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

1 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. Việc điều khiển ổ đỡ từ đảm bảo chất lượng trong những điều kiện làm việc nhất định là hết sức cần thiết. Vì vậy mục tiêu của đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm cải thiện chất lượng cho ổ đỡ từ. 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. 2 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. 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. • Phân loại ổ đỡ từ [7] - Theo chức năng: Ổ đỡ từ ngang trục và ổ đỡ từ dọc trục. - Theo cấu tạo: Ổ đỡ từ chủ động, ổ đỡ từ thụ động và ổ đỡ từ siêu dẫn. • Ổ đỡ từ chủ động AMB hướng tâm [7] Hình dạng bên ngoài và các bộ phận chủ yếu của ổ đỡ từ chủ động 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). 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 3 • Nguyên lý nâng dùng lực từ • Ứng dụng của ổ đỡ từ Ổ đỡ từ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: 1. Trong lĩnh vực Công nghệ bán dẫn 2. Trong lĩnh vực Công nghệ sinh học 3. Trong lĩnh vực Công nghệ chân không 4. Trong lĩnh vực kỹ thuật công nghệ chính xác 5. Trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng 6. Trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không 7. Trong lĩnh vực động lực học (máy nổ, máy phát, turbin). 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.3. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan được những nét cơ bản nhất về ổ đỡ từ. - Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động (4 bậc tự do). - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ lai để điều khiển ổ đỡ từ trong các hệ thống truyền động điện. Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ đỡ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc tự do. 4 Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 BẬC TỰ DO 2.1. Đặt vấn đề Việc nghiên cứu một hệ thống điều khiển nói chung cần phải xây dựng cấu trúc điều khiển với bộ điều khiển và đối tượng cần điều khiển, trong đó đối tượng cần điều khiển được quan tâm đầu tiên trong quá trình nghiên cứu hệ thống. Để đưa ra giải pháp thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng, thì cần thiết phải xây dựng được một mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của đối tượng. Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về đối tượng điều khiển, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực. Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai. Mô hình toán học là hình thức biểu diễn lại những hiểu biết của ta về quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra y(t) của một hệ thống nhằm phục vụ mục đích mô phỏng, phân tích và tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống sau này. Không thể điều khiển hệ thống nào đó nếu như không biết gì về nó cả. Ổ đỡ từ trước hết đó là chi tiết máy thuộc kỹ thuật cơ khí, nó đỡ cho các trục chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến. Mặt khác nó lại là một thiết bị điện có điều khiển. Cụ thể, về cấu tạo nó giống như một động cơ điện có stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên stator được xẻ rãnh để đặt dây quấn, rotor được chế tạo bằng vật liệu từ tính bao bên ngoài trục chuyển động, nhưng về nguyên lý làm việc thì ổ đỡ từ lại như một nam châm điện thay vì tạo mô men quay cho trục thì nó lại tạo ra các lực chuyển dịch trục theo phương x và y, các lực này được điều chỉnh tự động nhằm duy trì khe hở giữa stator và rotor xung quanh giá trị danh định. Để thiết lập được mối quan hệ động lực học của ổ đỡ từ chủ động thì trước hết phải phân tích và tính toán được từ thông, từ trở, điện cảm, mật độ từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực từ theo các phương chuyển dịch (x, y) của trục. Trên cơ sở đó, xây dựng được mô hình toán học của AMB. 5 2.2. Cơ sở toán học của ổ đỡ từ Hình 2.1 thể hiện một cơ cấu điện từ được dùng để treo một lõi sắt từ hình chữ I bằng một lực từ. Lõi sắt từ hình chữ C và chữ I có tiết diện là S fe . Đường đi chính của từ thông được mô tả bởi đường nét liền khép kín qua lõi sắt từ chữ C và chữ I. Cuộn dây trên cơ cấu điện từ có số vòng dây là N. Dòng điện tức thời có giá trị là i. Khe hở không khí tại vị trí danh định là x 0 . 2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ Giả thiết không có từ thông dò: a fe y y y = = a C C I r r a r S Ni Ni x l l l l x S 0 0 I 0 0 0 0 2 1 2 m y m mm mm m = = é ù é ù + ê ú ê ú + + + ê ú ê ú ë û ë û (2.7) 2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ Xét một mạch điện biến đổi tương đương cho mạch từ của cơ cấu điện từ trong được biểu diễn như Hình 2.1 S fe - Tiết diện mặt cắt lõi sắt S a - tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí N - Số vòng dây i – Dòng điện tức thời x 0 – Khe hở không khí tại vị trí danh định l C +l I +2x 0 - Chiều dài trung bình của đường đi từ trường Hình 2.1: Mạch từ lõi thép x 0 N x 0 S fe S a l C + l I + 2x 0 i Ψ R g R I R c R g Ni Hình 2.2: Mạch từ hoá tương đương Ni – Sức từ động (MMF) R c, R I - Từ trở tương ứng trong lõi từ C và lõi từ hình chữ I R g - Từ trở trong khe hở không khí – Từ thông 6 T tr ca mch t c nh ngha nh sau [8, 9], [19]: T tr lừi thộp C: 0 C C C fe r fe l l R S S m mm = = (2.8) T tr lừi thộp I: 0 I I I fe r fe l l R S S m mm = = (2.9) T tr khụng khớ: 0 0 g a x R S m = (2.10) t cm L l t s ca t thụng dõy qun sinh ra bi mt vũng dõy vi dũng in chy trong vũng dõy ú. i vi mt cun dõy cú N vũng dõy, t cm ca cun dõy c xỏc nh bng: N L i y = (2.11) trong ú l t thụng tng sinh ra bi 1 vũng dõy. t cm L ca mch t cng cú th c tớnh gn bng: 2 0 0 2 a N S L x m = (2.12) 2.2.3. Lc in t khi k n t húa lừi thộp 2 2 2 2 a 0 a 0 a 2 2 0 C I C I 0 0 r r r r W 2 S N i S N i 1 F x 2 l l l l 2x 2x m m m m m m ả = - = = ả ộ ự ộ ự ờ ỳ ờ ỳ + + + + ờ ỳ ờ ỳ ở ỷ ở ỷ (2.16) i vi cỏc phn t in t, in nng c a vo h thng qua cỏc u cc ca cun dõy to ra t trng. Lc in t F c biu din nh trờn l mt hm s ca dũng in trong cun dõy v khe h khụng khớ. Nhn xột : Phng trỡnh (2.16) cho thy lc in t t l thun vi bỡnh phng ca dũng in v t l nghch vi bỡnh phng ca khe h khụng khớ. 2.2.4. Lc in t khi khụng k n t húa lừi thộp 2 2 2 2 2 0 a 0 a 0 a 2 2 0 0 0 Ni 1 i i 1 F S N S K ; K N S 2x 4 x x 4 m m m ổ ử ữ ỗ ữ = = = = ỗ ữ ỗ ữ ỗ ố ứ (2.17) 7 2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB Khi khe hở không khí thay đổi một lượng x so với vị trí ban đầu là x 0 do dòng điện đầu vào thay đổi một lượng i so với dòng điện phân cực i 0 . Lực hấp dẫn F của cơ cấu điện từ trong (2.17) có thể được biểu diễn như sau: ( ) ( ) 2 0 2 0 i i F K x x + = - (2.18) Phương trình (2.18) được viết thành: 2 2 2 0 2 0 0 0 i x i F K 1 1 x i x - é ù é ù ê ú ê ú = - + ê ú ê ú ê ú ê ú ë û ë û (2.19) Sử dụng phương pháp khai triển Taylor theo cho (2.19) ta có: 2 2 3 2 0 2 2 3 2 0 0 0 0 0 0 i x x x i i F K 1 2 3 4 1 2 x x x x i i é ùé ù ê úê ú = + + + + + + + ê úê ú ë ûë û (2.20) Thông thường dòng điện điều khiển là rất bé, đặc biệt là trong chế độ xác lập dòng điện này thường có giá trị bằng 0. Do vậy, sẽ được bỏ qua các thành phần bậc cao. Khi đó, (2.20) có thể được viết lại như sau [19]: e a n F F K i K x= + + (2.21) trong đó: 2 0 e 2 0 i F K x = ; 0 a 2 0 2 i K K x = ; 2 0 n 3 0 2 i K K x = Đối với các hệ thống nâng dùng lực điện từ, dòng điện điều khiển của các cơ cấu điện từ phải hội tụ về zero để thỏa mãn điều kiện cân bằng sau đây: e F mg= (2.22) và phương trình chuyển động của hệ thống ổ đỡ từ có thể được viết: mx F mg= - && (2.23) Từ các phương trình (2.21), (2.22) và (2.23) ta có: a n mx K i K x= + && (2.24) Đây chính là phương trình cơ bản để mô tả chuyển động của một vật được nâng bằng lực điện từ theo một phương cố định. Hình 2.3: Một số cấu trúc điển hình của ổ đỡ từ chủ động Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ 8 2.3. Xây dựng mô hình toán của ổ đỡ từ 4 cực 2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ đỡ từ Các phương pháp bố trí cực từ hiện nay được phân thành ba loại chính là loại ba cực, loại bốn cực và loại tám cực như được minh họa trong Hình 2.3 a,b,c. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là ổ đỡ từ chủ động 4 cực. 2.3.2. Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do Một sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng vật chuyển động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc tự do được mô tả như hình 2.4: 9 2.3.3. Xây dựng mô hình toán học Cũng giống như các loại máy điện khác trong công nghiệp, mô hình toán học của ổ đỡ từ cũng được phân tích dựa trên sơ đồ mạch từ tương đương. Ở mục 2.2 quá trình phân tích được tiến hành dựa trên việc tính toán các điện cảm, mật độ từ thông và năng lượng từ trường. Ngoài ra việc xây dựng mô hình toán học cho ổ đỡ từ có thể được xây dựng trên hệ tọa độ cục bộ tại các điểm đặt ổ đỡ từ ( 1 1 ,x y và 2 2 ,x y ) hoặc trên hệ tọa độ trung tâm ( ,x y và , x y q q ). Sơ đồ miêu tả các hệ tọa độ thể hiện ở hình 2.6. Hình 2.6: Định nghĩa các hệ tọa độ cho ổ đỡ từ Hình 2.7: Sơ đồ chi tiết theo phương x-z cho ổ đỡ từ 10 2.3.4. Các đặc tính động lực học của ổ từ 4 bậc tự do 2.3.4.1. Quan hệ giữa sức từ động và dòng điện stator ( λ = ψ.N hoặc λ = L.i) 2.3.4.2. Quan hệ giữa lực với dòng điện điều khiển và chuyển dịch (x, y) 2.4. Xây dựng mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc Từ hình 2.7 cũng như căn cứ vào thực tế các giá trị của độ dịch chuyển x y 1 1 , và x y 2 2 , thường nhỏ hơn rất nhiều so với khe hở không khí tại vị trí cân bằng x 0 , do đó các lực nâng này có thể được viết như sau: 2 0 0 1 1 1 1 1 2 3 0 0 2 0 0 2 2 2 2 2 2 3 0 0 2 2 2 2 p p x x a x n p p x x a x n SH N SH F i x K i K x x x SH N SH F i x K i K x x x m m m m ì ï ï ï = + = + ï ï ï í ï ï ï = + = + ï ï ï î (2.32a) trong đó: 0 2 0 2 p a SH N K x m = là hệ số tỷ lệ với dòng điện 2 0 3 0 2 p n SH K x m = là hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển Mặt khác cũng từ hình 2.7, các lực nâng tại vị trí đặt ổ đỡ từ có thể chuyển tương đương về vị trí trọng tâm của trục rotor như sau: 1 2 2 2 1 2 ( ) 2 2 ( ) 2( ) 2( ) 2 2 2 2 x a x x n a xs n a a a a x a x x n x a xd n x F K i i K x K i K x h h h h T K i i K K i K q q ì ï = + + = + ï ï ï í ï = - + = + ï ï ï î (2.32b) 1 2xs x x i i i= + là tổng của các dòng điện thành phần theo phương x dùng để điều chỉnh lực nâng còn 1 2xd x x i i i= - là hiệu của các dòng điện thành phần theo phương x dùng để điều chỉnh mô men quay. Bằng cách tương tự các lực nâng của ổ đỡ từ theo phương y cũng được xác định như sau: [...]... mụ hỡnh toỏn hc ca t di 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 12 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), tớch phõn (I) v vi phõn... / 4 . các bộ điều khiển cho hệ ổ đỡ từ 4 bậc tự do trong các chương tiếp theo. 12 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 3.1 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. 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. 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Những