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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐẶNG DANH HOẰNG PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Hiền Sinh ngày: 17 tháng 7 năm 1979 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Việt Hung. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hiền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên Nguyễn Thị Hiền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt v Danh mục các hình vẽ và đồ thị vi Mở đầu 1 Chƣơng.1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 2 1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ 2 1.1.1. Khái niệm ổ trục 2 1.1.2. Ổ đỡ từ 4 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ 11 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 12 1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 13 1.3. Kết luận chƣơng 1 15 Chƣơng 2. MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO 16 2.1. Đặt vấn đề 16 2.2. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường 17 2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ 18 2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ 19 2.2.3. Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép 20 2.2.4. Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép 21 2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB 21 2.3. Xây dựng mô hình toán của hệ nâng bằng từ trường dùng ổ đỡ từ 4 cực 22 2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ đỡ từ hiện nay và hướng nghiên cứu 22 2.3.2. Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do 23 2.3.3. Xây dựng mô hình toán học 25 2.3.4. Các đặc tính động lực học của ổ từ bốn bậc tự do 30 2.4. Mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.5. Kết luận chương 2 34 Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ - MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 35 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID 35 3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 36 3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 38 3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID 41 3.2.1. Xây dựng hệ điều khiển 41 3.2.2. Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink 48 3.3. Khảo sát chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 52 3.3.1. Cấu trúc hệ thống thí nghiệm 52 3.3.2. Kết quả thí nghiệm 53 34. Kết luận chương 3 55 Chƣơng 4. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 57 4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 57 4.1.1. Hệ Logic mờ 58 4.1.2. Bộ điều khiển mờ 64 4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 67 4.2.1. Phương pháp thiết kế 67 4.2.2. Nhận xét 70 4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink 70 4.3.1. Sơ đồ mô phỏng 70 4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 71 4.3.3. Nhận xét 73 4.4. Kết luận chƣơng 4 74 Kết luận và kiến nghị 75 Tài liệu tham khảo 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 AMB Ổ đỡ từ động 2 PMB Ổ đỡ từ bị động 3 SMB Ổ đỡ từ siêu dẫn 4 PID Bộ điều khiển 5 DC Một chiều 6 FLC Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1 Hình dạng ổ bi đỡ một dãy 2 Hình 1.2 Hình ảnh một số loại ổ lăn điển hình 2 Hình 1.3 Kiểu dáng ổ đỡ trượt 3 Hình 1.4 Hình ảnh một số loại ổ trượt điển hình 3 Hình 1.5 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ 4 Hình 1.6 Ổ đỡ từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b) 5 Hình 1.7 Ổ đỡ từ thụ động 6 Hình 1.8 Ổ đỡ từ thụ động 7 Hình 1.9 Ổ đỡ từ siêu dẫn 7 Hình 1.10 a)Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ 8 Hình 1.11 Cấu trúc AMB một bậc tự do 9 Hình 2.1 Mạch từ lõi thép 17 Hình 2.2 Mạch từ hoá tương đương 19 Hình 2.3 Một số cấu trúc điển hình của ổ đỡ từ chủ động 23 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ 24 Hình 2.5 Sơ đồ mặt cắt của ổ đỡ từ bốn cực có dùng nam châm vĩnh cửu 25 Hình 2.6 Định nghĩa các hệ tọa độ cho ổ đỡ từ 25 Hình 2.7 Sơ đồ chi tiết theo phương x-z cho ổ đỡ từ 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.8 Sơ đồ mạch từ tương đương với từ thông phân cực cho ổ đỡ từ 27 Hình 2.9 λ = f(i) ở các khe hở không khí khác nhau 31 Hình 2.10 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện 32 Hình 2.11 Quan hệ giữa lực hướng tâm với dòng điện i b trong cuộn stator và chuyển dịch x của rotor 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 35 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 35 Hình 3.3 Đồ thị quá độ 37 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển 38 Hình 3.5 Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính xung quanh điểm làm việc của ổ đỡ từ 45 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phương 1 x 47 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ 47 Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ổ đỡ từ với 2 mạch vòng điều khiển 48 Hình 3.9 Bộ điều khiển vị trí 49 Hình 3.10 Bộ điều khiển dòng điện 49 Hình 3.11a Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phương y 49 Hình 3.11b Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phương x 50 Hình 3.12a Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phương y 50 Hình 3.12b Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phương x 50 Hình 3.13: Đáp ứng dịch chuyển theo phương y, x của ổ đỡ từ 1 51 Hình 3.14 Đáp ứng dịch chuyển theo phương y, x của ổ đỡ từ 2 51 Hình 3.15 Mô hình thí nghiệm truyền động với ổ đỡ từ 52 Hình 3.16 Card DSP 1104 52 Hình 3.17 Mạch điều khiển 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 3.18 Khối kết nối tín hiệu vào ra 53 Hình 3.19 Màn hình hiển thị trên phần mềm control desk 53 Hình 3.20 Đồ thị tốc độ động cơ 53 Hình 3.21 Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x 54 Hình 3.22 Đồ thị tốc độ động cơ 55 Hình 3.23 Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x 54 Hình 3.24 Đồ thị tốc độ động cơ 55 Hình 3.25 Đồ thị vị trí trục quay trong ổ đỡ từ theo trục y và x 55 Hình 4.1 Hàm thuộc biến ngôn ngữ 58 Hình 4.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 58 Hình 4.3: Luật hợp thành 59 Hình 4.5: Thực hiện phép suy diễn mờ 61 Hình 4.6: Thực hiện phép hợp mờ 62 Hình 4.7 Những nguyên lý giải mờ. 63 Hình 4.8 Cấu trúc một hệ logic mờ 64 Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 65 Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 65 Hình 4.11 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 65 Hình 4.12 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 66 Hình 4.13 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 66 Hình 4.14 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào 66 Hình 4.15 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 67 Hình 4.16 Bên trong bộ điều chỉnh mờ 67 Hình 4.17 Tập mờ e và e’ 68 Hình 4.18 Tập mờ 68 [...]...ix Hỡnh 4. 19 Tp m Kp v KD 68 Hỡnh 4. 20 S mụ phng t vi b iu khin m chnh nh v 70 PID Hỡnh 4. 21 S mụ phng t vi cu trỳc b iu khin m chnh 71 nh tham s b iu khin PID Hỡnh 4. 22a ỏp ng theo trc y ca t 1 71 Hỡnh 4. 22b ỏp ng theo trc x ca t 1 72 Hỡnh 4. 23 ỏp ng theo trc y v x ca t 2 72 Hỡnh 4. 24a ỏp ng theo trc y ca t 1 72 Hỡnh 4. 24b ỏp ng theo trc x ca t 1 73 Hỡnh 4. 25 ỏp ng theo trc... "Nõng cao cht lng iu khin t 4 bc t do bng b iu khin m chnh nh tham s b iu khin PID" 2 Mc tiờu nghiờn cu - Tỡm hiu v mụ t toỏn hc cho t bn bc t do, sau ú a mụ hỡnh ú v dng mụ hỡnh tuyn tớnh húa xung quanh im lm vic - Kho sỏt cht lng iu khin t bng b iu khin PID bng mụ phng v kim chng bng thc nghim - xut thit k b iu khin m chnh nh tham s b iu khin PID nhm nõng cao cht lng iu khin so vi b iu khin PID. .. dung ca lun vn Vi mc tiờu t ra, ni dung lun vn bao gm cỏc chng sau: Chng 1: Tng quan v t Chng 2: Mụ t toỏn hc cho i tng t 4 bc t do Chng 3: Thit k iu khin t 4 bc t do bng b iu khin PID Chng 4: Nõng cao cht lng iu khin t 4 bc t do bng b iu khin m chnh nh tham s b iu khin PID Kt lun v kin ngh S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Chng 1 TNG QUAN V T 1.1 Khỏi nim v t 1.1.1 khỏi... mụ hỡnh hoỏ Do ú, trong lun vn ny tỏc gi xut s dng phng phỏp iu khin m chnh nh tham s b iu khin PID, ỏp dng iu khin t bn bc t do nhm ci thin cht lng cho h thng so vi phng phỏp iu khin PID kinh in S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15 1.3 Kt lun chng 1 Chng 1 ó gii quyt c mt s vn sau: - Tng quan c nhng nột c bn nht v t - La chn c i tng nghiờn cu l t ch ng (4 bc t do) - La chn... t fm Rotor Rotor Trng lng rotor mg Sensor Hỡnh 1.11: Cu trỳc AMB mt bc t do Trc ht, ta xem xột mt cu trỳc mụ t cho AMB ti gin trong hỡnh 1.11 l mt bc t do T vic phõn tớch v hiu rừ cỏc thuc tớnh c bn ca mt h thng vi mt bc t do (Degree of Freedom - DOF), thỡ vic phõn tớch v xõy dng mt mụ hỡnh toỏn hc cho mt h thng nhiu hn mt bc t do s d dng v thun li hn Hỡnh 1.11 mụ t cu trỳc c bn ca mt vũng iu khin kớn... ng (4 bc t do) - La chn phng phỏp iu khin m chnh nh tham s b iu khin PID iu khin t trong cỏc h thng truyn ng in Trờn c s cỏc nghiờn cu bc u v t, trong chng 2 s i sõu nghiờn cu v ng lc hc t chu lc hng tõm, lm c s mụ t toỏn hc h truyn ng s dng t 4 bc t do S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Chng 2 Mễ T TON HC CA T 4 BC T DO 2.1 t vn Khi núi n mt h thng iu khin núi chung,... khe h khụng khớ 2.2 .4 Lc in t khi khụng k n t húa lừi thộp i vi cỏc vt liu st t cú r >>1 thỡ t húa ca st t thng c b qua Khi khụng k n nh hng ca t húa ca vt liu st t, v gi thit lI , lC l nh, ổl ỗ mr ố thnh phn ỗ C + ỗ ỗ lI ử ữ c b qua ữ ữ ữ mr ứ Lc in t c to ra trong biu thc (2.16) s l: ổNi F = m Sa ỗ ỗ 0 ỗ2x ố 2 2 2 ử ữ = 1 m N 2S i = K i ; K = 1 m N 2S ữ 0 a 0 a ữ 2 2 ữ 4 x0 x0 4 0 ứ S húa bi Trung... th b iu khin PID truyn thng bng iu khin PID t iu hng m (self-tuning fuzzy PID - type controller), nhm gii quyt vn rung ng khụng cõn bng trong h thng t tớch cc Kt qu thớ nghim cho thy s ci thin ỏng k trong vic gim rung ng cho h thng t tớch cc cng nh gim dch chuyn ca trc rotor (2) Trong mt cụng trỡnh cụng b nm 2008 [22], B Lu v cng s ó tin hnh thớ nghim s dng phng phỏp iu khin thay i tham s tuyn... hng tõm v lc dc trc Khi trc quay vi vn tc rt cao v khi kớch thc trc khỏ ln khụng dựng c ln vỡ khú tỡm c ln tha món nờn phi dựng trt Trong cỏc mụi trng c bit (trong nc, mụi trng n mũn, ) ln thng lm bng kim loi nờn d b mũn Khi ú cú th ch to trt bng g, cao su, phự hp vi mụi trng Hỡnh 1.3: Kiu dỏng trt Mt s loi trt in hỡnh c th hin trờn hỡnh 1 .4: Hỡnh 1 .4: Hỡnh nh mt s loi trt in hỡnh S húa bi... [12], [17] v hin ang thu hỳt s chỳ ý ca nhiu hóng sn xut (Synchrony, Mutecs) õy cng chớnh l hng nghiờn cu tỏc gi s thc hin S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 24 2.3.2 Cu trỳc ca h nõng t trng 4 bc t do Hỡnh 2 .4 mụ t s cu trỳc tng quỏt ca mụ hỡnh nõng vt chuyn ng s dng t m bo vt nõng chuyn ng n nh thỡ h s dng hai t ngang trc Mi t ngang trc s to ra cỏc lc nõng ngang trc theo cỏc . ổ đỡ từ 4 bậc tự do Chương 3: Thiết kế điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển PID Chương 4: Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham. KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 57 4. 1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 57 4. 1.1. Hệ Logic mờ 58 4. 1.2. Bộ điều khiển mờ 64 4. 2 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