết thêm Ngồi ra, cơng nghệ liên quan có hỗ trợ trực tiếp cho hệ thống AMB ứng dụng tiêu biểu góp phần khơng nhỏ cho phát triển mạnh công nghệ năm gần kể đến Trong số nhiều nghiên cứu nước vấn đề này, luận văn lựa chọn số nghiên cứu tiêu biểu chủ yếu tập trung vào thiết kế giải pháp điều khiển cho AMB để góp phần làm rõ tình hình nghiên cứu AMB Bản luận văn giành khối lượng đáng kể cho việc mơ tả tốn học cho đối tượng vật lý AMB DOF Đây công việc quan trọng, lẽ đối tượng mơ hình hóa đắn giải pháp điều khiển đề xuất thực có ý nghĩa nghiên cứu triển khai thực tế Mặc dù số mối quan hệ đại lượng vật lý tuyến tính hóa, bỏ qua để phù hợp với quy mơ tốn đặt ra, nhiên ảnh hưởng xen kênh không mong muốn (do hiệu ứng hồi chuyển gây nên) gây tác động xấu đến chất lượng làm việc động hệ thống xem xét mơ tả kỹ lưỡng Các phương trình động lực học mô tả chuyển động đối tượng nghiên cứu xây dựng thành công dựa định luật – điện – điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 http://www.lrc-tnu.edu.vn từ Từ đây, phương trình vi phân biểu diễn dạng ma trận để thích hợp với q trình tính tốn theo giải pháp điều khiển đề xuất Đối tượng cần điều khiển sau mô tả toán học hệ MIMO chịu ảnh hưởng xen kênh không mong muốn hệ ổn định cố hữu Với giải pháp điều khiển đề xuất chương 3, luận văn giải hai vấn đề vừa đề cập Trước tiên, phương pháp tách kênh động Falb-Wolovich áp dụng thành công để biến đổi triệt để hệ MIMO có ảnh hưởng xen kênh đầu vào đầu thành hệ MIMO gồm nhiều hệ SISO độc lập, với đầu phụ thuộc vào đầu vào Tiếp theo, hệ thống MIMO sau tách kênh điều khiển phương pháp phản hồi trạng thái hai trường hợp khơng có quan sát trạng thái Luenberger có mặt quan sát Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái quan sát Luenberger thực riêng biệt điểm cực vịng kín mong muốn hệ thống điều khiển khơng thay đổi có mặt quan sát trạng thái Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để thực tính tốn thiết kế điều khiển cho đối tượng AMB DOF Minh họa cho kết tính tốn trình bày cụ thể chương Kết mô giải pháp điều khiển đề xuất cho thấy đặc tính đầu biểu diễn cho mối quan hệ độ chuyển dịch rotor AMB theo thời gian đáp ứng tốt Dưới tác động điều khiển phối hợp này, hệ thống MIMO AMB DOF nhanh chóng thu ổn định hóa Năng lượng sử dụng để điều khiển cuộn dây điện từ nhỏ hệ vào ổn định Các kết tính tốn mơ cho thấy hệ thống đạt chất lượng động tốt Tóm lại, luận văn triển khai giải toàn vấn đề đặt ban đầu Các kết tính tốn mơ hồn tồn thỏa mãn với mục tiêu ban đầu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 http://www.lrc-tnu.edu.vn B Kiến nghị Mặc dù luận văn giải triệt để vấn đề đạt ra, nhiên việc điều khiển chủ động cho AMB cần phải có nghiên cứu kỹ lưỡng mở rộng Đối với hướng nghiên cứu thiết kế điều khiển đại cho AMB, hệ phương trình động học mơ tả chuyển động quay rotor AMB nghiên cứu hồn tồn thừa kế Đối với giải pháp thiết kế điều khiển tuyến tính, nghiên cứu sau nên tiếp cận đến khả tối ưu, bền vững chất lượng làm việc động hệ thống Các phương pháp áp dụng bao gồm: LQG, LQG/LTR, H ¥ , tổng hợp- m … Tuy vậy, giải pháp điều khiển tuyến tính gặp phải hạn chế định yếu tố như: tuyến tính hóa mối quan hệ độ chuyển dịch, lực điện từ dòng điện cuộn dây đối tượng, số ảnh hưởng khác như: độ bão hòa vật liệu sắt từ, độ bão hịa khuếch đại cơng suất, thời gian trễ điều khiển cấu chấp hành, tính phi tuyến nhiễu cảm biến gây nên, ảnh hưởng dịng eddy, tính phi tuyến đường cong B-H… Điều khiển phi tuyến, hướng nghiên cứu triển vọng khác, thách thức, đương đầu với ảnh hưởng kể đạt chất lượng làm việc vượt giới hạn điều khiển tuyến tính đem lại Hướng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm nhằm đóng góp cho khả ứng dụng AMB vào thực tiễn ngày rộng rãi cung cấp chất lượng làm việc ngày cao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo [1] Akira Chiba, Tadashi Fukao, Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, Masatsugu Takemoto and David G Dorrell, Magnetic Bearings and Bearingless Drives Newnes, 2005 [2] Gerhard Schweitzer and Eric H Maslen, Magnetic Bearings: Theory, Design, and Application to Rotating Machinery Springer-Verlag, 2009 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_bearing [4] Kasadar, M.E.F “An overview of active magnetic bearing technology and applications”, The Shock and Vibration Digest, Vol.32(2), pp.91 – 99, 2000 [5] Hannes Bleuler, “20 years ISBM: Then, Now, Future”, 11th International Symposium on Magnetic Bearings, K-1, August 2008 [6] Schweitzer, G, Active Magnetic Bearings – Chances and Limitations, Proceedings of the 6th International Conference on Rotor Dynamics, Sydney, Australia, Sep 2002 [7] Nguyễn Quang Địch, “Giới thiệu vòng bi từ ứng dụng”, Báo cáo Khoa học ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên, 01/2011 [8] Đỗ Khắc Đức, Nguyễn Thị Thanh Bình, “Điều khiển thích nghi bền vững hệ phi tuyến chịu nhiễu ngoại sinh thay đổi theo thời gian”, Tạp chí KH&CN – Đại học Thái Nguyên, số (45) Tập 1/2008 [9] Nguyễn Thị Thanh Bình, “Tổng quan ổ đỡ từ vấn đề điều khiển chúng”, Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên số tháng 4-2009 [10] Nguyễn Như Hiển , Nguyễn Thị Thanh Bì nh , “Điều khiển phản hồi hai bậc tự cho ổ đỡ từ”, Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên 07/2010 [11] Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Thị Thanh Bì nh, “Thiết kế điều khiển mờ lai cho ổ đỡ từ”, Tạp chí KH&CN Đại học Thái Nguyên 12-2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 http://www.lrc-tnu.edu.vn [12] Russell D Smith and William F Weldon, “Nonlinear control of a Rigid Rotor Magnetic Bearing System: Modeling and Simulation with Ful state feedback”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 31, No 2, March 1995 [13] Abdul R Husain, Mohamad N Ahmad and Abdul H M Yatim, “Deterministic models of a Active Magnetic Bearing System”, Journal of Computers, Vol 2, No 8, October 2007 [14] Marcio S de Queiroz and Darren M Dawson, “Nonlinear control of Active Magnetic Bearing: A backstepping approach”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 4, No 5, March 1996 [15] John Y.Hung, Nathaniel G Albrinton and Fan Xia, “Nonlinear control of a magnetic bearing system”, Mechantronics, Vol 13, pp 621- 637, 2003 [16] Nguyễn Quang Địch, “Control of Degrees of Freedom Salient AxialGap Self-bearing Motor”, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản, 2010 [17] Chengkang Xie, “Nonlinear Output Feedback Control: An Analysis of Performance and Robustness”, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Đại học Southampton, Anh Quốc, 2004 [18] Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Hiền Trung, “Thiết kế quan sát tối ưu có thời gian hữu hạn ứng dụng vào điều khiển tách kênh hệ tuyến tính phản hồi đầu theo nguyên lý tách”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ trường Đại học Kỹ thuật, Số 77, 2010 [19] Tian Ye, Sun Yanhua, Yu Lie, “LQG Control of Hybrid Foil-Magnetic Bearing”, 12th International Symposium on Magnetic Bearings, August, 2010 [20] Chunsheng Wei, Dirk Soffker, “MIMO-control of a Flexible Rotor with Active Magnetic Bearing”, 12th International Symposium on Magnetic Bearings, August, 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 http://www.lrc-tnu.edu.vn [21] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [22] Nguyễn Dỗn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [23] Boštjan Polajžer (Edited), Magnetic Bearings, Theory and Applications, Sciyo, 2010 [24] John Vance, Fouad Zeidan and Brian Murphy, Machinery Vibration and Rotordynamics, John Wiley & Sons, 2010 [25] P Albertos and A Sala, Multivariable Control Systems, SpringerVerlag, 2004 [26] Roland Burns, Advanced Control Engineering, Butterworth-Heinemann, 2001 [27] Eric Ostertag, Mono- and Multivariable Control and Estimation: Linear, Quadratic and LMI Methods, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 [28] Ashish Tewari, Modern Control Design with MATLAB and SIMULINK, John Wiley & Sons 2002 [29] Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering, 4th Ed, Prentice-Hall, 2002 [30] Robert L Williams II, Douglas A Lawrence, Linear State-Space Control Systems, John Wiley & Sons, 2007 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 http://www.lrc-tnu.edu.vn Phụ lục Chƣơng trình tính tốn phần mềm Matlab %%%Chuong trinh tinh toan cho Luan van Thac sy Ky thuat%%% %%%Thiet ke bo dieu khien hien dai cho AMB DOF%%% %%%Nguoi thuc hien: TRAN LUC QUAN, lop K12-TDH, DH Ky thuat Cong nghiep%%% clear all; close all; KsA =-4.651*10^5; KsB =-4.651*10^5; % Force-Displacement constant (N/m) KiA =102.325; KiB =102.325; % Force-Current constant (N/A) m=12.4; g = 9.81; % Weight of motor (kg) Jx=0.222; Jy=0.222; % Momen quan tinh tren truc x va y (kgm2) Jz=6.88*10^-3; % Momen quan tinh tren truc z (kgm2) la=-0.21; lc=-0.21; lb=0.21; ld=0.21; lrt=0.21; Omega=10000; wn=3; % Cac ma tran bieu dien cho AMB DOF M = [Jy 0 ; m 0 ; 0 Jx ; 0 m]; Minv = inv(M); G = [0 Jz*Omega ; 0 0 ; -Jz*Omega 0 ; 0 0]; KD = [2*KsA*lrt^2 0 ; 2*KsA 0 ; 0 2*KsA*lrt^2 ; 0 2*KsA]; Bf = [lrt^2 0 ; 0 ; 0 lrt^2 ; 0 1]; Ts = [lc 0; ld 0; 0 lc 1; 0 ld 1]; Ks = [0 KsA –KsB; KsA -KsB 0; KsA KsB 0; 0 KsA KsB]; % He so Luc - Chuyen vi Ki = [0 KiA –KiB; KiA KiB 0; KiA -KiB 0; 0 KiA KiB]; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 http://www.lrc-tnu.edu.vn % He so Luc - Dong dien Kss = [(KsA*la^2+KsB*lb^2) (KsA*la+KsB*lb) 0 (KsA*la+KsB*lb) (KsA+KsB) 0 0 (KsA*la^2+KsB*lb^2) (KsA*la+KsB*lb) 0 (KsA*la+KsB*lb) (KsA+KsB)]; % Bieu dien duoi dang mo hinh khong gian trang thai format short g A = [zeros(4) eye(4); Minv*(KD-Bf*Ks*Ts) Minv*G] B = [zeros(4); Minv*Bf*Ki] C = [eye(4) zeros(4)] D = [zeros(4)] G_OL =ss(A,B,C,D) % He ho (Openloop) cua 4_DOF_AMB damp(G_OL) % Hien thi cac gia tri rieng (eigenvalues); % ty so tat dan va tan so tu nhien (w_n) % Bieu dien su phan bo cua cac gia tri rieng tren he toa Real/Image figure(1); pzmap(G_OL); grid on; H = minreal(tf(G_OL)) % Ma tran ham truyen cua 4_DOF_AMB % Ap dung phuong phap tach kenh dong Falb-Wolovich [G1,K,d,Gam]=decoupler(G_OL) G11 = ss(G1,'min'); [A1,B1,C1,D1] = ssdata(G11) G_OL=ss(A1,B1,C1,D1); t = [0:.01:1.6]; u2=[zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t))]; x0 = [0.5 0.01 0.1 0 0.05 0.02]; [Yol,t,Xol]=lsim(G_OL,u2,t,x0); Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 http://www.lrc-tnu.edu.vn % Ap dat diem cuc cho he mo rong theo lua chon kinh nghiem p1=[-1+i,-1-i,-2 - 1.95i,-2 + 1.95i,-3,-4,-5-5.5i,-5+5.5i]; p11 = 3*p1; K1=place(A1,B1,p11); Asys=A1-B1*K1; Bsys=B1; Csys=C1; Dsys=D1; eig(Asys); %Check the eigenvalues Gsys_CL1=ss(A1-B1*K1,B1,C1,D1); %Gsys_CL1=ss(A1-B1*K1,zeros(8,4),C1,D1); t = [0:.01:1.6]; u1=[0.02*ones(size(t));0.02*ones(size(t));0.02*ones(size(t));0.02*ones(size(t ))]; u2=[zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t))]; x0 = [0.5 0.01 0.1 0 0.05 0.02]; figure(2); t = [0:.01:1.6]; u1=[0.02*ones(size(t));0.02*ones(size(t));0.02*ones(size(t));0.02*ones(size(t ))]; u2=[zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t))]; x0 = [0.5 0.01 0.1 0 0.05 0.02]'; [Yc1,t,Xc1]=lsim(Gsys_CL1,u2,t,x0); plot(t,Yc1(:,1),'-',t,Yc1(:,2),' ',t,Yc1(:,3),' ',t,Yc1(:,4),'black'); grid; legend('phuong x cua AMB1', 'phuong x cua AMB2', 'phuong y cua AMB1','phuong y cua AMB2'); xlabel('Thoi gian t (sec)'); ylabel('Chuyen vi rotor (m)'); title('Closed-loop control without Observer'); % Thiet ke va mo phong bo quan sat trang thai Luenberger P_obs = 10*p11; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 http://www.lrc-tnu.edu.vn Ke = place(A1',C1',P_obs)'; Ahat = A1 - Ke*C1; % Tinh toan va mo phong he thong dieu khien vong kin voi luat dieu khien va % bo quan sat Luenberger Ar = [(A1-B1*K1) B1*K1; zeros(size(A1)) A1-Ke*C1]; Br = [B1; zeros(size(B1))]; Cr = [C1 zeros(size(C1))]; Dr = D1; Gsys_r = ss(Ar,Br,Cr,Dr); [Ysys_r,t,Xsys_r] = initial(Gsys_r,[0 0.02 0.01 0 0.01 0.03 0 0 0 0]',t); figure(3); subplot(2,1,1); plot(t,Ysys_r(:,1),'-',t,Ysys_r(:,2),' ',t,Ysys_r(:,3),' ',t,Ysys_r(:,4),'black'); title('Dap ung dau cua he thong dieu khien vong kin') xlabel('Thoi gian t (s)'); ylabel('Chuyen vi Rotor (m)'); legend('phuong x cua AMB1', 'phuong x cua AMB2', 'phuong y cua AMB1','phuong y cua AMB2'); grid on; u=-K1*Xsys_r'; subplot(2,1,2); plot(t,u); title('Dai luong dieu khien dau vao cua he thong') xlabel('Thoi gian t (s)'); ylabel('Dong dien dau vao i(A)'); legend('i_x(A)', 'i_y(A)'); set(gca,'FontSize',12); grid on; % Bieu dien cac thi minh hoa figure(3); Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 http://www.lrc-tnu.edu.vn t = [0:.01:1.6]; x0r = [0 0.01 0 0 0 0.01 0 0.01 0.01]'; u2=[zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t))]; [Yr,t,Xr]=lsim(Gsys_r,u2,t,x0r); plot(t,Yr(:,1),'-',t,Yr(:,2),' ',t,Yr(:,3),' ',t,Yr(:,4),'black'); grid; legend('phuong x cua AMB1', 'phuong x cua AMB2', 'phuong y cua AMB1','phuong y cua AMB2'); xlabel('Thoi gian t (sec)'); ylabel('Chuyen vi rotor (m)'); title('Closed-loop control with Observer'); figure(4); plot(t,Yol(:,1),'red',t,Yc1(:,1),'blue',t,Yr(:,1),'black'); grid; legend('Opened-loop', 'Closed-loop', 'CL with Observer'); xlabel('Thoi gian t (sec)'); ylabel('Chuyen vi rotor (m)'); title('So sanh dap ung giua OL-CL-CL&Obs'); est=estim(G_OL,Ke); t = [0:.01:0.2];u2=[zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t));zeros(size(t))]; x01 = [0.5 0.01 0.1 0 0.05 0.02]'; [Yest,t,Xest]=lsim(est,u2,t,x01); figure(5); plot(t,Yest(:,1),'-',t,Yest(:,2),' ',t,Yest(:,3),' ',t,Yest(:,4),'black'); grid; legend('Est phuong x cua AMB1', 'Est phuong x cua AMB2', 'Est phuong y cua AMB1','Est phuong y cua AMB2'); xlabel('Thoi gian t (sec)'); ylabel('Chuyen vi rotor (m)'); title('Dap ung dau cua bo quan sat Luenberger'); Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 http://www.lrc-tnu.edu.vn