NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG điều KHIỂN ổ đỡ từ 4 bậc tự DO BẰNG bộ điều KHIỂN mờ THÍCH NGHI

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VIỆT HÙNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN, 2014 Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS. Đặng Danh Hoằng Phản biện 1: PGS.TS. Võ Quang Lạp Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 08 giờ 15, ngày 19 tháng 4 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hiện nay ổ đỡ từ được sử dụng trong những hệ truyền động tốc độ cao, đây là một trong những sản phẩm công nghệ chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ thân thiện với môi trường. 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 không xa, 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 nghiệp 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 thích nghi nhằm cải thiện chất lượng cho ổ đỡ từ. 2. Mục tiêu của 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. - Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi. - Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng. - Nghiên cứu bằng thực nghiệm. 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: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do Chương 3: Khảo sát 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: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi. Kết luận và kiến nghị 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ 1.1.1. khái niệm ổ trục Ổ trục là một chi tiết máy thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Nó có 2 dạng chính là ổ lăn (vòng bi, ổ bi) và ổ trượt. 1.1.2. Ổ đỡ từ  Sơ lược sự phát triển ổ đỡ từ Xuất phát từ ý tưởng về việc treo một vật bằng từ trường đã được đặt ra từ giữa những năm 1842 trong bài báo của Earnshaw (On the nature of molecular forces), cho đến năm 1934 Braunbeck mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những hoạt động sản xuất công nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập đoàn S2M ở Vernon, Pháp. Sau đó đã có rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế của ổ từ đã trở thành hiện thực từ những năm 1960. Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong sản xuất công nghiệp. Từ những năm 1988 trở lại đây, do sự phát triển mạnh mẽ trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần mềm cũng như những đột phá về kỹ thuật vật liệu và công nghệ chế tạo cơ khí, góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp cũng như giá thành của ổ từ. Điều đó, đã tạo cơ hội cho việc phát triển sử dụng ổ đỡ từ trong công nghiệp và trong các dụng cụ cao cấp của y sinh học. Tính đến năm 2010, đã tổ chức được 12 hội nghị khoa học quốc tế về ổ đỡ từ [18].  Định nghĩa Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường, được thể hiện trên như hình 1.5.  Phân loại ổ đỡ từ [8] 3 - Theo chức năng: Ổ đỡ từ ngang trục và ổ đỡ từ dọc trục như hình 1.6.  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 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 1.2.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước  Nghiên cứu về sử dụng các bộ điều khiển hiện đại 4 Chương 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG 4 BẬC TỰ DO 2.1. Khái quát chung 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. Để thiết kế được một 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. Mô hình của đối tượng dưới dạng toán học được gọi là mô hình danh định. Do vậy, có thể nói rằng, một hệ thống điều khiển danh định là được thể hiện dưới dạng các phương trình toán học. Từ đây, ta nhận thức được rằng mô hình hóa đối tượng dưới dạng các phương trình toán học là công việc hết sức cần thiết trong phân tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển. Việc mô tả toán học cho đối tượng càng sát với mô hình vật lý thì việc điều khiển nó càng đạt 5 chất lượng cao như mong muốn. Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn và phức tạp hơn nhiều với các đối tượng không ổn định và có tính phi tuyến cao [4]. Ổ đỡ từ trước hết đó là chi tiết máy thuộc kỹ thuật cơ khí, nó đỡ cho các trục chuyển động quay và 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. 2.2. Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường Trong công nghệ nâng bằng từ trường, các phần tử điện từ gây ra từ thông khép kín trong một mạch vòng từ. Khi phân tích những mạch vòng từ như vậy, việc tính toán chính xác từ trường thường là không khả thi và không thực sự cần thiết [8]. Thông thường các phương pháp phân tích xấp xỉ hóa dựa vào một số giả thiết chẳng hạn như: từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ (không có từ thông tản), ngoại trừ trong khe hở không khí. Vì độ thẩm từ của vật liệu sắt từ μ = μ 0 μ r lớn hơn nhiều so với độ thẩm từ không khí, các đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu sắt từ gần như vuông góc với bề mặt của nó. 2.2.1. Mật độ từ thông của mạch từ 6 Lực từ động (Magnemotive Force - MMF) được cho bởi công thức sau [8]: 0 0 ( ) C I fe a Hdx l l H + 2x H = Ni = R      (2.3) trong đó, R biểu diễn cho tổng từ trở; Ψ là từ thông chạy trong mạch từ tương đương tại hình 2.2; Mật độ từ thông và cường độ từ trường liên hệ với nhau qua: 0 r B H    (2.4) Khi mật độ từ thông B trong lõi sắt từ và khe hở không khí là như nhau, thay thế (2.4) vào trong (2.3) ta có: 0 0 0 ( ) 2 C I r B B l l x Ni       (2.5) Giải phương trình (2.5) đối với B ta sẽ có: C I r Ni B l l x 0 0 2                   (2.6) Giả thiết không có từ thông dò: a fe      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                               (2.7) 7 2.2.2. Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ Hình 2.2 biểu diễn một mạch điện biến đổi tương đương cho mạch từ của cơ cấu điện từ trong Hình 2.1. Các thành phần sức từ động, từ thông, từ trở và mạch từ không đổi được xem xét tương ứng như các thành phần điện áp, dòng điện, điện trở và nguồn một chiều (DC) trong mạch điện. Sự khác biệt chính đó là từ trở là một thành phần tích trữ năng lượng chứ không phải là thành phần tiêu tán năng lượng. Nguồn “DC” – Ni biểu diễn cho sức từ động do dòng điện trên cuộn dây sinh ra. 2.2.3. Lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép Khi quan tâm đến năng lượng từ W a được tích trữ trong một thể tích khe hở không khí của hệ thống, V a = 2x 0 S a ; S a được giả thiết là vùng chiếu của bề mặt cực, ta có thể dẫn ra được lực từ tại một chuyển dịch bất kỳ. Trường hợp từ trường tại khe hở không khí là đồng nhất, như thể hiện trong Hình 2.2, năng lượng tích trữ W a được tính toán theo công thức [17]: a I C a a a r r B l l B dV x S 2 2 a 0 0 0 1 W 2 2 2                    (2.14) Từ (2.2), ta tính B = Ψ/S a , sau đó thay vào trong (2.14) ta có: 2 2 0 a a C I 0 r r S N i 1 W 2 l l 2x               (2.15) Lực tác động lên vật thể sắt từ (μ r >> 1) được tạo ra bởi sự biến đổi năng lượng từ trường trong khe hở không khí. Lực này là một hàm số của độ chuyển dịch vật thể. 8 Khi khe hở không khí x 0 tăng lên một lượng δx 0 , thể tích V a = 2x 0 S a sẽ tăng lên, và năng lượng từ trường cũng tăng lên một lượng bằng dW a . Nếu vật thể bị dịch chuyển đi một lượng δx thì một lực điện từ F bằng với vi phân từng phần của năng lượng từ trường với khe hở không khí được sinh ra [15]: 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                                 2.2.4. Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép Đối với các vật liệu sắt từ có r  >>1 thì từ hóa của sắt từ thường được bỏ qua. Khi không kể đến ảnh hưởng của độ từ hóa của vật liệu sắt từ, và giả thiết I l , C l là nhỏ, thành phần C I r r l l                 được bỏ qua. Lực điện từ được tạo ra trong biểu thức (2.16) sẽ là: 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                    (2.17) 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: [...]... của ổ đỡ từ dưới dạng mô hình tuyến tính hoá (2) Từ mô hình toán học được xây dựng (2. 34) sẽ là cơ sở cần thiết để thiết kế được bộ điều khiển phù hợp cho hệ ổ đỡ từ 4 bậc tự do trong các chương tiếp sau 11 Chương 3 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHI M 3.1 Tổng hợp bộ điều khiển PID Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ. .. đổi của tín hiệu đầu vào - Khảo sát chất lượng của hệ thống qua mô phỏng trong các trường hợp không có nhiễu và có nhiễu tác động - Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển qua kết quả thực nghi m 17 Chương 4 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 4. 1 Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi một... được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân và tỷ lệ vi tích phân(I, PI, PD và PID) 4. 1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi Bộ điều khiển mờ thích nghi có 2 phương pháp và cấu trúc cơ bản: + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp được tổng quát trên sơ đồ hình 4. 12 4. 2 Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu 4. 2.1 Đặt vấn đề Một cấu... giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ - Đưa ra được phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng - Mô phỏng hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ở đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi so với phương pháp điều khiển PID 20 ... ra 4. 1.2 Bộ điều khiển mờ 4. 1.2.1 Bộ điều khiển mờ động Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ có xét tới các trạng thái động của đối tượng Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tính hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm, tích phân của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các thay đổi đột xuất của đối tượng Các bộ điều khiển mờ. .. phỏng trên các hình 4. 24 đến hình 4. 27 cho thấy bộ điều khiển mờ thích nghi đã cải thiện được chất lượng so với bộ điều khiển PID (thời gian quá độ ngắn hơn) Điều này cho thấy tính đúng đắn của thuật toán điều khiển và với phương pháp điều khiển mờ thích nghi sẽ đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại cho ổ đỡ từ 4. 4 Kết luận chương 4 Chương 4 đã giải quyết được... logic mờ (FLC –Fuzzy Logic Control) là cấu trúc kiểu phản hồi sai lệch Sơ đồ như hình 4. 14: 4. 2.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ Xét bộ điều khiển mờ hai đầu vào như hình 4. 14 Để xây dựng mô hình toán học của nó ta thực hiện theo các bước sau: 4. 2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu Theo tài liệu [2], ta có 2 phương pháp điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu đó là thích nghi. .. song 19 và thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng Trong luận văn này tác giả chọn phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng 4. 3 Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink 4. 3.1 Sơ đồ mô phỏng 4. 3.2 Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ thích nghi với bộ điều khiển PID Trường hợp không có nhiễu tác động: Trường hợp có nhiễu tác động: 4. 3.3 Nhận xét Từ các kết... 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 2.3.2 Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do Hình 2 .4 mô tả sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng vật chuyển động sử dụng ổ đỡ từ Để đảm bảo vật nâng chuyển động ổn định thì hệ sử dụng hai ổ đỡ từ ngang trục Mỗi ổ đỡ từ ngang trục sẽ tạo ra các lực nâng ngang... lực nâng này được điều khiển bởi hệ thống phản hồi vòng kín để đảm bảo vị trí của trục nâng nằm chính giữa lõi stator Ổ từ ngang trục phía trái sẽ kiểm soát hai vị trí theo phương x1 và y1, còn ổ đỡ từ ngang trục phía phải sẽ kiểm soát hai vị trí theo phương x2 và y2 Như vậy các ổ đỡ từ sẽ kiểm soát 4 bậc tự do cho vật nâng 2.3.3 Xây dựng mô hình toán học 2.3 .4 Các đặc tính động lực học của ổ từ 4 bậc . Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển qua kết quả thực nghi m 18 Chương 4 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 4. 1. Tổng quan. và thực nghi m. Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi. Kết luận và kiến nghị 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ Chương 2: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng