Khảo sát và đánh giá chất lượng điều khiển ổ đĩa từ hai bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ lai

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP HỒNG THÚY LINH KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Như Hiển Thái Nguyên - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Khác với loại ổ trục khí, ổ đỡ từ khơng có tiếp xúc phần tĩnh phần động Do đó, ổ đỡ từ sử dụng hệ truyền động điện coi ngành công nghệ tiên tiến thân thiện với mơi trường Chúng góp phần mạnh mẽ việc nâng cao tốc độ quay cho động giúp động ứng dụng môi trường đặc biệt mà động sử dụng vịng bi thơng dụng khơng thể làm việc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Những nghiên cứu ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu nước phát triển Nhật, Mỹ, Pháp, Đức Thụy Sỹ, trước khả ứng dụng mạnh mẽ động điện dùng ổ đỡ từ nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu chế tạo động điện dùng ổ đỡ từ ứng dụng đẩy mạnh nước phát triển Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil, Ổ đỡ từ sử dụng động điện xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám đồng thời sản phẩm công nghệ xanh Hạn chế việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ kích thước lớn giá thành cao Nhưng tương lai gần nghiên cứu thành cơng việc thu gọn kích thước giảm giá thành ổ đỡ từ thay vịng bi khí để làm việc lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phịng cơng nghiệp vũ trụ, điều tất yếu Chính từ ưu điểm vượt trội ổ đỡ từ xuất phát từ yêu cầu thực tiễn công ty nơi em làm việc em phải thường xuyên làm việc với ổ đỡ từ động Vì em lựa chọn đề tài nghiên cứu thiết kế điều khiển đại (mờ lai) nhằm nâng cao chất lượng ổ đỡ từ, đảm bảo cho ổ đỡ từ có khả hoạt động tốt chế độ làm việc Vì nghiên cứu thiết kế điều khiển nhằm nâng cao chất lượng cho ổ đỡ từ cấp thiết Mục tiêu luận văn Trên sở nghiên cứu khảo sát đánh giá chất lượng điều khiển đỡ từ bậc tự điều khiển PID, qua khảo sát mô thực nghiệm hạn chế phương pháp điều khiển Để khắc phục nhược điểm điều khiển kinh điển, dựa sở logic mờ, luận văn đề xuất thiết kế điều khiển thông minh sử dụng điều khiển mờ lai Bước đầu tiến hành kiểm nghiệm điều khiển phần mềm mô Matlab - Simulink Kết thực nghiệm luận văn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nghiên cứu khảo sát đánh giá chất lượng điều khiển đỡ từ bậc tự lý thuyết kiểm nghiệm mô miền thời gian ảo công việc trước luận văn cao học Ngày nay, yêu cầu học đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao học cần kiểm chứng thực nghiệm miền thời gian thực Đây yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo Nhà trường Việc áp dụng sáng tạo mơ hình thí nghiệm sẵn có Nhà trường vào công việc thực nghiệm luận văn đạt kết tốt Kết thí nghiệm chứng tỏ nghiên cứu khảo sát đánh giá chất lượng điều khiển đỡ từ bậc tự đề tài lý thuyết mô cịn có khoảng cách so với thực tế nhờ có thí nghiệm nên có sở vững để điều chỉnh lại thông số điều khiển đáp ứng yêu cầu hệ thống làm tảng cho thiết kế nâng cao chất lượng cho hệ thống Nội dung luận văn: Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan ổ đỡ từ Chương 2: Mô tả toán học Chương 3: Thiết kế điều khiển cho ổ đỡ từ bậc tự Chương 4: Đề xuất nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bậc tự điều khiển mờ lai Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chương TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu ổ đỡ từ Trong lĩnh vực khí để truyền chuyển động người ta thường dùng ổ bi, ổ trượt nhiên sử dụng ổ đỡ khí có lực ma sát nên tốc độ quay động độ xác làm việc khơng cao đồng thời người ta phải thường xuyên bảo dưỡng sửa chữa, công việc bảo dưỡng trở thành toán nan giải động làm việc số lĩnh vực ứng dụng đặc biệt có mơi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao thấp, hóa chất độc hại, phóng xạ hay chí ngồi khơng gian Để giải vấn đề nhà khoa học tìm loại ổ đỡ ổ đỡ từ nghĩa dùng lực nâng từ trường để nâng trục động mà khơng có tiếp xúc phần động phần tĩnh Do đặc điểm không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ đưa số ưu điểm bật so với loại ổ đỡ thơng thường, ổ đỡ vịng bi hay ổ đỡ chất lỏng Những ưu điểm bao gồm loại bỏ hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao đặc tính động điều chỉnh Các vịng bi từ có khả đáp ứng khả chịu tải lớn cách tối ưu hóa hệ thống thông số vật liệu, bao gồm khe hở khơng khí ổ đỡ, từ thơng bão hịa vật liệu từ, diện tích bề mặt ổ đỡ, số lượng vòng dây cực từ cơng suất khuếch đại Các vịng bi từ cho phép làm việc mơi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp chân không Ngày nay, nhận thức trọng tâm thiết kế vịng bi từ có bước tiến rõ rệt việc ứng dụng vòng bi từ vào ứng dụng thực tiễn vượt mong muốn ban đầu Các ứng dụng quan trọng vịng bi từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, thiết bị y tế công nghệ cao, ứng dụng cho môi trường tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, thiết bị làm việc ngồi khơng gian, hệ thống bánh đà tích trữ lượng cách ly rung động 1.2 Lịch sử phát triển Khoảng năm 1842 người ta đưa ý tưởng dùng từ trường để treo đối tượng Một số nghiên cứu sau sử dụng lực nâng từ trường hoạt động sản xuất công nghiệp pháp Từ năm 70 kỷ XX đến nay, kỹ thuật truyền động điện xoay chiều phát triển ứng dụng rộng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ rãi, chúng ngày thể ưu vượt trội so với truyền động điện chiều Sự lớn mạnh truyền động điện xoay chiều phủ nhận được, chúng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực từ công nghiệp sản phẩm dân dụng Tuy nhiên, số ứng dụng định, loại hình bộc lộ số nhược điểm đáng kể Do cấu tạo khí, máy điện loại sử dụng ổ đỡ cổ điển máy điện chiều Các loại ổ đỡ thông thường thiết phải bảo dưỡng định kỳ công việc bảo dưỡng tốn thời gian tiền bạc đặc biệt khó khăn với mơi trường độc hại Xuất phát từ vấn đề thực tế này, nhiều nghiên cứu hướng đến mục tiêu thay ổ đỡ truyền thống biện pháp mà khơng địi hỏi nhu cầu bảo trì bảo dưỡng, sử dụng vịng bi từ hướng nghiên cứu thành công Sau 20 năm phát triển, đánh giá khái quát triển vọng phát triển tương lai vòng bi từ nói chung AMB nói riêng nhận định H Bleuler xu hướng tích hợp hệ thống khơng cịn phát triển nhanh chóng số năm trước nữa, thay vào phát triển ứng dụng Hướng phát triển cho vòng bi từ thụ động mở ứng dụng hứa hẹn phát triển nhanh chóng Ngồi ra, loại ổ đỡ tự cảm biến nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành công thành ứng dụng cơng nghiệp Các vịng bi từ tiếp tục mối quan tâm lớn nhà nghiên cứu nhà kỹ thuật Các ứng dụng phát triển mạnh nhiều lĩnh vực khác vòng 20 năm tới Bảng 1.1 Các đóng góp tiêu biểu [16] Năm Cơng trình nghiên cứu Tác giả Động khơng ổ đỡ kích thích vĩnh cửu với động Bischel 1991 1994 Quốc gia Thụy Sỹ cực ổ đỡ cực Động từ cảm không ổ đỡ Chiba Nhật Bản Phân tích động AC khơng ổ đỡ Chiba Nhật Bản Điều khiển vector cho động cảm ứng không ổ Schoeb Thụy Sỹ đỡ 1995 1996 So sánh vịng bi từ kiểu kích thích vĩnh Okada Nhật Bản cửu kiểu cảm ứng Động trượt không ổ đỡ Schoeb Thụy Sỹ Động treo từ tính hướng trục Okada Nhật Bản Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Năm 1997 1998 1999 2000 Cơng trình nghiên cứu Tác giả Quốc gia Động treo từ tính cho thiết bị bơm máu Okada Nhật Bản Động không ổ đỡ kiểu AMB lai Okada Nhật Bản Động trượt không ổ đỡ cho bơm máu ly tâm Ueno Nhật Bản Động không ổ đỡ kiểu đơn cực Ichikawa Nhật Bản Động không ổ đỡ kiểu lực Lorentz Okada Nhật Bản Động - Ổ đỡ kết hợp kiểu khe hở hướng trục hai Ueno Nhật Bản chiều 2003 2005 2006 Bơm tim nhân tạo dùng động không ổ đỡ hướng Okada Nhật Bản trục Không cảm biến chuyển vị cho động không ổ đỡ Okada Nhật Bản Động không ổ đỡ kiểu segment Áo Gruber Nhận biết lực hướng kính tốc độ cho động Chiba Nhật Bản không ổ đỡ 2007 2009 Động không ổ đỡ kiểu từ trở đồng Takemoto Nhật Bản Động không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo Asama Nhật Bản Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động DC Grabner 2010 Áo không chổi than, không ổ đỡ Tuy nhiên đến năm 60 thí nghiệm ứng dụng thực tế ổ đỡ từ trở thành thực Vấn đề đặt giá thành độ phức tạp cản trở việc ứng dụng phát triển công nghệ Những năm gần phát triển công nghiệp điều khiển phần cứng lẫn phần mềm tạo hội cho việc sử dụng ổ đỡ từ công nghiệp giải tốn kích cỡ, độ phức tạp giá thành Ổ đỡ từ xếp vào loại sản phẩm công nghệ cao chứa nhiều hàm lượng chất xám Ổ đỡ từ loại ổ trục có khả nâng không tiếp xúc trục chuyển động nhờ vào lực từ trường Do trục quay phần tĩnh khơng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ tiếp xúc với nên ổ đỡ từ coi nghành cơng nghệ trọng điểm, đem lại bước đột phá cao ngành công nghiệp chế tạo sản xuất nhờ ưu điểm bật mà ổ đỡ khơng có Những ưu điểm ổ đỡ từ: - Khơng có hao mòn vận hành - Tăng hiệu suất động nhờ chuyển động khơng có ma sát - Thân thiện với mơi trường: Khơng có phận bơi trơn - Khả làm việc với tốc độ cao; - Khả loại bỏ rung động chuyển động; - Khả làm việc môi trường khắc nghiệt Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính bước tiến quan trọng ngành khí, cho phép giảm tổn hao tăng độ xác (nhờ loại trừ bào mịn ma sát) gia cơng trục cao tốc Tuy nhiên, lợi buộc phải có khả áp dụng, cài đặt thiết kế phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp Hình 1.1: Sơ đồ tượng trưng hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ Hình 1.1 Là sơ đồ tượng trưng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính Về nguyên lý, ổ đỡ bao gồm phần chính: phần chuyển động chuyển động quay tịnh tiến (rotor) phần tĩnh (stator) Ở phần tĩnh có lắp đặt số mạch từ để tạo lực từ tác dụng lên phần chuyển động ổ Các lực từ tác dụng lên phần chuyển động ổ điều khiển hiệu điện cường độ dòng điện đặt vào cuộn dây mạch từ Dưới tác dụng lực tác động lên phần chuyển động hệ truyền động khơng tiếp xúc sử dụng treo từ tính, lực từ tạo lên mạch từ tác dụng lên phần chuyển động cần phải thay đổi cách phù hợp để đảm bảo khe hở xác định phần chuyển động phần tĩnh ổ đỡ Thông thường thực tế, việc xác định trước định Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ lượng quy luật thay đổi lực ngoại sinh khó khơng thể Hơn nữa, điều kiện làm việc hệ truyền động khơng tiếp xúc sử dụng treo từ tính thay đổi dẫn đến việc xác định trước thông số ổ khó khăn Ngồi động lực học hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính phi tuyến điện, nghĩa quan hệ động hiệu điện cường độ dòng điện đặt vào cuộn dây từ lực từ tác dụng lên phần chuyển động mơ tả hệ phương trình vi phân phi tuyến Vì vậy, thiết kế điều khiển cho hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính đạt chất lượng cao khó khăn cần thiết ứng dụng thực tế có sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng treo từ tính 1.3 Nguyên lý làm việc phân loại ổ đỡ từ 1.3.1 Nguyên lý làm việc Hình 1.2 nguyên lý ổ đỡ từ treo vật từ trường Kích thích cuộn dây tạo lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật Khi đối tượng giữ tự theo phương thẳng đứng Dòng điện i tạo từ thông ψ Đường từ thông thể đường nét đứt qua khe hở khơng khí hai lần theo chiều thẳng đứng Lực hấp dẫn vật thể treo lõi sắt từ hàm số dòng điện i, tỷ lệ thuận với bình phương với dịng điện i lõi sắt từ chưa bão hòa Trong điều kiện xác lập, lực hấp dẫn điều chỉnh để với tích trọng lượng vật treo m gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân lực Ngoài Sensor chuyển vị đo mức độ dịch chuyển vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn Một điều khiển tạo tín hiệu điều khiển từ thông tin đo lường, khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển thành dịng điện điều khiển, dòng điện sinh từ trường mạch từ, lực từ tạo Bằng cách đó, vật thể treo vị trí lơ lửng Vật thể treo ổn định nhờ lượng đặt lực từ Lượng đặt lực tổng đại lượng lực tắt dần lực đàn hồi Lượng điều khiển lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị vật thể treo Còn lực tắt dần Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ lực tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển vật thể treo Các đại lượng có chiều ngược với chuyển vị tốc độ phản hồi âm Bộ điều khiển tạo lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện điều khiển dòng điện cách đặt điện áp lên đầu cuộn dây Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống treo từ tính Dịng điện i chạy cuộn dây, ta giả thiết cuộn dây có số vịng dây N lực từ động (MMF) sinh Ni Với vật liệu sắt từ có độ thẩm từ cao từ thơng theo đường hình vẽ qua khe hở hai lần Độ tập trung từ thơng cực đại khe hở khơng khí định độ lớn lực phần điện từ Độ tập trung từ thông lớn tạo lực từ lớn Tuy nhiên, độ tập trung từ thông cực đại giới hạn khoảng từ 1.7 – 2T thép silic thông thường Một lưu ý quan trọng chiều dài khe hở khơng khí phải giữ nhỏ tốt để giảm dòng điện tổn thất Bằng cách chủ động điều khiển động lực học phần điện từ để tạo lực điện từ nguyên lý mà thực tế sử dụng hầu hết vịng bi từ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hình 1.3: Chức vòng bi từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Hình vẽ 1.3 giới thiệu thành phần diễn giải chức vịng bi từ đơn giản để nâng rotor lên hướng Luật điều khiển phản hồi chịu trách nhiệm trì ổn định trạng thái treo độ cứng độ tắt dần trình treo Độ cứng độ tắt dần thay đổi rộng giới hạn vật lý hệ thống, điều chỉnh theo yêu cầu cơng nghệ Đồng thời chúng thay đổi suốt trình làm việc 1.3.2 Phân loại kiểu treo từ tính Các nhà nghiên cứu tìm nhiều cách để treo vật lực từ mà không chịu tiếp xúc Thậm chí vật thể khơng thể treo trạng thái ổn định tự việc treo đạt vài bậc tự Theo cách mà lực từ tính tốn biểu diễn ta chia làm hai nhóm chính, lực từ trở lực Lorentz Lực từ trở có loại: - Loại gọi treo lực từ trở tích cực - Loại treo dùng mạch LC - Loại loại từ trường vĩnh cửu (μr >> 1) có cấu trúc tĩnh khơng thể ổn định hóa vị trí vật thể treo - Loại dựa vào thuộc tính đặc biệt vật liệu, μr = Chỉ có vật liệu có thuộc tính gọi vật liệu siêu dẫn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 52 Thực phép hợp mờ để có giá trị mờ cho luật hợp thành từ tất giá trị mờ mệnh đề hợp thành luật hợp thành Việc thực phép hợp mờ minh họa hình 4.6: Hình 4.6: Thực phép hợp mờ Hợp AB hai tập mờ A B hiểu tập mờ gồm tất phần tử hai tập A, B cho, hàm thuộc AB (x) phần tử AB không mâu thuẫn với phép hợp hai tập kinh điển Hai công thức thường dùng điều khiển là: AB(x) = maxA(x) , B(x) Luật MAX (4.11) AB(x) = min1, A(x)+B(x) Luật SUM (4.12) Mệnh đề “Nếu A=A1 B =B1 “ có giá trị C1 (4.13) Tóm lại, nếu: Mệnh đề “Nếu A =Ak B =Bk “ có giá trị Ck tồn luật hợp thành có giá trị C = C1    Ck * Giải mờ Sau có kết luật hợp thành tập mờ, trước đưa giá trị điều khiển ta phải giải mờ tập mờ Điều dễ hiểu đối tượng làm việc với giá trị cụ thể (giá trị rõ) không làm việc với giá trị mờ (tập mờ) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 53 Giải mờ trình xác định giá trị rõ y0 từ tập tập mờ B' để làm đại diện cho B' (là tập mờ kết luật hợp thành) Trong điều khiển thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chính: Điểm trung bình: Giá trị rõ y0 giá trị trung bình giá trị có độ thỏa mãn cực đại B‟(y) Nguyên lý thường dùng miền hàm B‟(y) miền lồi y0 giá trị có độ phụ thuộc lớn Trong trường hợp B' gồm hàm liên thuộc dạng đối xứng giá trị rõ y0 không phụ thuộc vào độ thỏa mãn đầu vào luật điều khiển Điểm cực đại: Giá trị rõ y0 lấy cận trái/phải cực đại B‟(y) Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái/phải phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa mãn đầu vào luật điều khiển hình 4.7 Điểm trọng tâm: Phương pháp cho kết y0 hoành độ điểm trọng tâm miền bao trục hoành đường B‟(y) Đây nguyên lý dùng nhiều Hình 4.7 Những nguyên lý giải mờ * Cấu trúc hệ logic mờ Giống điều khiển kinh điển, hệ logic mờ có nhiều tín hiệu vào nhiều tín hiệu Ta phân chia chúng thành nhóm + Nhóm SISO có đầu vào đầu + Nhóm MIMO có nhiều đầu vào nhiều đầu + Nhóm SIMO có đầu vào nhiều đầu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 54 + Nhóm MISO có nhiều đầu vào đầu HƯ Logic Mê R1: nÕu  th×   xi  Rq: nÕu  th×  Fuzzy hãa y B' Gi¶i mê i Hình 4.8: Cấu trúc hệ logic mờ Do chất hệ thực luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển 1.1.1.4 người) kinh nghiệm lại thể dạng ngơn ngữ có giá trị ngơn ngữ tập mờ nên hệ logic mờ phải có khâu hình 4.8: + Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị rõ đầu vào x0 thành vector  gồm độ phụ thuộc giá trị rõ theo giá trị mờ (tập mờ) định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào + Khâu thực luật hợp thành, có tên gọi thiết bị hợp thành, xử lý vector  cho giá trị mờ B' biến ngơn ngữ đầu + Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành giá trị rõ y' chấp nhận cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh) 4.1.2 Bộ điều khiển mờ 4.1.2.1 Bộ điều khiển mờ động Bộ điều khiển mờ động điều khiển mờ có xét tới trạng thái động đối tượng Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có đạo hàm, tích phân sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với thay đổi đột xuất đối tượng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 Các điều khiển mờ hay dùng điều khiển mờ theo luật tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân tỷ lệ vi tích phân(I, PI, PD PID) * Bộ điều khiển PD Bộ điều khiển mờ PD mô tả sơ đồ sau: P et Bộ điều khiển mờ d det dt - Đối tượng Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD * Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển mờ PI mô tả sơ đồ sau: et d det dt - Bộ điều khiển mờ P I Đối tượng Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) Ta sử dụng mơ hình: et -  I Bộ điều khiển mờ Đối tượng Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 4.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi Bộ điều khiển mờ thích nghi có phương pháp cấu trúc bản: + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp tổng quát sơ đồ hình 4.12 + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp tổng quát sơ đồ hình 4.13 x - Bộ chỉnh định mờ Nhận dạng tham số Bộ điều khiển Đối tượng y Hình 4.12: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Nhận dạng tham số Bộ chỉnh định mờ x - Bộ điều khiển Đối tượng y 4.1.2.3 Điều khiển mờ lai Bộ điều khiển trình điềunghi chỉnh Hìnhmà 4.13: Phương pháp làm điều việc khiểntựthích giánthơng tiếp số cho phù hợp với thay đổi đối tượng gọi điều khiển thích nghi Một hệ thống điều khiển thích nghi, cho dù có hay khơng tham gia hệ mờ, hệ thống phát triển cao có tiềm đặc biệt, song gắn liền với ưu điểm khối lượng tính tốn thiết kế lớn Thực tế ứng dụng kỹ thuật mờ cho thấy: thay điều khiển mờ vào chỗ điều khiển kinh điển có hệ thống tốt Trong nhiều trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai điều khiển mờ điều khiển kinh điển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 Hệ mờ lai (viết tắt F-PID) hệ thống điều khiển tự động thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần: - Thành phần điều khiển kinh điển - Thành phần điều khiển mờ Các dạng hệ mờ lai phổ biến Hệ lai khơng thích nghi có điều khiển kinh điển Hãy quan sát hình 4.9 hệ lai có tiền xử lý mờ Nhiệm vụ điều khiển giải điều khiển kinh điển thông số điều khiển không chỉnh định thích nghi Hệ mờ sử dụng để điều chế tín hiệu chủ đạo cho phù hợp với hệ thống điều khiển Về nguyên tắc, tín hiệu chủ đạo hàm thời gian phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Một cấu trúc cụ thể hệ mờ lai có tiền xử lý mờ biểu diễn hình 4.10 Hình 4.14: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ Hình 4.15: Hệ mờ với lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x Tín hiệu chủ đạo đạo x đưa vào hệ thống điều chế qua mờ Tín hiệu vào x so sánh với tín hiệu y hệ thống sai lệch E đạo hàm DE đưa vào đầu vào lọc mờ tạo lượng hiệu chỉnh x, tín hiệu chủ đạo lọc có giá trị x + x Tác dụng lọc mờ toàn hệ thống làm cho hệ thống có đặc tính động tốt nâng cao khả bền vững hệ thông số hệ biến đổi Hệ mờ lai Cascade Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 Một cấu trúc mờ lai khác biểu diễn hình 4.11, phần bù tín hiệu điều chỉnh u lấy từ điều khiển mờ Hình 4.16: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade Trong trường hợp hệ thống có cấu trúc việc chọn đại lượng đầu vào hệ mờ phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Tất nhiên đại lượng thường sử dụng làm tín hiệu vào hệ mờ tín hiệu chủ đạo x, sai lệch E, tín hiệu y với đạo hàm tích phân đại lượng Về nguyên tắc sử dụng đại lượng khác đối tượng sử dụng nhiễu xác định Điều khiển cơng tắc thích nghi khóa mờ Điều khiển theo kiểu chuyển đổi khâu điều khiển có tham số cấu trúc phù hợp với điểm làm việc đối tượng đòi hỏi thiết bị điều khiển phải chứa đựng tất khâu có cấu trúc tham số khác cho trường hợp (Hình 4.17) Hệ thống tự chọn khâu điều khiển có tham số phù hợp với đối tượng Điều khiển cơng tắc chuyển đổi vị trí để chọn khâu điều khiển phù hợp thực khóa mờ Hình 4.17: Chọn điều khiển thích nghi khóa mờ Thơng thường khâu điều khiển dùng trường hợp khâu có cấu trúc tham số khác Khác với việc chỉnh định thơng số thích nghi hệ tự chỉnh, thông số chỉnh định cứng qua cơng tắc chuyển đổi Ưu điểm hệ thống điều khiển làm việc độc lập với nhau, kiểm tra tính ổn định hệ ứng với Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 trường hợp riêng biệt Các đại lượng vào hệ mờ xác định theo ứng dụng cụ thể 4.2 Thiết kế điều khiển mờ lai 4.2.1 Đặt vấn đề Để áp dụng phương pháp điều khiển mờ lai cho hệ điều khiển ổ đỡ từ, tác giả sử dụng mơ hình mờ lai Cascade Việc thiết kế điều khiển mờ lai thực việc thiết kế khâu điều khiển mờ sau kết hợp với điều khiển PID 4.2.2 Mờ hoá Ta thiết kế điều khiển mờ bao gồm biến trạng thái mờ đầu vào biến mờ đầu Mỗi biến lại chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ con) Số giá trị mờ biến chọn để phủ hết khả cần thiết cho khả điều khiển lớn cần số tối thiểu luật điều khiển mờ Sự phân bố hàm liên thuộc đầu vào : Hình 4.18: Sự phân bố giá trị mờ biến vào Hình 4.19: Sự phân bố giá trị mờ biến Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 Hình 4.20: Các luật điều khiển mờ 4.3 Mô điều khiển thiết kế * Luật điều khiển luật hợp thành Luật hợp thành xây dựng sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN * Giải mờ Giải mờ thực theo phương pháp điểm trọng tâm, phương pháp trung bình hay phương pháp cực đại Do miền xác định giá trị mờ đầu miền liên thông nên ta giải mờ theo phương pháp trọng tâm Giá trị rõ x xác định theo phương pháp điểm trọng tâm công thức: x0   x. B (x)dx S μ B (x)dx S Trong đó: S miền xác định tập mờ B 4.4 Khảo sát mô Matlab/Simulink 4.4.1 Sơ đồ mơ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 Sơ đồ mô điều khiển Mờ phương pháp PID: Hình 4.21: Sơ đồ mơ theo phương pháp mờ lai phương pháp PID Hình 4.22: Sơ đồ mô cấu trúc điều khiển mờ lai Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 Hình 4.23: Bộ điều khiển mờ động Hình 4.24: Giải mờ điểm trọng tâm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 63 4.4.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ lai với điều khiển PID -3 1.4 Dap ung theo phuong x x 10 Ld PID 1.2 x(m) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 -3 1.4 0.2 0.25 t(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Dap ung theo phuong x x 10 Mo Ld PID 1.2 x(m) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 4.25: Đáp ứng theo x ổ đỡ từ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 64 Nhận xét: Từ kết mơ hình 4.24 cho thấy điều khiển mờ lai cải thiện chất lượng so với điều khiển PID (thời gian độ ngắn hơn) Điều cho thấy tính đắn thuật toán điều khiển với phương pháp điều khiển mờ lai đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho ổ đỡ từ 4.5 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ - Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển mờ lai để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ bậc tự điều khiển mờ lai so với phương pháp điều khiển PID Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Các hệ truyền động điện tự động sử dụng ổ từ thay cho ổ khí mang đến tính vượt trội cho hệ như: Hệ thống có tốc độ chuyển động lớn, không yêu cầu bôi trơn làm việc tốt môi trường nhiệt độ, áp suất cao thấp,…Nhưng ứng dụng chưa có tính phổ biến thơng dụng kích thước cịn cồng kềnh, giá thành cao Các cơng trình nghiên cứu tập trung vào việc thu nhỏ kích thước, giảm giá thành bền vững làm việc cho loại ổ từ Từ đó, ổ từ không dừng lại cho ứng dụng đặc biệt mà cịn sử dụng phổ biến cơng nghiệp Nội dung nghiên cứu luận văn giải vấn đề sau: Đưa ngun lý làm việc, cấu tạo, mơ tả tốn học ổ đỡ từ; đưa cấu trúc điều khiển PID; cấu trúc điều khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lượng ổ đỡ từ đặc tính đưa với chất lượng tốt Kiến nghị: Các nghiên cứu tính tốn lý thuyết trước luận văn thường kiểm chứng mô miền thời gian ảo Ngày nay, trước yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo, luận văn tiến hành thí nghiệm đánh giá kết miền thời gian thực Do đa dạng đề tài, yêu cầu thiết bị nhà trường đáp ứng đầy đủ khó khăn Ở đề tài thí nghiệm với mơ hình thực ổ đỡ từ bậc tự do, với phần nâng cao chất lượng điều khiển điều khiển mờ lai mô miền thời gian ảo Mặt khác, thời gian làm luận văn có tháng phải mua sắm thiết bị để xây dựng hệ thống điều khiển mà dùng cho luận văn đầu tư lớn vượt khả học viên Như vậy, hỗ trợ tạo điều kiện tối đa thiết bị Nhà trường to lớn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Như Hiển; Bùi Chính Minh (2007); “Điều khiển phi tuyến thích nghi bền vững hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Như Hiển,Bùi Chính Minh, [2007] “Thiết kế điều khiển phi tuyến bền vững cho hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi(2007), Hệ mờ nơ ron, Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Ho àng Minh Sơn (2006), Điều khiển trình, nhà xuất Bách khoa- Hà Nội [7].Akira Chiba, adashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu Takemoto and David G Dorrell, “Magnetic Bearings and Bearingless Drives” Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 47 Chương ĐỀ XUẤT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 4.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ Khi gặp tốn điều khiển mà đối tượng khó mơ tả mơ hình... cứu khảo sát đánh giá chất lượng điều khiển đỡ từ bậc tự điều khiển PID, qua khảo sát mô thực nghiệm hạn chế phương pháp điều khiển Để khắc phục nhược điểm điều khiển kinh điển, dựa sở logic mờ, ... Tổng quan vấn đề điều khiển PID - Đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển PID để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ bậc tự điều khiển