Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thông minh và đề xất cấu trúc điều khiển vị trí ổ đỡ từ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Ổ ĐỠ TỪ Học viên : Nguyễn Thị Tuyết Cán hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Thái Nguyên 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự Do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CƢÚ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Ổ ĐỠ TỪ Học viên : Nguyễn Thị Tuyết Lớp : CHK11 Chuyên nghành : Tự động hoá Cán hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Ngày giao đề tài : 01/02/2010 Ngày hoàn thành : 29/08/2010 Khoa ĐT sau ĐH Cán HDKH Học viên PGS.TS Nguyễn Như Hiển Nguyễn Thị Tuyết Ban giám hiệu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Đây công trình tổng hợp nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Nguyễn Thị Tuyết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng, hình vẽ, đồ thị chữ viết tắt Lời nói đầu Nội dung Trang CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 1.1Tổng quan ổ đỡ từ 1.1.1 Ổ đỡ từ tính truyền động động 1.1.2 Hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính 1.1.3 Cấu trúc đặc trƣng hệ thống truyền động động đƣợc trang bị ổ đỡ từ tính 1.1.4 Hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc 1.1.6 Cấu trúc cuộn dây 13 1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ 14 1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp động máy phát kiểu treo từ tính 15 1.2.Đánh giá phƣơng pháp điều khiển đại 15 1.2.1 Phƣơng pháp điều khiển tối ƣu 15 1.2.2 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi 17 1.2.3 Phƣơng pháp điều khiển bền vững 21 1.2.4 Phƣơng pháp điều khiển mờ 22 CHƢƠNG ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 23 2.1 Mô hình toán học treo từ tính 23 2.1.1 Cấu trúc điện nguyên lý hoạt động ổ từ 23 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.2 Các mối quan hệ 25 2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai 28 2.1.4 Động nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 29 2.1.5 Ổ từ chịu tải hƣớng tâm (ổ đỡ từ) 30 2.1.6 Mô tả toán học ổ đỡ tƣ̀ 32 2.2 Các tính chất điều khiển đƣợc treo từ tính 38 2.2.1 Lực kéo không cân 38 2.2.2 Các nguyên tắc 38 2.2.3 Phép phân tích lõi từ hình chữ C lõi từ hình chữ I 39 2.2.4 Giảm chấn hệ thống treo từ tính 40 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 43 THÔNG MINH 3.1 Hệ lôgic mờ 43 3.1.1 Khái niệm tập mờ 43 3.1.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 43 3.2 Bộ điều khiển mờ 50 3.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 50 3.2.2 Bộ điều khiển mờ động 53 3.2.3 Bộ điều khiển mờ trƣợt 56 3.2.4 Điều khiển mờ thích nghi 57 3.3 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 57 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 61 4.1 Mô với điều khiển PID 61 4.2 Mô với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 62 4.3 So sánh chất lƣợng điều khiển: 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2 Đánh giá chất lƣợng hệ thống 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NHGỊ 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TT Tên hình vẽ Hình 1.1 Sự tạo lực từ hƣớng tâm mật độ từ thông khe hở Trang không cân bằng: Hình 1.2 Sơ đồ tƣợng trƣng hệ truyền động không tiếp xúc Hình 1.3 Động với ổ đỡ từ Hình 1.4 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc Hình 1.5 Hình dạng ổ đỡ từ Hình 1.6 Bộ treo chủ động theo trục: Hình 1.7 Những biến đổi hệ treo tác dụng theo phƣơng Hình 1.8 Sự kết hợp với ổ đỡ từ ổ đỡ khí thông thƣờng Hình 1.9 Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống 10 Hình 1.10 Cấu trúc chung hệ ĐKTN 18 Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại 20 Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu 20 Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN tự điều chỉnh 21 Hình 2.1 Hệ thống từ treo 24 Hình 2.2 Lõi từ C lõi từ hình chữ I với cuộn cảm 25 Hình 2.3 Mạch từ hoá tƣơng đƣơng 27 Hình 2.4 Cơ cấu điều chỉnh vi sai 29 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.5 Động nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 30 Hình 2.6 Ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm 31 Hình 2.7 Mối quan hệ lực hƣớng tâm dòng điện 34 Hình 2.8 Mối quan hệ tuyến tính lực hƣớng tâm với dòng điện phân cực Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện 35 Hình 2.9 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống từ treo lƣợng từ theo một phƣơng Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc rút gọn sử dụng 36 36 37 Hình 2.12 Lực từ kéo (hấp dẫn) kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc 39 khe hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống Hình 2.13 Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn - 40 khối lƣợng – lò xo Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ 42 Hình 3.1 Hàm liên thuộc biến ngôn ngữ 43 Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 44 Hình 3.3 Luật hợp thành 45 Hình 3.4 Mờ hoá 46 Hình 3.5 Thực phép suy diễn mờ 46 Hình 3.6 Thực phép hợp mờ 47 Hình 3.7 Những nguyên lý giải mờ 48 Hình 3.8 Cấu trúc hệ logic mờ 49 Hình 3.9 Quan hệ truyền đạt điều khiển mờ theo luật tỉ lệ 50 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 52 Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 52 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.12 Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 52 Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(3) 53 Hình 3.14 Các hàm h(s(e)) 54 Hình 3.15 Bộ điều khiển mờ trƣợt đầu vào 55 Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ trƣợt đầu vào 55 Hình 3.17 Đƣờng chuyển đổi 56 Hình 3.18 Tập mờ đầu vào 56 Hình 3.19 Tập mờ đầu 56 Hình 3.20 Điều khiển mờ chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 56 Hình 3.21 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 57 Hình 3.22 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 57 Hình 3.23 Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 58 Hình 3.24 Bên chỉnh định mờ 58 Hình 3.25 Tập mờ e e‟ 59 Hình 3.26 Tập mờ  59 Hình 3.27 Tập mờ Kp KD 59 Hình 4.1 Sơ đồ mô dùng điều khiển PID kinh điển 61 Hình 4.2 Kết mô dùng điều khiển PID kinh điển 62 Hình 4.3 Sơ đồ mô dùng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 62 Hình 4.4 FIS Editor chỉnh định  64 Hình 4.5 Đầu vào thứ ET 64 Hình 4.6 Đầu vào thứ hai DET 65 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.7 Đầu  65 Hình 4.8 Luật hợp thành 66 Hình 4.9 Luật hợp thành xây dựng Matlab 66 Hình 4.10 Kết mô điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Hình 4.11 Sơ đồ mô điều khiển PID kết hợp với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Hình 4.12 Kết mô điều khiển PID kết hợp với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 67 67 68 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải I Bộ điều khiển mờ theo luật tỷ lệ PI Bộ điều khiển mờ theo luật tỷ lệ tích phân PD Bộ điều khiển mờ theo luật tỷ lệ vi phân PID Bộ điều khiển mờ theo luật tỷ lệ vi tích phân ĐKTN Điều khiển thích nghi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Trong công nghệ truyền động tự động sử dụng động không đồng đƣợc phát triển có phạm vi ứng dụng rộng ƣu vƣợt trội so với động chiều nhƣ: Hiệu suất cao, gọn nhẹ, có yêu cầu bảo dƣỡng thấp giá thành rẻ Do phát triển công nghệ truyền động tự động yêu cầu động có công suất lớn, tốc độ cao Khi chế độ bảo dƣỡng động gặp phải số hạn chế việc bôi trơn thay ổ đỡ, môi trƣờng chứa chất độc hại, bị nhiễm xạ dây truyền thực phẩm dƣợc phẩm Do ổ đỡ khí không phù hợp thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, độ xác lớn mà thay vào ổ đỡ không tiếp xúc (còn gọi ổ đỡ từ) Đây bƣớc tiến quan trọng cho phép giảm tổn hao tăng độ xác (nhờ loại trừ đƣợc mài mòn ma sát) Với phát triển khoa học công nghệ nhƣ việc đƣa phƣơng pháp điều khiển thông minh để điều khiển ổ đỡ từ nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống vấn đề đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Luận văn với đề tài "Nghiên cứu hƣơng pháp điều khiển thông minh đề xuất cấu trúc điều khiển vị trí ổ đỡ từ"nhằm mục đích đề xuất phƣơng pháp điều khiển cho ổ đỡ từ Đó phƣơng pháp điều khiển mờ chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Luận văn gồm chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan ổ đỡ từ phƣơng pháp điều khiển đại Chƣơng 2: Đề xuất cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển điều khiển thông minh Chƣơng 4: Mô đánh giá chất lƣợng hệ thống Trong trình làm luận văn,dƣới hƣớng dẫn nhiệt tình cán hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển, giúp đỡ ThS.NCS Đặng Danh Hoằng nỗ lực thân tác giả việc tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu tìm hiểu thực tế nhƣng thời gian kimh nghiệm hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... khiển ổ đỡ từ nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống vấn đề đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Luận văn với đề tài "Nghiên cứu hƣơng pháp điều khiển thông minh đề xuất cấu trúc điều khiển vị trí ổ. .. lập - Tự Do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CƢÚ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Ổ ĐỠ TỪ Học viên : Nguyễn Thị Tuyết... CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 1.1Tổng quan ổ đỡ từ 1.1.1 Ổ đỡ từ tính truyền động động 1.1.2 Hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính 1.1.3 Cấu trúc