nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ lai

1 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 TRÀ MY NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2014 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần (5 năm) khi các nghiên cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ, sẽ là điều tất yếu. Nhận thấy được vai trò quan trọng của ổ đỡ từ đồng thời nhằm nâng cao hơn nữa sự hiểu biết về ổ đỡ từ, vì vậy tôi chọn đề tài "Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ lai". 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do, sau đó đưa mô hình đó về dạng mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc. - Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bằng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. - Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng. 3. Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ. Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do. Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm. Chương 4: Đề xuất nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ lai. Kết luận và kiến nghị. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.1: Hình dạng ổ bi đỡ một dãy Hình 1.2: Hình ảnh một số loại ổ lăn điển hình Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Những vấn đề cơ bản của ổ đỡ từ 1.1.1. Khái niệm về ổ trục - Ổ trục là một chi tiết máy được sử dụng nhiều trong lĩnh vực cơ khí. Nó có 2 dạng chính là ổ lăn (vòng bi, ổ bi) và ổ trượt. - Ổ lăn là một dạng của ổ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên. Ổ lăn ở một số thiết bị khác còn được gọi là vòng bi hay ổ bi. Dựa vào khả năng chịu lực hướng tâm hay hướng trục hoặc cả hai, mà ổ bi chia ra gồm: Ổ bi đỡ một dãy; ổ bi đỡ chặn; ổ bi chặn đỡ; ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; ổ đũa đỡ trụ ngắn; ổ đũa côn; ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy, (Ví dụ ổ bi đỡ một dãy được thể hiện như hình 1.1). Một số loại ổ lăn điển hình được thể hiện trên hình 1.2: 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Ổ trượt là một dạng ổ đỡ trục dùng ma sát trượt (Hình 1.3). Giữa ngõng trục và thành ổ là dầu ngăn cách tránh cho thành ổ tiếp xúc trực tiếp với ngõng trục. Bao gồm các loại: Ổ trượt đỡ chỉ chịu lực hướng tâm, ổ trượt chặn chỉ chịu lực dọc trục, còn ổ trượt đỡ chặn chịu được cả lực hướng tâm và lực dọc trục. Khi trục quay với vận tốc rất cao và khi kích thước trục khá lớn không dùng được ổ lăn vì khó tìm được ổ lăn thỏa mãn nên phải dùng ổ trượt. Trong các môi trường đặc biệt (trong nước, môi trường ăn mòn, ) ổ lăn thường làm bằng kim loại nên dễ bị mòn. Khi đó có thể chế tạo ổ trượt bằng gỗ, cao su, để phù hợp với môi trường. Một số loại ổ trượt điển hình được thể hiện trên hình 1.4: Hình 1.3: Kiểu dáng ổ đỡ trượt Hình 1.4: Hình ảnh một số loại ổ trượt điển hình 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.1.2. Khái niệm về ổ đỡ từ Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường (Hình 1.5). Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau, cho nên ổ đỡ từ đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21, có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật như sau mà ổ cơ không có được: không có hao mòn khi vận hành, tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động không có ma sát, thân thiện với môi trường do không có bộ phận bôi trơn, loại bỏ các rung động khi chuyển động, khả năng làm việc với tốc độ cao và làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như: Nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không. Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong khoảng ba thập kỷ qua. Rất nhiều các nghiên cứu quan trọng đã được tiến hành bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ. Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần… Cho đến nay, những nhận thức trọng tâm trong thiết kế ổ đỡ từ đã có những bước tiến rõ rệt và việc ứng dụng ổ đỡ từ vào các ứng dụng thực tiễn đã vượt ra ngoài những mong muốn ban đầu. Các ứng dụng quan trọng của ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động. Hình 1.5: Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ổ đỡ từ trong tương lai có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật như sau mà ổ đỡ cơ không có được: - Không có hao mòn khi vận hành do phần quay của động cơ không tiếp xúc với bất kỳ bộ phận nào; - Tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động không có ma sát; - Thân thiện với môi trường: Không có bộ phận bôi trơn; - Khả năng làm việc với tốc độ cao; - Khả năng loại bỏ các rung động khi chuyển động; - Khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên ổ đỡ từ vẫn tồn tại một số nhược điểm: - Giá thành cao; - Cần có phần điều khiển cho ổ đỡ từ. Phân loại ổ đỡ từ [7] Ổ đỡ từ được phân loại như sau: a) a a ) b) Hình 1.6: Ổ đỡ từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b) 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Phân loại ổ đỡ từ Theo chức năng Theo cấu tạo Ổ đỡ từ dọc trục (Hình 1.6) Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển động theo hướng dọc trục. Ổ đỡ từ ngang trục (Hình 1.6) Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển động theo hướng ngang trục (hướng x và y). Ổ đỡ từ chủ động (AMB) (Hình 1.7) Làm việc dựa trên nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ. Ổ đỡ từ chủ động bao gồm nhiều bộ phận như nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách. AMB có đặc điểm: - Kích thước lớn - Cấu trúc phức tạp - Có đặc tính động tốt - Lực nâng có thể điều chỉnh - Giá thành cao Ổ đỡ từ thụ động (PMB) (Hình 1.8) Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu để tạo ra lực nâng theo nguyên lý hút hoặc đẩy. PMB có đặc điểm: - Kích thước đơn giản và nhỏ gọn - Không cần bộ điều khiển - Khi nâng có lực nâng cố định - Chế tạo dễ dàng - Tuy nhiên giá thành cao Ổ đỡ từ siêu dẫn (SMB) (Hình 1.9) Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu và chất siêu dẫn, lực nâng được tạo ra theo nguyên lý đẩy. SMB có đặc điểm: - Kích thuớc nhỏ gọn - Không cần bộ điều khiển - Lực nâng cố định - Làm việc ở môi trường nhiệt độ thấp - Giá thành cao 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.7: Ổ đỡ từ chủ động Hình 1.8: Ổ đỡ từ thụ động Hình 1.9: Ổ đỡ từ siêu dẫn Superconductor PM 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ổ đỡ từ có nhiều loại đa dạng như trên, việc nghiên cứu tất cả các loại ổ đỡ từ sẽ gặp nhiều khó khăn. Vì vậy trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do (AMB). Ổ đỡ từ chủ động AMB hướng tâm [7] 4 bậc tự do (AMB) hướng tâm như hình 1.10. Ổ đỡ từ có cấu tạo tương tự như một động cơ điện, tuy nhiên thay vì tạo ra mô men xoắn để quay rotor, nó lại tạo ra một lực để nâng rotor quay trong lòng ổ (stator), khi nâng khoảng cách giữa rotor và stator rất nhỏ (0,5÷2mm). Một ổ đỡ từ bao gồm có 3 bộ phận chính: - Ổ đỡ từ và trục được treo trong lòng nhờ từ trường. - Các cảm biến. - Hệ thống điều khiển. Nguyên tắc làm việc của ổ đỡ từ tương tự như một nam châm điện, nghĩa là, có thể tạo nên chuyển dịch cơ học theo một phương nào đó bằng các lực (hút hoặc đẩy) điện từ. Nguyên lý nâng dùng lực từ a) Cảm biến khoảng cách Hệ thống điều khiển Nguồn dòng b) Hình 1.10: a) Hình dạng; b) Các bộ phận cơ bản của ổ đỡ từ 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Trước hết, ta xem xét một cấu trúc mô tả cho AMB tối giản trong hình 1.11 là một bậc tự do. Từ việc phân tích và hiểu rõ các thuộc tính cơ bản của một hệ thống với một bậc tự do (Degree of Freedom - DOF), thì việc phân tích và xây dựng một mô hình toán học cho một hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng và thuận lợi hơn. Hình 1.11 mô tả cấu trúc cơ bản của một vòng điều khiển kín cho AMB với các thành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống AMB theo một phương (x). Các thành phần này và chức năng của chúng sẽ được mô tả sơ bộ dưới đây. Đây là một hệ thống không ổn định cố hữu. Sự mất ổn định này là do lực hấp dẫn của cơ cấu điện từ. Do đó, cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực đối với mạch từ. Cơ cấu điện từ bao gồm một rotor được treo tự do tại một khoảng cách danh định so với cơ cấu điện từ. Cảm biến vị trí không tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến dòng điện xoáy hoặc cảm biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch x giữa vị trí mà ta mong muốn x 0 với vị trí thực của rotor và cung cấp thông tin này đến bộ điều khiển. Mục tiêu chính của bộ điều khiển là nhằm duy trì vị trí của rotor tại giá trị mong muốn của nó. Điều này không chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn f m được tạo ra bởi mg (tích của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm việc tĩnh mà còn nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất của quá trình điều khiển. Khi rotor chuyển dịch vượt quá giá trị x 0 , cảm biến vị trí sẽ cung cấp một tín Hình 1.11: Cấu trúc AMB một bậc tự do Bộ ĐK Cơ cấu chấp hành điện từ Rotor Rotor Trọng lượng rotor mg Lực từ f m Cơ cấu điện từ (Stator) Sensor Biến tần một pha [...]... cng tng [16] dung hũa c hai yờu cu trờn thỡ t ch ng 4 cc (4 bc t do) ang c y mnh nghiờn cu [11], [16] v hin ang thu hỳt s chỳ ý ca nhiu hóng sn xut (Synchrony, Mutecs) õy cng chớnh i tng hng nghiờn cu m lun vn s thc hin 2.3.2 Cu trỳc ca h nõng t trng 4 bc t do Mt s cu trỳc tng quỏt ca mụ hỡnh nõng vt chuyn ng s dng t 4 bc t do c mụ t nh hỡnh 2 .4: S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/... t - La chn c i tng nghiờn cu l t ch ng (4 bc t do) - La chn phng phỏp iu khin m lai 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 xõy dng mụ hỡnh 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/ 15 Chng 2 XY DNG Mễ HèNH TON HC CA T CH NG 4 BC T DO 2.1 t vn Vic nghiờn cu mt h thng iu khin... dng mụ hỡnh tuyn tớnh hoỏ - T mụ hỡnh toỏn hc c xõy dng (2. 34) s l c s cn thit i thit k cỏc b iu khin cho h t 4 bc t do trong cỏc chng tip theo S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 34 Chng 3 NH GI CHT LNG IU KHIN T 4 BC T DO S DNG B IU KHIN PID BNG Mễ PHNG V THC NGHIM 3.1 Tng quan v b iu khin PID B iu khin c gi l PID do c vit tt t 3 thnh phn c bn trong b iu khin : khuch i t l (P),... 1- + R x 2+ R x 2ỗ ỗR + R R x 2+ + R x 2ỗ ố x 1+ x 1Hp = ổ R R ỗ x 1+ x 1- + R x 2+ R x 2ỗ ỗR + R R x 2+ + R x 2ỗ ố x 1+ x 1Hp = ổ R R ỗ x 1+ x 1- + R x 2+ R x 2ỗ ỗR + R R x 2+ + R x 2ỗ x 1+ ố x 1- ổ ử ữỗR x 1+ ữ ữỗ + 1ữ ữỗ ữ ữỗR ữ ữ ứ ứố x 1- = ửổR ử ữỗ x 1ữ ữỗ + 1ữ ữỗ ữ ữỗ ữ ữ ữ ứốR x 1+ ứ = ổ ử ữỗR x 2+ ữ ữỗ + 1ữ ữỗ ữ ữỗ ữ ữ ứ ứốR x 2- = ửổR ử ữỗ x 2ữ ữỗ + 1ữ ữỗ ữ ữỗR ữ ữ x 2+ ữ ứố ứ = m0H pS (... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 Vi nhng nghiờn cu ó c ch ra trờn cho thy tớnh a dng ca cỏc nghiờn cu v t Tuy nhiờn vic ng dng cỏc phng phỏp iu khin hin i iu khin t nhm nõng cao cht lng iu khin h truyn ng s dng t l cn thit Cú nhiu phng phỏp iu khin ó c xut theo cỏc ti liu [17- 24] Do vy, trong lun vn ny tỏc gi xut s dng phng phỏp iu khin m lai iu khin t bn bc t do nhm ci thin cht lng cho h... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 30 2.3 .4 Cỏc c tớnh ng lc hc ca t 4 bc t do 2.3 .4. 1 Quan h gia sc t ng v dũng in stator ( = .N hoc = L.i) ng cong bóo ho mch t chớnh xỏc ph thuc vo cỏc loi thộp silic Nhng thụng tin ny s c cỏc nh sn xut thộp cung cp Vi kớch thc khe h khụng khớ nh, ng cong /i l phi tuyn, nu khe h khụng khớ ln s lm cho ng cong mang c tớnh tuyn tớnh nhiu hn do t tr ca mch s tng (ch yu l tng... 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 (2.17) 2.2.5... (2.19) S dng phng phỏp khai trin Taylor theo cho (2.19) ta cú: F = K i02 2 x0 2 3 2 ộ ựộ ự ờ + 2 x + 3 x 2 + 4 x 3 + ỳờ + 2 i + i 2 + ỳ 1 1 ờ ỳờ ỳ x0 x0 x0 i0 i0 ở ỷở ỷ (2.20) Thụng thng dũng in iu khin l rt bộ, c bit l trong ch xỏc lp dũng in ny thng cú giỏ tr bng 0 Do vy, s c b qua cỏc thnh phn bc cao Khi ú, (2.20) cú th c vit li nh sau [19]: (2.21) F = Fe + K ai + K n x trong ú : Fe = K i i2 i02 ; K... ù ù ù ợ & = K ai xs + 2K n x = mx& 2 ổ ử h h & & = a K ai xd + 2 ỗ a ữ K n qx = J x qx ỗ ữ ỗ2ữ ữ ỗ ứ 2 ố & = K aiys + 2K n y = my& (2. 34) 2 ổ ử h h & & = a K aiyd + 2 ỗ a ữ K n qy = J y qy ỗ ữ ỗ2ữ ữ ỗ ứ 2 ố trong ú J x v J y l mụ men quỏn tớnh ca trc rotor theo cỏc phng x v y Nh vy cú th nhn thy rng: Mụ hỡnh toỏn hc ca t theo hai phng x v y c trỡnh by nh (2. 34) l mụ hỡnh ó c tuyn tớnh húa 2.5 Kt... 1ù ù ỡ ù ùy ù x 2+ ù ù ù ù ù ù ùy ù x 2ù ù ù ợ ổ H p (x 0 + x 1 ) ử ữ ỗNi ữ = y xc 1 + y bx + = m0S ỗ x 1 + ỗ x 2 2 2 ữ ữ ỗ 0 (2x 0 - x 1 - x 2 ) ữ ố ứ ổ ử H p (x 0 - x 1 ) ữ ỗNi ữ = y xc 1 - y bx - = m0S ỗ x 1 ữ ỗ x ữ (2x 02 - x 12 - x 22 ) ữ ỗ 0 ố ứ ổ ử H p (x 0 + x 2 ) ữ ỗNi ữ = y xc 2 + y bx + = m0S ỗ x 2 + ữ ỗ x ữ (2x 02 - x 12 - x 22 ) ữ ỗ 0 ố ứ ổ ử H p (x 0 - x 2 ) ữ ỗNi ữ = y xc 2 - y bx - . quan trọng của ổ đỡ từ đồng thời nhằm nâng cao hơn nữa sự hiểu biết về ổ đỡ từ, vì vậy tôi chọn đề tài " ;Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ lai& quot; 1: Tổng quan về ổ đỡ từ. Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do. Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do sử dụng bộ điều khiển PID bằng. TRÀ MY NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa