nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ tích cực bốn bậc tự do bằng bộ điều khiển phản hồi đầu ra

i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  ĐỖ THỊ PHƢƠNG THẢO "NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA " LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự dộng hóa Thái Nguyên - năm 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  ĐỖ THỊ PHƢƠNG THẢO ĐỀ TÀI " NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA " Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN TS. Trần Xuân Minh iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Đỗ Thị Phƣơng Thảo iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 trƣờng 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 thê hoàn thành bài luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt dƣới sự hƣớng dẫn và góp ý của thầy TS. Trần Xuân Minh 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 đƣợc 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 Đỗ Thị Phƣơng Thảo v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 4 1.1 Giới thiệu chung. 4 1.2 Lịch sử phát triển. 5 1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ 7 1.3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản 7 1.3.2 Phân loại ổ đỡ từ 9 1.4 Những đặc trƣng cơ bản và ứng dụng của hệ thống AMB. 15 1.4.1 Những đặc trưng cơ bản của AMB 15 1.4.2 Các ứng dụng của hệ thống AMB. 16 1.5 Các nghiên cứu liên quan. 17 1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 17 1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 19 1.5.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 20 1.6 Kết luận chƣơng 1 22 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA AMB 23 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1 Giới thiệu chung 23 2.2 Các thành phần của mạch vòng điều khiển 23 2.3 Mạch từ (cơ sở toán học của hệ thống nâng từ trƣờng) 25 2.3.1 Mật độ từ thông của mạch từ: 26 2.3.2 Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ: 27 2.4 Các phƣơng trình điện từ 29 2.4.1 Các lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép 29 2.4.2 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép. 30 2.4.3 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB 31 2.5 Các phƣơng trình động lực học của hệ thống AMB 34 2.5.1 Cấu trúc của bộ AMB được khảo sát. 35 2.6 Kết luận chƣơng 2 38 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ DO 40 3.1 Xây dựng mô hình toán học hệ thống tuyến tính dƣới dạng mô hình không gian trạng thái: 40 3.2 Tính điều khiển đƣợc và tính quan sát đƣợc 42 3.2.1 Tính điều khiển được 43 3.2.2 Tính quan sát được 44 3.3 Mô hình không gian trạng thái của AMB 4 DOF 45 3.3.1 Phép biểu diễn phương trình vi phân ma trận 45 3.3.2 Phép biểu diễn mô hình không gian trạng thái 48 3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống AMB 48 3.4.1 Xây dựng hệ điều khiển 48 3.4.2 Mô phỏng làm việc của hệ thống trên Matlab-Simulink 55 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.5 Khảo sát chất lƣợng hệ thống bằng thực nghiệm 62 3.5.1 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm 62 3.5.2 Kết quả thí nghiệm 65 3.6 Kết luận chƣơng 3 68 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI ĐẦU RA LQG CHO Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ DO 69 4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra 69 4.4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 69 4.1.2 Thiết kế bộ lọc Kalman 72 4.1.3. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu phản hồi đầu ra Linear Quadratic Gaussian (LQG) 74 4.2 Tổng hợp bộ điều khiển dựa trên phƣơng pháp phản hồi đầu ra cho hệ thống AMB 4 DOF. 77 4.2.1 Kiểm tra tính điều khiển được 79 4.2.2 Kiểm tra tính quan sát được 79 4.2.3 Tính ma trận hệ số K của bộ quan sát phản hồi trạng thái LQR 80 4.2.4 Tính ma trận hệ số L của bộ lọc Kalman 81 4.3 Mô phỏng và đánh giá 81 4.4 Kết luận chƣơng 4 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined. viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU F, f m Lực điện từ M Trọng lƣợng rô to G Gia tốc trọng trƣờng S a Tiết diện mặt cắt lõi sắt hình chữ C S fe Tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí I Dòng điện tức thời x 0 Khe hở không khí l c Chiều dài trung bình của đƣờng đi từ trƣờng qua lõi sắt chữ C l I Chiều dài trung bình của đƣờng đi từ trƣờng qua lõi sắt chữ I  Từ thông trong mạch vòng khép kín B Mật độ từ thông H Từ trƣờng mạch từ L Độ tự cảm  Độ từ thẩm của vật liệu sắt từ 0  Độ từ thẩm của môi trƣờng chân không N Số vòng dây W a Năng lƣợng tích trữ V a Thể tích khe hở không khí của Hệ thống R Tổng trở i N Sức điện động C R , I R , g R Từ trở tƣơng ứng trong lõi thép hình chữ C, hình chữ I, và trong khe hở không khí ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i 0 Dòng điện phân cực i x Dòng điện điều khiển X Độ dịch chuyển theo phƣơng x Y Độ dịch chuyển theo phƣơng y ,  Góc quay của trục theo phƣơng x, y F x , F y Lực nâng trục theo các phƣơng x, y F x1 , F y1 , F x2 , F y2 Lực nâng hƣớng trục theo phƣơng x, phƣơng y của AMB1 và AMB2 a, b Khoảng cách trọng tâm của trục đến ổ đỡ AMB1, AMB2 c, d Khoảng cách trọng tâm của trục đến cảm biến vị trí 1, 2 F + , F - Lực hấp dẫn giữa rô to và stato theo phƣơng x của AMB1 i x1 , i x2, i y1 , i y2 Dòng điện thành phần theo phƣơng x, y của AMB1 và AMB2 K i Hệ số tỉ lệ với dòng điện K s Hệ số tỉ lệ với độ dịch chuyển J x =J y Mô men quán tính của trục rotor theo phƣơng x và y J z Mô men quán tính của trục rotor rm  Vận tốc góc F x1 , F x2 , F y1 , F y2 Lực tịnh tiến của rotor theo phƣơng x, y của ổ đỡ từ AMB1, AMB2 q(t) Quỹ đạo trạng thái U Tín hiệu điều khiển x 1 , y 1 , x 2 , y 2 Vị trí dịch chuyển của trục tại các điểm đặt cảm biến theo phƣơng x, y của AMB1, AMB2 x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Biểu diễn Ghi chú Tiếng Anh AMB Ổ đỡ từ chủ động Magnetic Active Bearing DOF Bậc tự do Degree of Freedom DC Nguồn một chiều Direct Current MMF Lực từ động Magnemotive Force KĐ Khuyếch đại PID Bộ điều khiển [...]... phản hồi đầu ra LQG cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ 2 Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung: Đề tài này đặt mục tiêu chính là thiết kế bộ điều khiển tối ƣu phản hồi đầu ra LQG cho hệ thống điều khiển ổ đỡ từ nhằm tạo ra chất lƣợng làm việc tốt cho hệ thống dựa trên các tiêu chí về năng lƣợng điều khiển và sai lệch điều khiển - Mục tiêu cụ thể: 1 Tìm hiểu, đánh giá tổng quan nghiên cứu về ổ đỡ từ 2 Cơ... của ổ đỡ từ theo trục x và trục 66 Hình 4.1 Điều khiển sử dụng phản hồi biến trạng thái 68 Hình 4.2 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng bộ điều khiển phản hồi 74 đầu ra LQG Hình 4.3 Đáp ứng đầu ra của hệ thống AMB 4 DOF điều khiển phản hồi 79 trạng thái LQR Hình 4.4 Đáp ứng đầu ra của hệ thống AMB 4 DOF điều khiển phản hồi đầu ra LQG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 80 1 MỞ ĐẦU... AMB Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển PID cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do Chƣơng 4: Đề xuất phƣơng pháp điều khiển phản hồi đầu ra LQG cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu chung Các ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học Do đặc điểm treo không... Hình 3.1 Mô hình điều khiển PID cho mô hình tuyến tính xung quanh 49 điểm làm việc của ổ đỡ từ Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo phƣơng x1 53 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ đỡ từ 54 Hình 3.4a Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ổ đỡ từ với 2 mạch vòng điều 54 khiển Hình 3.4b Bộ điều khiển vị trí 56 Hình 3.4c Bộ điều khiển dòng điện 56 Hình 3.5 Đáp ứng dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 1 theo phƣơng... tài nghiên cứu cải thiện chất lƣợng ổ đỡ từ bốn bậc tự do của Nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Bình đã xây dựng đƣợc một hệ thí nghiệm để bƣớc đầu kiểm nghiệm phƣơng pháp điều khiển PD bù trọng trƣờng cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do có mô hình tách kênh trực tiếp cho kết quả thỏa mãn yêu cầu Hệ thí nghiệm làm việc ổn định với tốc độ làm việc rất cao Thông qua chƣơng trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu. .. backstepping Do đó, bộ điều khiển tạo ra đƣợc quá trình bám theo vị trí rotor toàn cục dạng hàm mũ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 22 1.6 Kết luận chƣơng 1 Chƣơng 1 đã giải quyết một số vấn đề nhƣ sau: - Tổng quan đƣợc những nét cơ bản về ổ đỡ từ - Đề xuất phƣơng pháp điều khiển phản hồi đầu ra nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống Trên cơ sở các nghiên cứu bƣớc đầu về ổ đỡ từ, ... điện từ, các lực đỡ đƣợc điều khiển tích cực bằng các phần tử điện từ, một vòng điều khiển phản hồi phù hợp và các thành phần khác chẳng hạn nhƣ các cảm biến đo khoảng cách và các bộ khuếch đại công suất Ƣu điểm chính của ổ đỡ từ chủ động là khả năng điều khiển dễ dàng, trong khi các ổ đỡ từ thụ động chỉ có những thuộc tính cố định phụ thuộc vào kích cỡ và thiết kế cơ khí của chúng Ngoài ra, các ổ đỡ từ. .. dịch chuyển của trục ổ đỡ từ 2 theo phƣơng y, x 57 Hình 3.7 Dòng điện điều khiển đƣợc tính toán từ vòng điều khiển vị 58 Hình 3.8 Điện áp điều khiển đƣợc tính toán từ vòng điều khiển dòng 58 điện Hình 3.9 Đáp ứng dịch chuyển theo phƣơng x, y của ổ đỡ từ 1 59 Hình 3.10 Đáp ứng dịch chuyển theo phƣơng x, y của ổ đỡ từ 2 60 Hình 3.11 Cấu trúc chung của hệ thí nghiệm cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do 61 Hình 3.12 Động... dùng nhiều hơn so với ổ đỡ từ tính thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs) Ổ đỡ từ là một hệ thống mất ổn định cố hữu nên cần thiết phải có một vòng điều khiển phản hồi để ổn định hóa hệ thống Thiết kế bộ điều khiển là công việc quan trọng trong thiết kế hệ thống AMB do bộ điều khiển có khả năng thay đổi thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ từ Rất nhiều các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc áp dụng... loại ổ đỡ từ Ổ đỡ từ đƣơc chia ra làm 2 nhóm: - Ổ đỡ từ tính thụ động (Passive Magnetic Bearings - PMBs): các lực đỡ đƣợc tạo ra bằng các nam châm vĩnh cửu theo nguyên lý hút hoặc đẩy, không cần thiết phải sử dụng nguồn cấp điện, không cần bộ điều khiển, lực đỡ cố định, nam châm vĩnh cửu đòi hỏi có độ từ dƣ và độ kháng lớn, điều này phụ thuộc vào vật liệu làm nam châm - Ổ đỡ từ chủ động hoặc tích cực . "NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA " LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự. ĐỀ TÀI " NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ TÍCH CỰC BỐN BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIÊN PHẢN HỒI ĐẦU RA " Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số:. Ổ ĐỠ TỪ BỐN BẬC TỰ DO 69 4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi đầu ra 69 4.4.1 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 69 4.1.2 Thiết kế bộ lọc Kalman 72 4.1.3. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu phản