Đang tải... (xem toàn văn)
Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm Xây dựng được mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ bánh đà có tích hợp ổ từ. Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ – bánh đà.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN DANH HUY NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện 1: GS.TS Lê Hùng Lân Phản biện 2: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 3: PGS.TS Lưu Kim Thành Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU i Tính cấp thiết việc nghiên cứu nghiên cứu điều khiển ổ từ chủ động tích hợp hệ truyền động động - bánh đà Hệ truyền động động – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) tốc độ cao ứng dụng chủ yếu hệ thống lưu trữ lượng bánh đà (FESS - flywheel energy storage system) dùng lĩnh vực công nghệ cao, thiết bị đặc biệt bắt đầu nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi máy móc, thiết bị phục vụ đời sống Động tích trữ bánh đà tỷ lệ bậc với tốc độ quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà, tỷ lệ với khối lượng nên bánh đà thường thiết kế để làm việc vùng tốc độ cao Do vậy, hệ truyền động bánh đà cần dùng giải pháp khác thay cho ổ đỡ khí để nâng cao chất lượng, dùng cấu nâng từ trường (ổ từ) Cơ cấu ổ từ khắc phục hoàn tồn hạn chế ổ bi khơng có tiếp xúc cơ, khơng có ma sát không cần bảo dưỡng, bôi trơn ii Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu luận án hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp hệ truyền động động – bánh đà b Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp hệ truyền động động - bánh đà iii Phương pháp nghiên cứu - Xây dựng mơ hình hệ truyền động động - bánh đà có tích hợp ổ từ, kiểm chứng mơ hình kết hợp mô thực nghiệm - Nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động hệ truyền động động - bánh đà theo phương pháp điều khiển đề xuất, mô thực nghiệm để đánh giá hiệu chỉnh - Thử nghiệm phương pháp điều khiển thiết kế mơ hình thực nghiệm đánh giá kết quả, từ đưa hiệu chỉnh cần thiết kết luận iv Mục tiêu dự kiến kết đạt a Mục tiêu luận án: Nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ chủ động truyền động động - bánh đà để nâng cao chất lượng hệ b Dự kiến kết đạt được: - Xây dựng mơ hình điều khiển ổ từ chủ động hệ truyền động động - bánh đà có tích hợp ổ từ - Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động hệ truyền động động – bánh đà v Đóng góp luận án: - Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ truyền động động cơ-bánh đà, với ba ổ từ kép đặt lệch 1200 thay cho ổ từ kép dạng vành khăn Cấu trúc có ưu điểm: Dễ chế tạo thiết kế điều khiển ba bậc tự tạo nên ổn định bánh đà quay bị nghiêng lật, chao đảo - Xây dựng động lực học tổng quát hệ ổ từ chủ động truyền động động - bánh đà chế độ vận hành Đề xuất mơ hình động lực học hệ ổ từ theo hai hệ tọa độ: Tọa độ u , v , w tọa độ z, x , y thuận lợi cho việc xây dựng mơ hình điều khiển thiết kế điều khiển - Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho hệ ổ từ chủ động truyền động động - bánh đà, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển vi Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 173 trang với 01 bảng số liệu, 114 hình 88 tài liệu tham khảo Kết cấu luận án gồm: mở đầu (07 trang), chương 1- khái qt chung (22 trang), chương - mơ hình động lực học (27 trang), chương - thiết kế điều khiển tuyến tính (22 trang), chương 4- thiết kế điều khiển phi tuyến (29 trang), chương – kết thực nghiệm (19 trang), kết luận kiến nghị (02 trang), tài liệu tham khảo (06 trang), danh mục cơng trình cơng bố (01 trang), phụ lục (23 trang) CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 1.1 Tổng quan hệ truyền động động - bánh đà có ổ từ Hệ truyền động bánh đà ổ từ, hiểu bánh đà tích lũy lượng dạng động năng, nạp phóng lượng thơng qua hệ truyền động Ổ từ sử dụng hệ với mục đích để hệ vận hành tốc độ cao giảm tổn thất phóng lượng Giải pháp ổ đỡ từ chủ động ứng dụng thực tế Đó so với phương pháp khác, ổ đỡ từ chủ động có khả chịu tải cao, độ cứng vững tốt, mức tổn hao quay thấp phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng Tuy nhiên, có số hạn chế cần cấp nguồn liên tục hệ điều khiển phức tạp 1.2 Phân tích ngun lý hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ Hệ TĐBĐ-OT thực tế có nhiều dạng khác có chung nguyên lý trình bày hình 1.6 OT x1,y1 Rotor Stato BBD OT z Máy điện Bộ biến đổi Biến áp Nguồn điện OT x2,y2 Hình 1.6 Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ lượng điển hình 1.2.1 Ngun lý làm việc bánh đà Bánh đà khối đồng quay với tốc độ Khi bánh đà quay đến tốc độ cho phép lượng tích lũy (1.1) E J 2 J GD2 1 ; J r m r a. 4.g 2 (1.2) Ta thấy động tích lũy bánh đà tỷ lệ bậc với tốc độ quay, tỷ lệ bậc với đường kính bánh đà tỷ lệ với khối lượng riêng vật liệu chế tạo bánh đà Các thơng số đường kính, khối lượng khối lượng riêng bánh đà thông để thiết kế bánh đà 1.2.2 Nguyên lý làm việc ổ đỡ từ 1.2.2.1 Nguyên tắc nam châm điện Nguyên lý làm việc nạm châm điện trình bày hình 2.2 Một vật (vật liệu có độ từ thẩm cao, thường sắt từ) tương tác với nam châm vĩnh cửu nam châm điện (là cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ) 1.2.2.2 Nguyên lý ổ từ Để trì ổn định vị trí vật với nam châm điện, cần phải điều chỉnh dòng điện cách liên tục Cảm biến vị trí, điều khiển khuyếch đại cơng suất phần tử chủ đạo điều khiển ổ từ i2,n i,n khuyếch đại F,l công suất Z+ FG e F1 Fem z FG Cảm biến vị trí Z Z0 e Bộ điều khiển vị trí e F2 Zz i1,n Hình 1.1 Cấu trúc hệ nâng từ 1.2.2.3 Các phương trình đặc tính ổ từ Lực hút ổ từ tính tốn theo lượng từ trường Khi khe hở khơng khí khơng q lớn, từ trường khe hở coi lượng từ trường vùng khe hở khơng khí sau: 1 W B.H V B.H A.2.e (1.3) 2 Lực tác động lên mạch từ tạo biến đổi lượng từ trường khe hở khơng khí sau: n.i i2 F 0 A. 0 A.n2 2.e e (1.4) 1.3 Định hướng nghiên cứu 1.3.1 Chọn cấu hình khí hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ chủ động Cấu trúc ổ từ hình 1.6, có số lượng ổ từ lớn (5 ổ từ) điều khiển ổ từ bậc tự do, hệ tiêu tốn nhiều lượng điều khiển phức tạp Từ lý trên, luận án đề xuất cấu trúc hình 1.13 Cấu hình dùng nam châm kép đặt lệch 120 độ i2u,F2u zu z i2v, F2v i2w,F2w zw u w zv i1u, F1u v i1w,F1w i1v,F1v Hình 1.13 Cấu hình hệ bánh đà – ổ từ làm mơ hình thử nghiệm 1.3.2 Xây dựng mơ hình điều khiển ổ từ Mặc dù hệ ổ từ hình 1.13 có ba bậc tự điều khiển có tính xen kênh phi tuyến Vì nội dung luận án định hướng nghiên cứu xây dựng động học ổ từ ba bậc tự 1.3.3 Thiết kế điều khiển Định hướng nghiên cứu luận án theo hướng ứng dụng điều khiển đa biến phi tuyến phi tuyến cho ổ từ chủ động mơ hình truyền động động cơ- bánh đà 1.3.4 Xây dựng mơ hình thử nghiệm Để minh chứng nghiên cứu luận án xây dựng mô hình thử nghiệm tiến hành thử nghiệm mơ hình để kiểm chứng kết nghiên cứu CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ-BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 2.1 Động học trình điện-cơ ổ từ 2.1.1 Động học trình điện ổ từ kép i1 F F1 F2 i2 e z (2.1) e z Phương trình động lực học vật nâng sau: m.z F1 - F2 FG FG mg (2.2) Từ (2.2) (2.3) biểu diễn sơ đồ động học ổ từ nam châm kép hình 2.2: Ổ từ l i1 F1 F e m l i2 F2 s s z FG Hình 2.1 Cấu trúc cấu ổ từ 2.2 Động lực học hệ bánh đà - ổ từ z u x Mx,θx Fz,z ω Fu,zu Fv,zw Fw,zw w O r My,θy v Hình 2.2 Phân tích lực bánh đà hệ tọa độ Phương trình động lực học tổng quan bánh đà: z x y m 0 0 Jx 0 z Fze Fzd x M xe M xd J y y M ye M yd (2.7) 1/ 1/ zu z 1/ zu 1/ (r 3) 1/ (r 3) zv zv x 2 / (3.r ) 1/ 3.r zw 1/ 3.r z w y (2.8) 1 r z zu z r -1 zv 1 r x x zw y r y r 2 (2.9) 1 Fze M xe M ye r r r Fu Fu 3 r Fv Fv F Fw r w (2.10) Trong lực Fu , Fv , Fw độc lập với phụ thuộc vào dòng điện cặp ổ từ u, v, w vị trí dọc trục zu , zv , z w điểm tác động ổ từ đó: 2 l i1u l i2 u Fu F1u F2u 2 e zu e zu 2 l i1v l i2 v Fv F1v F2 v 2 e zv e z v 2 l i1w l i2 w Fw F1w F2 w e z e z w w (2.11) 2.2.1 Chuyển vị điều khiển i2z i2x Fz M θx e+r.θx F z2 e+z Fz2 r x O Fz1 y Mx e-r.θx e-z F z1 (a) (b) i1z z z i1x Hình 2.3 Mơ tả ổ từ tương đương hệ ( z , x , y ) i1z Fz F1z F2 z i2 z e z r. i1x 2 M x ( F1x F2 x ).r r. i2 x e x r r. i1y M y ( F1y F2 y ).r (2.29) e z e y r (2.30) e x r r. i2 y (2.31) e y r Có thể thấy biểu thức (2.19, (2.20) (2.21) tương tự (2.11) tức lực mô men điều khiển độc lập trục ổ từ giả định z z w u θx x w u θx x r /2 i2z i2w i2u r /2 i2y i1v i2x v θy v θy y y Hình 2.4 Tương quan dòng điện i2 z , i2 x , i2 y i2u , i2v , i2w Từ hình 2.6 ta thấy tạo dịng điện iz , ix , i y từ dòng điện iu , iv , iw biểu thức 2.17: 1 iiu iiz 1 -1 iiv iix 3 i i iy 1 iw 3 2 i iiz iz iix iix i iix ix (2.32) 2.2.2 Động lực học bánh đà - ổ từ hệ z, θx, θy 2.2.2.1 Khi bánh đà không quay z x y Fze Fzd M xe M xd M ye M yd (2.33) 2.2.2.2 Khi bánh đà quay z x (+ y z ) x y Fze m.g Fzd M xe M xd M ye M yd (2.34) 2.3 Cấu trúc chung điều khiển hệ bánh đà - ổ từ z* z θ*x θx θ* y θy Hệ điều khiển vị trí Như vậy, từ hình 2.6 biểu thức (2.4), (2.5), (2.6) (2.7), ta có cấu trúc tồn hệ điều khiển bánh đà – ổ từ hình 2.9 D/A D/A i*u1 i*u2 GKi GKi iu1 iu2 Gu * D/A i v1 i*v2 GKi GKi iv1 iv2 Gv DSP D/A D/A A/D z Fv R M Mx x x zu z s2 s2 S-1 zv zv A/D S Fz zu A/D D/A Fu i*w1 i*w2 GKi GKi iw1 iw2 Gw Fw My y y zw s zw Hình 2.8 Cấu trúc điều khiển ổ từ mơ hình TĐ ĐC-BĐ 2.4 Kết luận Chương phân tích xây dựng mơ hình động học hệ TĐ ĐC-BĐ nâng ổ từ chế độ vận hành: chế độ cân bằng, chế độ không cân chế độ bánh đà quay Từ phân tích tính chất điều khiển đối tượng phục vụ thiết kế điều khiển CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ 3.1 Phân tích tính phi tuyến mơ hình động lực học ổ từ F (N) 300 F1 vs i1 F2 vs i2 200 DF1 = const Di1 100 DFi 0 Di i -4 -3 -2 -1 -100 (A) I0 i DF2 = const Di2 -200 -300 Hình 3.1 Quan hệ lực F dòng điện i nam châm điện 3.2 Thiết kế tuyến tính hóa cho ổ từ kép Lực tổng tác động lên vật điều khiển dòng điện điều khiển ( iC ) đưa vào hai cuộn dây với chiều ngược I iC F F1 F2 e z I iC (3.1) e z Cấu trúc ổ từ kép có đưa thêm dịng tiền từ hóa trình bày hình 3.3: i1 I0 iC l Ổ từ F1 F e m l i2 F2 s2 z FG Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển ổ từ kép có dịng tiền từ hóa I0 Việc chọn giá trị I0 quan trọng với việc tuyến tính hóa mơ hình điều khiển, lực tác động có quan hệ phi tuyến với hai đại lượng đầu vào dịng điện đầu mơ hình vị trí, điều có 10 nghĩa giá trị dịng I ảnh hưởng tới mơ hình tuyến tính hóa theo dịng điện đầu vào vị trí đầu Xác định giá trị I theo điều kiện nâng ban đầu:: I0 (m.g.e2 ) / (3.2) Khi iC I y e , (3.1) trở thành: F K i iđk K y z (3.3) Trong đó: Ki 4..I0 4..I02 ; K y e2 e3 (3.4) Từ (3.5) ta có cấu trúc ổ từ nam châm kép tuyến tính hóa quanh điểm cân với đầu vào dịng điện iC hình 3.5 iC Ki F m s s z Ky Hình 3.3 Cấu trúc ổ từ điểm làm việc tuyến tính 3.3 Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mơ hình tuyến tính ổ từ Phương trình động lực học bánh đà sau: M z Kiz iz K z z M.g J K i K x x ix x x x J Kiy i y K y y y y (3.5) Ta có điều chỉnh vị trí cho z , x , y (3.13) Rz (1 8Tbx s ) M M M s 2 32Tbx K iz 32Tbx K iz 4Tbx K iz 11 (a) (3.6) R x R y (1 8Tbx s) J x Jx Jx s 2 32Tbx K ix 32Tbx K ix 4Tbx K ix (1 8Tbx s ) J y bx 32T Kiy Jy bx 32T K iy Jy (b) s 4Tbx K iy (c) Với hệ 3.12 điều khiển (3.13) ta có cấu trúc điều khiển tuyến tính cho hệ bánh đà – ổ từ hình 3.16 S z* (3.13.a) θx* (3.13.b) iz iu* * ix* F iv* i1u BBĐu i2u (2.2) z Fz Fu z zu i1v BBĐv i2v (2.2) R Fv Mx M x s2 θx S-1 z v θy* (3.13.c) iw* iy* i1w BBĐw i2w (2.2) y My Fw θy zw Hệ điều khiển vị trí (DSP) Ổ từ Bánh đà cảm biến Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ 3.3.1 Mô hệ ổ từ điều khiển tuyến tính 3.3.1.1 Trường hợp nâng bánh đà khơng cân có nhiễu tác động (10 -5m) z z (10-5m) 15 zđặt zthự c 10 zu zv zw 18 16 14 -5 θx (10 rad) 12 θxđặt θxthực 10 -5 θy (10 rad) θyđặt θythực -5 -10 (a) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (s) t (b) -2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (s) t Hình 3.5 Vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu tác động lên bánh đà 12 (10-6m) y F (N) Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w 200 zthực 100 -1 -2 0.5 -100 -0.5 -1 θx (10-6rad) θxthực θy (10-6rad) -200 θythực -300 (a) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (s) t (b) -1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (s) t Hình 3.6 Lực nhiễu tác động lên bánh đà góc (a) dao động vị trí (b) 3.3.1.2 Nâng bánh đà lên vị trí cân nạp lượng cho bánh đà Cấu trúc động học bánh đà xuất tác động xen kênh trục quay x y tỷ lệ với tốc độ quay trục z hình 3.21 FG Fz Mx ω M s s Jx s s Jx s s z θx Jz My θy Hình 3.7 Động học bánh đà quay z 20 (10-5m) z 20 z 15 (10-5m) z 15 10 10 5 0 θ x (10-7 rad) θ x (10-7 rad) 4 θx rung 0 -2 -2 -4 θx rung rung -4 -7 θ y (10 rad) -7 θ y (10 rad) 2 θy -2 θy rung 0 (b) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 (s) t -2 (a) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 (s) t Hình 3.8 Vị trí z,x , y bánh đà khơng quay quay, có nhiễu 3.4 Kết luận Phương pháp đáp ứng để hệ làm việc điểm cân Nhược điểm điểm xa vùng tuyến tính hóa hệ không đưa bánh đà điểm cân được, phải có thêm cấu khí để đưa bánh đà đến gần điểm cân trước khởi động Do nhược điểm khó khắc phục phương pháp điều khiển tuyến tính, phương pháp điều khiển phi tuyến đề xuất chương 13 Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG 4.1 Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà ổ từ theo u, v, w 4.1.1.1 Thiết kế điều khiển a Khâu truyền thẳng (tạo quỹ đạo đặt) Sau có đa thức quỹ đạo đặt z1 (t ), z2 (t ) , từ (4.26) xây dựng khâu tính tốn dịng điện đặt i1* i2* hay gọi điều khiển truyền thẳng hình 4.4 z*j1 i*j1 g z * j1 z * j2 m 3.l i*j e Hình 4.1 Bộ điều khiển truyền thẳng (tính tốn dịng điện đặt) b Khâu bù sai lệch quỹ đạo đặt z1 z1* k0 ( z1 z1* ) k1 ( z1 z1* ) (4.32) m i1 e z A z, z ; i2 A z , z m i1 0, i2 e z A z, z A z, z (4.33) 4.1.2 Thiết kế điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân 4.1.2.1 Thiết lập mô điều khiển tựa phẳng cho ổ từ 14 Kết hợp với khâu tính tốn dịng điện đặt hình 4.4, ổ từ hình 2.22, ta có cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng cho ổ từ hình 4.5 g z*j1 e i*j1 z*j1 m 3.l || k1u s z*j1 i*j k0u z j1 Hình 4.2 Khâu bù sai lệch mơ hình ** iu1 Lập quỹ đạo u zu**1 (4.28) * iu1 (4.34) zu**1 iu1 Gci (4.33) iu**2 iu*2 iu Gci 2.11(a) 2.12(a) zu Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mơ hình cho ổ từ góc u Sau thiết kế thêm khâu bù, ta thực mô điều khiển cho ổ từ đơn để xác định thông số làm việc phù hợp đánh giá chất lượng điều khiển với điều khiển tựa phẳng z (10-4 m) i 10 (A) zđặt zthực i 1đặt i1thực 1.5 0.5 6 i 2đặt i2thực 2 0 (a) 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 (s) 0.02 t (c) 0 0.002 0.004 0.0 06 0.008 0.01 0.012 0.014 0.0 16 0.018 0.02 (s) t Hình 4.4 Vị trí (a), điện áp (b), dịng điện (c), ổ từ điều khiển phẳng với nguồn 100VDC 4.1.3 Thiết kế điều khiển trì vùng vị trí cân Giải pháp đề tạo quỹ đạo biến thiên đủ nhỏ để tạo dịng điện tức có lực tác động lên bánh đà đủ để trì vị trí ổn định 15 z (10-4m) 10 i zđặt zthực (A) 1.5 i1đặt i1thực 0.5 Đoạn flying-up Đoạn trì Đoạn flying-up i2đặt i2thực Đoạn trì (a) 0.005 (b) (s) 0.01 0.015 0.02 0.025 t 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 (s) t Hình 4.5 Vị trí (a), dịng điện (b), ổ từ 4.2 Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ hệ z, θx , θy S z1** (4.28) z1** i1u* i1x* i1v* z Tính iz (4.28) x** ** x i1y * i1w z Fz Fu z zu * i1v Gci i2z* (2.2) i2u Gci (4.33) x** Lập quỹ đạo θx F i1u Gci (4.33) ** Lập quỹ đạo z i1z* (2.2) i2v Gci i2u* R Fv Mx M x s2 θx S-1 z v Tính ix i2x **y (4.28) ** y (4.33) i2y ** y Lập quỹ đạo θy * F * i2v* i1w Gci i2w* (2.2) i2w Gci y My Fw θy zw Tính iy Hệ điều khiển vị trí (DSP) Ổ từ Bánh đà cảm biến Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển phẳng hệ bánh đà – ổ từ z 10 z (10-4 m) (10-4m) 10 z zu zv zw -4 θx (10 rad) θx -5 -4 θy (10 rad) θy -5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 (s) t 0.6 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 (s) t ω (rad/s) 2000 ω 1500 1000 500 F (N) 20 Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w 10 -10 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 (s) t 0.6 Hình 4.7 Vị trí zu , z v , z w (a); z, x , y (b) nhiễu tác động lên bánh đà (c) 16 4.3 Kết luận, đánh giá Phương pháp điều khiển phi tuyến dựa nguyên lý phẳng xây dựng cho ổ từ Từ q trình thiết kế điều khiển thấy phương pháp phẳng với điều kiện liên kết dòng điện lập quỹ đạo mong muốn cho phép dùng mơ hình phi tuyến ổ từ khơng phải mơ hình tuyến tính (đoạn tuyến tính (1)) Kết cho thấy ổ từ làm việc tồn giải đặc tính làm việc cho phép, |z| < e, không lân cận quanh điểm cân bằng, z e so với phương pháp điều khiển tuyến tính CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM 5.1 Mơ tả cấu hình thí nghiệm Cấu hình thí nghiệm xây dựng theo cấu trúc điều khiển hình 2.6 với thiết bị thử nghiệm thiết kế chế tạo giới thiệu phần phụ lục Các phận thiết bị thí nghiệm hình 4.1 Hình 5.1 Cấu hình hệ thí nghiệm 5.1.1 Xây dựng giao diện vận hành: Các đồ thị tín hiệu cần quan sát, cài đặt thông số thuật điều khiển Giao diện điều khiển tuyến tính, phi tuyến xây dựng hình 5.6, hình 5.11 hình 5.24 17 Hình 5.6 Giao diện kết điều khiển với hệ điều khiển tuyến tính theo u, v, w Hình 5.11 Giao diện kết điều khiển với hệ điều khiển tuyến tính theo z, θx, θy Hình 5.2 Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí, quỹ đạo dòng điện thực tế với card dS1104 18 5.3 Kết luận, đánh giá - Các mơ hình xây dựng phần lý thuyết phù hợp với đối tượng thực, đảm bảo để sử dụng phương pháp điều khiển nghiên cứu - Các thử nghiệm nâng bánh đà, trì vị trí ổn định lại vị trí đặt, khởi động tăng tốc bánh đà xả lượng cho bánh đà cho thấy phương pháp điều khiển kiểm nghiệm - Đặc điểm điều khiển phương pháp áp dụng phù hợp cới kết thí nghiệm - Hệ thống mơ hình thiết bị thí nghiệm phù hợp với mục đích nghiên cứu Hệ thống hoạt động tốt, độ tin cậy cao ứng dụng để nghiên cứu mở rộng áp dụng phương pháp tính tốn, thiết kế vào thực tế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận: Nội dung luận án giải vấn đề nghiên cứu sau: - Xây dựng mơ hình thử nghiệm hệ truyền động động cơbánh đà có tích ổ từ chủ động Từ nghiên cứu động lực học hệ chế độ vận hành: Nâng, nạp lượng, trì phóng lượng Mơ hình điều khiển cho hệ xây dựng hai tọa độ u, v, w z , x , y thuận lợi cho thiết kế điều khiển - Kết nghiên cứu điều khiển tuyến tính cho hệ rõ phạm vi hoạt động hệ bị giới hạn vùng hoạt động nhỏ xung quanh điểm cân khơng đảm bảo ổn định có nhiễu tác động lớn, ngồi hệ cịn tiêu thụ nhiều điện - Điều khiển phi tuyến cho kết đáp ứng yêu cầu hệ: Vùng hoat động toàn dải không bị giới hạn, đảm bảo hoạt động ổn định có nhiễu tác động, tiết kiệm điện so với cấu trúc điều khiển tuyến tính - Các kết nghiên cứu minh chứng qua mơ thực nghiệm mơ hình xây dựng 19 B Những điểm đóng góp - Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ truyền động động – bánh đà có tích hợp ổ từ, với ba ổ từ kép đặt lệch 1200 thay cho ổ từ kép dạng vành khăn Cấu trúc có ưu điểm: Dễ chế tạo thiết kế điều khiển ba bậc tự tạo nên ổ định bánh đà quay bị chao đảo - Xây dựng động lực học tổng quát hệ chế độ vận hành, từ đề xuất mơ hình điều khiển hệ ổ từ theo hệ tọa độ quy đổi z, x , y đẳng trị với ba tọa độ zu , zv , z w Với việc chuyển vị tọa độ vậy, việc điều khiển hệ chế độ vận hành đảm bảo thực dễ dàng - Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho hệ, góp phần cao chất lượng điều khiển - Thiết kế, xây dựng mơ hình truyền động bánh đà - ổ từ phịng thí nghiệm với tính tốn cụ thể C Kiến nghị: Luận án giải mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu đề có số đóng góp cịn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết: - Phương pháp điều khiên tuyến tính hóa áp dụng kỹ thuật thích nghi tham số, mờ để nâng cao chất lượng - Nghiên cứu xây dựng điều khiển tích hợp cho phương pháp điều khiển đề để định hướng đưa vào ứng dụng - Các vấn đề thiết kế, lựa chọn vật liệu cho ổ từ cần tiếp tục nghiên cứu 20 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ÐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nguyễn Danh Huy, Trần Trọng Minh, " Thiết kế hệ điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho cấu nâng từ truờng ổ từ," Hội nghị toàn quốc lần thứ Ðiều khiển Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp 433-439, 2015 [2] Nguyễn Trung Ðức, Nguyễn Tùng Lâm, Phan Phú Khánh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang Ðịch, “Ðiều khiển phi tuyến ổ bi từ chủ động” Hội nghị toàn quốc lần thứ Ðiều khiển Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp 420-426, 2015 [3] Nguyễn Trung Đức, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang Địch “Tổng hợp điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động tác động nhiễu tải” Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động hóa, 2016 [4] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Ðắc Truởng, Nguyễn Tuấn Nghia, Nguyễn Danh Giang, “Phân tích, thiết kế, đánh giá diều khiển tuyến tính ứng dụng cấu nâng từ truờng”, Hội thảo điều khiển TÐH cho Phát triển bền vững – CASD 2017 [5] Danh Huy Nguyen, Tung Lam Nguyen, Manh Linh Nguyen, Huy Phuong Nguyen, “Nonlinear Control of an Active Magnetic Bearing with Output Constraint”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), May 2018, pp – 12 [6] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Huy Phương, “Ổn định ổ đỡ từ chủ động với hạn chế đầu sử dụng quan sát tốc độ”, Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa, 2017 [7] Giang Hồng Quân, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Giang Hồng Bắc,” Điều khiển ổ đỡ từ chủ động phương pháp Backstepping Sliding Mode control”, Tạp chí KH&CN Trường ĐH Kỹ thuật, Số 124 (1/2018) ... việc nghiên cứu nghiên cứu điều khiển ổ từ chủ động tích hợp hệ truyền động động - bánh đà Hệ truyền động động – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) tốc độ cao ứng dụng chủ yếu hệ thống lưu trữ lượng bánh đà (FESS... hợp hệ truyền động động – bánh đà b Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp hệ truyền động động - bánh đà iii Phương pháp nghiên cứu - Xây dựng mơ hình hệ. .. truyền động động - bánh đà có tích hợp ổ từ - Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động hệ truyền động động – bánh đà v Đóng góp luận án: - Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ truyền động động