Điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mô hình tiểu não cho ổ từ có cấu trúc nguyên khối báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp trường

BỘ CƠNG THƯƠNG _ ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHĨ HỊ CHÍ MINH BAO CAO TONG KET DE TAI KHOA HOC KET QUA THUC HIEN DE TAI _ NGHIÊN CUU KHOA HOC CAP TRUONG Tên đề tài: “ Điều khiển thich nghi bên vững có cẩu trúc mơ hình tiểu ndo cho từ có câu trúc ngun khơi ” Mã số đề tài: 22/1D01 Chủ nhiệm đề tài: LÊ NGỌC HỘI Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện LOI CAM ON 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 cịn hạn hẹp Các nghiên cứu mơ hình tốn học điều khiến cho từ có cấu trúc nguyên khối Hơn tài liệu thiết kế điều khiển thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiêu não (RACMAC - Robust adaptive cerebellar model articulation eontroller) từ chủ động nói chung, từ ngun khối nói riêng ngồi nước chưa có cơng trình nảo cơng bố, chưa có nhiều hội tiếp xúc với hệ thống ễ đỡ từ thực tế Vì vậy, để hồn thành đề tải này, tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phế Hồ Chí Minh tạo điều kiện cấp kinh phí cho 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 Hề Chí Minh nơi công tác hướng dẫn tạo điều kiện suốt q trình nghiên cứu Ngồi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nơi tơi làm nghiên cứu sinh giúp đỡ tơi hồn thành đề tài PHAN I THONG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: “ Điều khiển thích nghỉ bên vững có cấu trúc mơ hình tiểu não cho Ơ từ có câu trúc ngun khôi ” 1.2 Mã số: 22/1D01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên ‘ (học hàm, hoc vi) ¬ ox ¥R Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài a ThS Lê Ngọc Hội Khoa Công Nghệ Điện Chủ nhiệm đề tài TS Ngô Thanh Quyền |Khoa Công Nghệ Điện Tham gia 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng Nghệ Điện 1.5 Thời 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 I1 năm 2023 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng Và tục tiêu, nội dụng, phương pháp, kết nghiên cứu tỔ chức thực hiện; Nguyên nhân; Y kiên Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt để tài: 50 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Ö đỡ từ gắn liền với lịch sử đời máy móc có cấu chuyên động Trong suốt chiều dài lịch sử này, có nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng giảm thiểu ma sát ô đỡ từ Gần đây, với phát triển kỹ thuật điều khiển công nghệ bán dẫn, ô từ dần thay ô 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, từ có khả nâng vật chuyển động mà không cần tiếp xúc [1] Trong số ô đỡ từ giới thiệu thìơơ từ chủ động giành quan tâm nhiều lực nâng lớn lực nâng có thê điều khiến thơng qua việc điều khiến dịng điện cấp ch từ Tuy nhiên từ chủ động có cấu trúc ngun khối CĨ Ít cơng trình nghiên cứu điều khiển Nguyên lý từ chủ động có cầu trúc ngun khối cực thê hình 0.1: Hình 0.1: Ô từ hình C câu tạo nguyên khối Cầu trúc từ chủ động có câu trúc ngun khơi pôm bd phan chinh la stator va rotor, rotor cua từ câu tạo nguyên khôi găn trực tiệp vào trục can nang, stator cầu tạo ngun khối - Về mơ hình tốn học: Mach tir (stator rotor) ô đỡ từ thường ghép thép kỹ thuật để giảm tốn hao địng xốy có từ thơng biến thiên trong vật liệu sắt từ Tuy nhiên, déi voi từ đọc trục số ứng dụng cầu chấp hành thường cấu tạo nguyên khối Đặc biệt, yêu cầu độ bên học nên rotor Ô từ đọc trục thường câu tạo nguyên khối Ngồi ra, quan tâm chi phí nên câu chấp hành ô đỡ từ cầu tạo nguyên khối Trong ứng dụng ô đỡ từ câu tạo nguyên khối hoạt động có từ trường biến thiên cấu chấp hành, đòng xoáy ảnh hướng sâu sắc đên hoạt động cầu chấp hành phải xem xét mơ hình hóa hệ thống thiết kế điều khiến Theo nghiên cứu mơ hình tốn học ổ từ đọc trục câu trúc nguyên khôi, nghiên cứu báo cáo mơ hình phân tích ô từ đọc trục câu trúc nguyên khối thực Zmood [19], người đưa mô hình tốn học cho từ hình chữ C cầu trúc nguyên khối có tỷ lệ chiều rộng cực chiều cao cực lớn Trong mơ hình Zmood sử dụng mô tả từ trường chiều cho câu trúc thép kỹ thuật điện ghép lại đưa [20] _ ,, cosh (œ y) H =H aay (0.1) NI Trong dé: H, = La (x) cuộn dây,7 độ lớn (biên độ) cường độ từ trường bề mặt, N số vòng dây dòng điều khiển, Ly (x)là chiều dài hiệu dụng mạch từ, x chiều dải khe hở khơng khí,z =,/sou, sla toan tt laplace, o 1a d6 dan dién, Ht la dé ter thấm vật liệu ö nửa chiều cao cực từ Từ thơng khe hở khơng khí có liên quan đến dòng điều khiển đưa ra: o(s)=p(x)N tanh(@b) 1(s) (0.2) Trong đó: (s)là thơng lượng khe hở khơng khí, p(x) = ỨC eff , 4=4ab, a nửa x da tao mét mé hinh bac dau tién bang cach sử dụng chiéu rộng cực, với a>>b Zmood xap xi: 1+s|l-—= " (0.3) Trong dé: = sane a Một công bố thứ hai mô hình phân tích từ hình chữ C cấu trúc nguyên khối trình bày Feeley [21] Trong công bố Feeley áp dụng mô tả từ trường hai chiều cho dài hình chữ nhật trình bày [20] sau: cosh (az) B(y.2)= cosh (ab) (x) n Er A 4a? (2n-l)z Gale (04) —=————SIn"———— cos 8, cosh ( 8,„4) Trong công thức (0.4), đị„ = (2n-1) x? rT nla cosh (2 2b ` ) mv ` ĐÀ ER + Trong trường hợp chiêu rộng chiêu cao cực từ phép có độ lớn chênh lệch khơng q nhiều Mơ hình từ thơng khe hở khơng khí đưa ra: ø(s) _ HAN tanh(ab) pat | mnt Tương tự cách làm Zmood < ‘lon eB a? tanh(f,,@) đạm r (s) T (0.5) Sau bỏ qua số hạng tổng cơng thức (0.5), Feeley áp dụng phép tính gần đặc biệt dẫn đến mơ hình giải tích đơn giản: LAN ls) oe} Mặc dù mơ hình giải tích (0.3) (0.6) đưa [9] [II] kha don 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 thông mặt cắt ngang khe hở khơng khí giếng 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 dòng xốy sinh cấu chấp hành có dòng điện biến thiên cấp vào hai đầu cuộn dây stator Kueera Ahrens [22] trình bày mơ hình giải tích cho ễ 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 tắm bán vơ hạn dé tính gần phân bế từ thông phần Từ đó, tác giả phát triển dạng tổng qt phương trình từ thơng: 6(5)= Ai, s,H„ (z„ ) Yn (0.7) Trong rn số phần tứ, sau tác giả kết hợp mơ hình phần tạo mơ hình phân tích tổng: 1 s}=#¿AN———————— +—— ap tanh(y) 6(s)= HAN Trong đó: a, = 4, 2x fe ly 0.8 (0.8) I, la chiều đài phần tử sit Theo Kucera va Ahrens [12], cdc tac giả trình bày kết q 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 thơng khe hở khơng khí khơng phụ thuộc vào tần số trường điều hòa Hơn nữa, tham số đ mơ hình tốn học phân tích phải xác định từ kết thực nghiệm, tham số có 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 tiết mơ hình tốn học hỉnh 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 khơng trình bày cụ thể Tuy nhiên mơ hình tốn học hình E có tổn hao từ thơng tán nhó mở rộng đường từ thơng so với từ hình C tác giá chưa đưa đặc biệt mơ hình toán học tác giả đưa dạng miễn 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 đo 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 tốn học miền thời gian ô từ cấu trúc nguyên khối đưa tông nhiều phi tuyên - Xây dựng cấu trúc điều khiển RACMAC, điều khiển CMAC đóng vai trị đóng vai trị ước lượng nhiêu phi tun điêu khiên bên vững đóng vai trị bù sai sô Ị |Ị || | | Ị | Ị_ \ e CMAC : ` | [Mele | [MS Ị Be \ Ị { { Ị O tir (AMB) _ iéu Khién| bén ving Dot Ị Robust adaptive cerebellar model articulation controlle ‡ (RACMAC) { A | | |t i| Ị _t— Ị| tà ỊI | Ị | 1| t ' i' it aeghi ee : Khuếch đại! công suất I '' : tà tt it 11 | ' Tg=mg-Fi, H LÍ lãi { I | I | Hinh 0.2: Cau tric théng diéu khién RACMAC cho tt hinh C cau tric nguyên khối Phương pháp nghiên cứu 3.1 Noi dung: Tong quan cac nghiên cứu liên quan đến mơ hình tốn học điều khiển từ cầu trúc ngun khối - Cách tiếp cận: Thu thập tài liệu liên quan - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Nghiên cứu tong quan - Kết dự kiến: Tổng quan mơ hình tốn học điều khiển ổ từ có cấu trúc nguyên khối 3.2 Nội dung: Xây dựng mơ hình tốn học ỗ từ cấu trúc nguyên khối - Cách tiếp cận: Dựa định luật, định lý vật lý nghiên cứu cơng bồ từ có cấu trúc nguyên khối - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Tựa định luật, định lý vật lý định luật II Newton, nghiên cứu công bố ổ từ cầu trúc nguyên khối, từ áp đụng 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 nghỉ bền vững có cầu trúc mơ hình tiểu não cho ỗ từ nguyên 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 dé xuất giải thuật điều khiến - 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 ngồi, nhiễu thành phần bất định mơ hình, thành phần tên hao địng xốy, từ đưa luật điều khiển xấp xi luật điều khiến lý tưởng điều khiển bù bền vững, ngồi cịn sử dụng mặt trượt luật điều khiển thích nghĩ - Kết dự kiến: Bộ điều khiến thích nghi bền vững có cấu trúc mơ hình tiểu não cho ô từ nguyên khối bac tự 3.4 Nội dung: Chứng - Cách tiếp cận: Dựa lý thuyết ôn - Phương pháp nghiên Dựa lý thuyết ơn minh tính ơn định hệ kín định Lyapunov cứu, kỹ thuật sử dụng: định Lyapunov để tìm luật điều khiến thích nghi chứng minh tính ổ định hệ thống kin - Két qua dy kién: Chứng minh hệ thống kín ổn định 3.5 Nội dung: Mô kiểm chứng - Cách tiếp cận: Từ thuật toán đưa nội dung 3, cođe chương trình mơ phần mềm Matlab thực - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực viết code chương trình mơ phần mềm Matlab dựa thuật tốn đề - Kết dự kiến: Tổng kết kết nghiên cứu Những đóng góp đề tài tóm tat sau: () Trong nghiên cứu này, xây dựng thành cơng mơ hình tốn học miễn thời gian ô từ cấu trúc nguyên khối đưa tổng nhiễu phi tuyến bao gồm: Nhiễu tải bên ngoàải tác động vào rofor, nhiễu tham số bất định mơ hình, nhiễu tên hao dịng xốy cầu chấp hành ô đỡ từ (i) Mét cấu trúc điều khiến 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 tốn hao địng xốy gây cầu chấp hành từ cấu trúc ngun khối, từ (tính dịng điện điều khiển xấp xi dịng điều khiển lý tưởng) đưa luật điều khiến xấp xỉ luật điều khiến lý tưởng điều khiển bền vững đóng vai trị bù sai số Nhờ ưu điểm điều linh hoạt thơng số mạng, phản hồi nhanh thích nghi tết với tham số thay đổi nhiễu phi tuyến bên mà RACMAC khắc phục nhược điểm điều khiến truyền thống PID, FOPID điều khiển phi tuyên SMC Đánh giá kết đạt kết luận Kết mô chứng minh ưu điểm cúa điều khiển RACMAC đề xuất cho thấy phản ứng vượt trội thích ứng với thay đôi nhiễu phi tuyến tốt điều khiển đề xuất so với điều khiến truyền thông PID, FOPID [22] điều khiển phi tuyến SMC nghiên cứu ô từ cấu trúc nguyên khối Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) O đỡ từ có khả nâng vật chuyền động mà khơng có tiếp xúc chất không én định, hệ thốngỗ từ thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học ngồi nước lĩnh vực mơ hình hóa điều khiển Các nghiên cứu trước giải toán điều khiến nhiều triệt để Tuy nhiên nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu mơ hình tốn học điều khiến ch từ có cấu trúc xếp lớp Các nghiên cứu mơ hỉnh tốn học điều khiển ch từ có cấu trúc nguyên khối Các nghiên cứu phương pháp điều khiến thơng minh nói chung phương pháp điều khiển mạng Noron nói riêng cho ô từ có cấu trúc nguyên khối chưa có công trình cơng bố Do đặt cho tác giá thiết kế điều khiển thích nghi bền vững có cầu trúc mơ hình tiểu não (RACMAC - Robust adaptive eerebellar mođel articulation controller) cho 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 trị ước lượng nhiễu phi tuyến: Nhiễu tác động bên ngồi, tham số bất định mơ hình tốn hao địng xốy gây cau chấp hành cúa ô từ cấu trúc nguyên khối, từ (tính dịng điện điều khiến xấp xỉ dòng điều khiên lý tưởng) đưa luật điều khiến xấp xỉ luật điều khiến lý tưởng điều khiển bền vững đóng vai trị bù sai số Nhờ ưu điểm điều chinh linh hoạt thông số mạng, phân hồi nhanh thích nghi tết với tham số thay đổi nhiễu phi tuyến bên mà RACMAC khắc phục nhược điểm điều khiển 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 parameters of external nonlinear disturbances, RACMAC overcomes the disadvantages of traditional controllers such as PID, FOPID and SMC nonlinear control