Nghiên cứu về hệ điều khiển cho ổ từ chủ động 4 cực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== PHAN PHÚ KHÁNH NGHIÊN CỨU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ====o0o==== PHAN PHÚ KHÁNH NGHIÊN CỨU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỰC Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN QUANG ĐỊCH Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ điều khiển cho ổ từ chủ động cực tự thiết kế hướng dẫn củaTS Nguyễn Quang Địch Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015 Học viên Phan Phú Khánh i Danh mục hình vẽ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ .vi DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .x MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ 1.1 Ổ từ 1.1.1 Giới thiệu chung ổ từ .3 1.1.2 Phân loại 1.2 Ứng dụng thực tiễn ổ từ 1.3 Phạm vi nghiên cứu luận văn 12 Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THỐNG 13 2.1 Mô hình toán học ổ từ chủ động 13 2.1.1 Nguyên tắc tạo lực nâng từ trường 13 2.1.1.1 Mật độ từ thông mạch từ .16 2.1.1.2 Lực điện từ từ hóa lõi thép: 17 2.1.1.3 Lực điện từ không từ hóa lõi thép: 18 2.1.2 Mô hình toán học ổ từ theo phương .18 2.1.3 Mô hình toán học ổ từ cực 22 2.2 Các thông số ổ từ chủ động 29 2.3 Phương pháp điều khiển truyền thống (Điều khiển PID) 30 iv Danh mục hình vẽ 2.4 Kết luận chương 32 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 33 3.1 Phương pháp điều khiển trượt 33 3.1.1 Sự tồn chế độ trượt 33 3.1.2 Bộ điều khiển trượt cho hệ thống có tham số bất định 39 3.1.3 Chất lượng ổn định hệ trượt 41 3.1.4 Một số biện pháp làm giảm tượng chattering 42 3.2 Kết luận chương 44 Chương 4: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ KIỂM CHỨNG 45 4.1 Thiết kế điều khiển ổ từ chủ động theo phương 45 4.1.1 Bộ điều khiển trượt truyền thống 45 4.1.2 Bộ điều khiển trượt lũy thừa 49 4.2 Thiết kế điều khiển cho toàn hệ thống hai ổ từ ngang trục 52 4.2.1 Bộ điều khiển trượt truyền thống 52 4.2.2 Bộ điều khiển trượt lũy thừa 60 4.3 Kết luận chương 66 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 v Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Ổ đỡ khí :a Ổ đỡ kiểu lănb Ổ đỡ kiểu trượt Hình 1-2 Ổ từ thụ động .4 Hình 1-3 Cấu trúc ổ từ chủ động Hình 1-4 Cấu tạo ổ từ dọc trục Hình 1-5 Cấu tạo ổ từ ngang trục Hình 1-6 Các phần tử hệ thống AMB .9 Hình 1-7 Máy bơm cao tốc 11 Hình 1-8 Bộ lưu điện kiểu bánh đà sử dụng ổ đỡ từ 11 Hình 1-9 Máy nén siêu tốc HOFIM .12 Hình 2-1 Mạch từ cấu nâng theo phương 13 Hình 2-2 Mạch từ tương đương 15 Hình 2-3 Cấu trúc mô hình điều khiển ổ từ theo phương 18 Hình 2-4 Quan hệ dòng điện điều khiển, khoảng cách lực từ phương trình phi tuyến 20 Hình 2-5 Quan hệ dòng điện điều khiển, khoảng cách lực từ phương trình tuyến tính .21 Hình 2-6 Sơ đồ cấu trúc tổng quát ổ từ chủ động .23 Hình 2-7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổ từ ngang trục .23 Hình 2-8 Tích hợp hệ ổ từ ngang trục để nâng rotor 24 Hình 2-9 Định nghĩa hệ tọa độ cho ổ từ 24 Hình 2-10.Cấu trúc điều khiển vòng kín vòng bi từ theo phương y 30 Hình 2-11 Đáp ứng vị trí sử dụng điều khiển PD 31 Hình 2-12 Hệ thống bị ổn định có thay đổi tham số mô hình .31 vi Danh mục hình vẽ Hình 3-1 Minh họa miền trượt hai chiều 33 Hình 3-2 Sự thu hút quỹ đạo trạng thái mặt trượt 34 Hình 3-3 Hệ thống phi tuyến có khâu hai vị trí 35 Hình 3-4 Phân điểm mặt phẳng pha .36 Hình 3-5 Hiện tượng quỹ đạo pha trượt gốc tọa độ 39 Hình 3-6 Hiện tượng chattering 42 Hình 3-7 Đồ thị hàm Sat 43 Hình 4-1 Đáp ứng sử dụng phương pháp truyền thống với hàm signum cho phương ổ từ .47 Hình 4-2 Mặt trượtkhi sử dụng phương pháp truyền thống với hàm signum cho phương ổ từ .48 Hình 4-3 Đáp ứng sử dụng phương pháp truyền thống với hàm saturation cho phương ổ từ 48 Hình 4-4 Mặt trượt sử dụng phương pháp truyền thống với hàm saturation cho phương ổ từ 49 Hình 4-5 Đáp ứng sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm signum cho phương ổ từ 50 Hình 4-6 Mặt trượt sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm signum cho phương ổ từ 51 Hình 4-7 Đáp ứng sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm saturation cho phương ổ từ .51 Hình 4-8 Mặt trượt sử dụng phương pháp lũy thừa với hàm saturation cho phương ổ từ .52 Hình 4-9.Quỹ đạo vị trí ổ từ a b với phương pháp truyền thống - signum 54 Hình 4-10 Dòng điện điều khiển sử dụng hàm truyền thống - signum 55 vii Danh mục hình vẽ Hình 4-11 Đáp ứng vị trí đặt sử dụng hàm truyền thống - signum 55 Hình 4-12 Mặt trượt điều khiển 57 Hình 4-13.Quỹ đạo vị trí ổ từ a b sử dụng hàm truyền thống saturation 57 Hình 4-14 Dòng điện điều khiển sử dụng hàm truyền thống - saturation 58 Hình 4-15 Đáp ứng vị trí đặt sử dụng hàm truyền thống - saturation 59 Hình 4-16 Mặt trượt điều khiển 60 Hình 4-17.Quỹ đạo vị trí ổ từ a b sử dụng hàm lũy thừa - signum .61 Hình 4-18 Dòng điện điều khiển sử dụng hàm lũy thừa - signum 62 Hình 4-19 Đáp ứng vị trí đặt sử dụng hàm lũy thừa –signum .62 Hình 4-20 Mặt trượt điều khiển 63 Hình 4-21.Quỹ đạo vị trí ổ từ a b sử dụng hàm lũy thừa - saturation 64 Hình 4-22 Dòng điện điều khiển sử dụng hàm lũy thừa - saturation .65 Hình 4-23 Mặt trượt điều khiển 66 viii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2-1 Thông số ổ từ chủ động 29 ix Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AMB Active Magnrtic Bearing Ổ từ chủ động PMB Passive Magnetic Beaing Ổ từ thụ động SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt DOF Degree of Freedom Bậc tự PID Proportional Integral Derivative Điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân SISO Single Input Single Output Hệ thống vào ADC Analog to Digital Convert Chuyển đổi tương - tự số DAC Digital to Analog Convert Chuyển đổi số - tương tự PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung PCI Peripheral Component Interconnect Chuẩn ghép nối ngoại vi với bo mạch chủ x Chương 4: Tổng hợp điều khiển trượt kiểm chứng a) Phương x1 b) Phương y1 c) Phương x2 d) Phương y2 Hình 4-14 Dòng điện điều khiển sử dụng hàm truyền thống - saturation 58 Chương 4: Tổng hợp điều khiển trượt kiểm chứng a) Phương x1 b) Phương y1 c) Phương x2 d) Phương y2 Hình 4-15 Đáp ứng vị trí đặt sử dụng hàm truyền thống - saturation 59 Chương 4: Tổng hợp điều khiển trượt kiểm chứng a) Phương x1 b) Phương y1 c) Phương x2 d) Phương y2 Hình 4-16 Mặt trượt điều khiển 4.2.2 Bộ điều khiển trượt lũy thừa a Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển trượt bổ sung cho toàn hệ thống ổ từ tổng hợp tương tự mục 4.1.2 4.2.1: Lựa chọn mặt trượt bậc hai dạng lũy thừa: m S= (t ) E (t ) + ΓE (t ) n (0 < m < n) (4.18) Điều kiện m