Trang 1 Bộ CÔNG THƯƠNGĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HƠ CHÍ MINHBÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÃI KHOA HỌCKẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀINGHIÊN CỨU KHOẤ HỌC CÁP TRƯỜNGTên đế tài: “ Điều khiển thích nghi b
Bộ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HÔ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÃI KHOA HỌC KẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI NGHIÊN CỨU KHOẤ HỌC CÁP TRƯỜNG Tên đế tài: “ Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não cho ẻ từ có cấu trúc nguyên khối ” Mã số đề tài: 22/1D01 Chủ nhiệm đề tài: LÊ NGỌC HỘI Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện LỜI CÁM ƠN Trong suốt q trình nghiên cứu, hồn thiện đề tài, tơi gặp phải số khó khăn đề tài thực giai đoạn dịch bệnh Covid 19, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học hạn hẹp Các nghiên cứu mơ hình tốn học điều khiển cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối Hon tài liệu thiết kế điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não (RACMAC - Robust adaptive cerebellar model articulation controller) ổ từ chủ động nói chung, ổ từ ngun khối nói riêng ngồi nước chưa có cơng trình cơng bố, chưa có nhiều co hội tiếp xúc với hệ thống ổ đỡ từ thực tế Vì vậy, để hồn thành đề tài này, xin chân thành cảm on Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cấp kinh phí cho tơi thực nghiên cứu này, giúp đỡ cán Phòng Quản lý Khoa học Hợp tác quốc tế, thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh nơi tơi công tác hướng dẫn tạo điều kiện suốt q trình nghiên cứu Ngồi tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nơi làm nghiên cứu sinh giúp đỡ tơi hồn thành đề tài PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tín tống quát 1.1 Tên đề tài: “ Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối ” 1.2 Mã số: 22/1D01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đon vị công tác Vai trò thực đề tài ThS Lê Ngọc Hội Khoa Công Nghệ Điện Chủ nhiệm đề tài TS Ngô Thanh Quyền Khoa Công Nghệ Điện Tham gia 1.4 Đon vị chủ trì: Khoa Cơng Nghệ Điện 1.5 Thịi gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 08 năm 2022 đến tháng 08 năm 2023 1.5.2 Gia hạn đến: tháng 02 năm 2024 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 08 năm 2022 đến tháng 11 năm 2023 1.6 Những thay đỗi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng (về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 50 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề ỏ đỡ từ gắn liền với lịch sử đời máy móc có cấu chuyển động Trong suốt chiều dài lịch sử này, có nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng, giảm thiếu ma sát O đỡ từ Gần đây, với phát triển kỹ thuật điều khiến công nghệ bán dẫn, ổ từ dần thay ổ bi truyền thống hệ thống đòi hỏi chất lượng truyền động cao, độ ồn nhỏ, ứng dụng đặc biệt khơng có xuất dầu bôi trơn, cách sử dụng lực từ trường, ổ từ có khả nâng vật chuyển động mà khơng cần tiếp xúc [1] Trong số ổ đỡ từ giới thiệu O từ chủ động giành quan tâm nhiều lực nâng lớn lực nâng điều khiển thơng qua việc điều khiến dòng điện cấp cho ổ từ Tuy nhiên ổ từ chủ động có cấu trúc ngun khối có cơng trình nghiên cứu điều khiển Nguyên lý ố từ chủ động có cấu trúc nguyên khối cực hình 0.1: Hình 0.1: Ô từ hình c cấu tạo nguyên khối Cấu true từ chủ động có cấu trúc ngun khối gồm phận stator rotor, rotor ổ từ đuợc cấu tạo nguyên khối gắn trực tiếp vào trục cần nâng, stator cấu tạo ngun khối - mơ hình tốn học: Mạch từ (stator rotor) ổ đờ từ thường ghép thép kỹ thuật để giảm tổn hao dịng xốy có từ thơng biến thiên trong vật liệu sắt từ Tuy nhiên, ổ tù' dọc time số ứng dụng co cấu chấp hành thưòng cấu tạo nguyên khối Đặc biệt, yêu cầu độ bền học nên rotor ô từ dọc trục thường cấu tạo nguyên khối Ngồi ra, mối quan tâm chi phí nên cấu chấp hành ố đỡ từ cấu tạo nguyên khối Trong ứng dụng ổ đỡ từ cấu tạo nguyên khối hoạt động có từ trường biến thiên cấu chấp hành, dòng xoáy ảnh hương sâu sắc đến hoạt động cấu chấp hành phải xem xét mơ hình hóa hệ thống thiết kế điều khiển Theo nghiên cứu mơ hình tốn học ổ tù dọc trục cấu trúc nguyên khối, nghiên cứu báo cáo mơ hỉnh phân tích ổ từ dọc trục cấu trúc nguyên khối thực Zmood [19], người đưa mô hỉnh tốn học cho ổ từ hình chữ c cấu trúc nguyên khối có tỷ lệ chiều rộng cực chiều cao cực lớn Trong mơ hình Zmood sử dụng mô tả tù' trường chiều cho cấu trúc thép kỹ thuật điện ghép lại đưa [20] cosh (ứíy) cosh(óKỎ) (0.1) R -, Trong đó: Hs = - IN A o -I A 1T ẤA ■ độ lớn (biên độ) cường độ từ trường bê mặt, N sơ vịng dây z\ cuộn dây, ỉ dòng điều khiển, ỉeff (x) chiều dài hiệu dụng mạch từ, X chiều dài khe hở không khí, z cosh(/?2„y) »=1 Â2„cosh(A„ữ) Trong công thức (0.4), pịn -a + ( 2n-l)2 K2 4b2 Trong trường hợp chiều rộng chiều cao cực từ phép có độ lón chênh lệch khơng q nhiều Mơ hình từ thơng khe hở khơng khí đưa ra: ỊLiAN lẹff (^) tanh() a2 tanh(jỡ2?ỉa) ab +èỉ(2n-í)2 7Ĩ2 P2na (0.5) Tưong tự cách làm Zmood Sau bỏ qua số hạng tổng công thức (0.5), Feeley áp dụng phép tính gần đặc biệt dẫn đến mơ hình giải tích đon giản: (0.6) Mặc dù mơ hình giải tích (0.3) (0.6) đưa [9] [11] đơn giản, theo cơng trình Lei Zhu Carl R Knsope rằng, độ xác chúng Lý hai báo, tác giả giả định cấu hình mật độ từ thơng mặt cắt ngang khe hở khơng khí giống mặt cắt ngang phần tử sắt Đây giả định cho phân tích tĩnh khơng cho trường hợp từ trường biến thiên theo thời gian, tức dịng xốy sinh cấu chấp hành có dịng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator Kucera Ahrens [22] trình bày mơ hình giải tích cho ổ từ dọc trục hình trụ cấu trúc nguyên khối vào năm 1995 Các tác giả chia truyền động thành dạng hình học sử dụng nghiệm phương trình Maxwell cho bán vơ hạn để tính gần phân bố từ thơng phần Từ đó, tác giả phát triển dạng tổng qt phương trình từ thơng: / \ t tanh(v ) 7^ ộ6= (0.7) Trong m số phần tử, sau tác giả kết hợp mơ hình phần tạo mơ hình phân tích tổng: ^ = ^2- (0.8) l + -2_ a,e tanh(y) 2x Trong đó: aJè = ụr~—, ỉfe chiều dài phần tử sắt Theo Kucera Ahrens [12], tác giả trình bày kết phân tích mơ tả mối quan hệ dịng điện-lực từ tương ứng stator hình trụ hình chữ c Tuy nhiên tác giả cho mật độ từ thông khe hở khơng khí khơng phụ thuộc vào tần số trường điều hòa Hơn nữa, tham số d mơ hình tốn học phân tích phải xác định từ kết thực nghiệm, tham số cố định, khơng phụ thuộc vào hình dạng vật liệu cấu chấp hành Do đó, kết khơng phù hợp với việc tối ưu hóa thiết kế cấu chấp hành ổ từ dọc trục Mặc dù cơng trình Lei Zhu Carl R Knsope trình bày chi tiết mơ hình tốn học hình trụ đưa mơ hình tốn học xác so với mơ hình lý tưởng lực từ phụ thuộc vào tần số trường biến thiên Đối với mơ hình tốn học ổ từ hình c tác giả đưa kết quả, bước xác định cụ thể tác giả không trình bày cụ thể Tuy nhiên mơ hình tốn học hình E có tổn hao từ thơng tản nhỏ mở rộng đường từ thông so với ổ từ hình c tác giả chưa đưa đặc biệt mơ hình tốn học tác giả đưa dạng miền tần số trường hợp cực từ, mơ hình tốn học miền thời gian nói chung, mơ hình trường hợp cặp cực trở lên chưa có cơng trình cơng bố Mục tiêu tổng qt: Xây dựng mơ hình tốn học ổ từ cấu trúc nguyên khối bậc từ Phân tích đặc điểm mơ hình tốn học, từ đề xuất điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não thể Hình 0.2 Mục tiêu cụ thể: - Xây dựng thành cơng mơ hình toán học miền thời gian ổ từ cấu trúc nguyên khối đưa tong nhiễu phi tuyến - Xây dựng cấu trúc điều khiển RACMAC, điều khiển CM AC đóng vai trị đóng vai trò ước lượng nhiễu phi tuyến điều khiển bền vững đóng vai trị bù sai số Hình 0.2: cấu trúc hệ thống điều khiển RACMAC cho ổ từ binh c cấu trúc nguyên khối Phirong pháp nghiên cứu 3.1 Nội dung: Tống quan nghiên cứu liên quan đến mơ hình tốn học điều khiến ố từ cấu trúc nguyên khối - Cách tiếp cận: Thu thập tài liệu liên quan - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Nghiên cứu tổng quan - Ket dự kiến: Tổng quan mơ hình tốn học điều khiển từ có cấu trúc nguyên khối 3.2 Nội dung: Xây dựng mơ hình tốn học từ cấu trúc nguyên khối - Cách tiếp cận: Dựa định luật, định lý vật lý nghiên cứu công bố O từ có cấu trúc nguyên khối - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa định luật, định lý vật lý định luật II Newton, nghiên cứu công bố từ cấu trúc nguyên khối, từ áp dụng phép biến đổi tương đương - Kết dự kiến: Mơ hình tốn học ổ từ cấu trúc nguyên khối bậc tự 3.3 Nội dung: Thiết kế điều khiến thích nghi bền vũng có cấu trúc mơ hình tiểu não cho từ ngun khối bậc tự - Cách tiếp cận: Dựa đặc điểm mơ hình tốn học mơ hình có chứa thành phần bất định tổng nhiễu phi tuyến, từ đề xuất giải thuật điều khiển - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa đặc điểm mơ hình tốn học đưa thành phần CMAC đóng vai trị ước lượng nhiễu phi tuyến: Nhiễu tải bên ngoài, nhiễu thành phần bất định mơ hình, thành phần tổn hao dịng xốy, từ đưa luật điều khiển xấp xỉ luật điều khiến lý tưởng điều khiển bù bền vững, ngồi cịn sử dụng mặt trượt luật điều khiển thích nghi - Kết dự kiến: Bộ điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não cho ổ từ nguyên khối bậc tự 3.4 Nội dung: Chứng minh tính on định hệ kín - Cách tiếp cận: Dựa lý thuyết ổn định Lyapunov - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa lý thuyết ổn định Lyapunov để tìm luật điều khiển thích nghi chứng minh tính ổ định hệ thống kín - Kết dự kiến: Chứng minh hệ thống kín ổn định 3.5 Nội dung: Mơ kiếm chứng - Cách tiếp cận: Từ thuật toán đưa nội dung 3, code chương trình mô phần mềm Matlab thực - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực viết code chương trình mơ phần mềm Matlab dựa thuật toán đề - Kết dự kiến: Tống kết két nghiên cứu Những đóng góp đề tài tóm tắt sau: (i) Trong nghiên cứu này, chúng tơi xây dựng thành cơng mơ hình tốn học miền thời gian O từ cấu trúc nguyên khối đưa tổng nhiễu phi tuyến bao gồm: Nhiễu tải bên tác động vào rotor, nhiễu tham số bất định mơ hình, nhiễu tổn hao dịng xốy cấu chấp hành ổ đỡ từ (ii) Một cấu trúc điều khiển RACMAC đề xuất, điều khiển CMAC đóng vai trị đóng vai trị ước lượng nhiễu phi tuyến: Nhiễu tác động bên ngoài, tham số bất định mơ hình tổn hao dịng xốy gây cấu chấp hành O từ cấu trúc nguyên khối, từ (tính dịng điện điều khiển xấp xỉ dòng điều khiến lý tưởng) đưa luật điều khiển xấp xỉ luật điều khiến lý tưởng điều khiển bền vững đóng vai trị bù sai số Nhờ ưu điểm điều chỉnh linh hoạt thơng số mạng, phản hồi nhanh thích nghi tốt với tham số thay đối nhiễu phi tuyến bên mà RACMAC khắc phục nhược điểm điều khiển truyền thống PID, FOPID điều khiển phi tuyến SMC Đánh giá kết đạt kết luận Kết mô chứng minh ưu điểm điều khiển RACMAC đề xuất cho thấy phản ứng vượt trội thích ứng với thay đổi nhiễu phi tuyến tốt điều khiển đề xuất so với điều khiển truyền thống PID, FOPID [22] điều khiển phi tuyến SMC nghiên cứu O từ cấu trúc nguyên khối Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) ỏ đỡ từ có khả nâng vật chuyển động mà khơng có tiếp xúc chất khơng ổn định, hệ thống ổ từ thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học nước lĩnh vực mơ hình hóa điều khiển Các nghiên cứu trước giải toán điều khiển nhiều triệt để Tuy nhiên nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu mô hình tốn học điều khiển cho ổ từ có cấu trúc xếp lớp Các nghiên cứu mơ hình tốn học điều khiển cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối Các nghiên cứu phương pháp điều khiển thơng minh nói chung phương pháp điều khiển mạng Noron nói riêng cho ổ từ có cấu trúc ngun khối chưa có cơng trình cơng bố Do đặt cho tác giả thiết kế điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não (RACMAC - Robust adaptive cerebellar model articulation controller) cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối vấn đề cần thiết Một cấu trúc điều khiển RACMAC đề xuất, điều khiển CMAC đóng vai trị đóng vai trò ước lượng nhiễu phi tuyến: Nhiễu tác động bên ngồi, tham số bất định mơ hình tổn hao dịng xốy gây cấu chấp hành ổ từ cấu trúc nguyên khối, từ (tính dịng điện điều khiển xấp xỉ dịng điều khiển lý tưởng) đưa luật điều khiển xấp xỉ luật điều khiển lý tưởng điều khiển bền vững đóng vai trị bù sai số Nhờ ưu điểm điều chỉnh linh hoạt thông số mạng, phản hồi nhanh thích nghi tốt với tham số thay đối nhiễu phi tuyến bên mà RACMAC khắc phục nhược điểm điều khiến truyền thống PID, FOPID điều khiến phi tuyến SMC Active Magnetic bearings are capable of lifting moving objects without contact, and due to their unstable nature, magnetic bearing systems have attracted much attention from domestic and foreign scientists in the field of modeling and control Previous studies have solved the control problem quite a lot and thoroughly However, these studies are mainly research on mathematical models and control for magnetic drives with laminated structure Research on mathematical and control models for magnetic drives with Nonlaminated structures is quite limited Research on intelligent control methods in general and Noron network control methods in particular for magnetic drives with Nonlaminated structures has not yet been published Therefore, the author was asked to design a robust adaptive controller with a cerebellar model structure (RACMAC - Robust adaptive cerebellar model articulation controller) for a active magnetic bearings with a Nonlaminated structure, which is a new and very necessary problem The RACMAC control structure is proposed, in which the CMAC controller plays the role of estimating nonlinear disturbances: External disturbances, uncertain parameters in the model and eddy current losses caused in the mechanism The actuator of the drive is from a Nonlaminated structures, from which (calculating the main control current to approximate the ideal control current) comes the main control law to approximate the ideal control law and the sustainable controller plays the role error compensation game Thanks to advantages such as flexible adjustment of network parameters, fast response and good adaptation to changing