Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN PHƯƠNG LẬP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN PHƯƠNG LẬP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS.TRẦN XUÂN MINH PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN, 2017 MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ cần giải toán điều khiển: - Điều khiển động phương pháp điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ - Điều khiển ổ đỡ từ nhằm giữ trục động tâm ổ đỡ từ Mục tiêu luận văn điều khiển trục động ổn định tâm ổ đỡ từ đầu trục động nên phạm vi nghiên cứu đề tài luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển ổ đỡ từ nhằm đạt chất lượng điều khiển mong muốn 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 công 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 Phần quan trọng ổ đỡ từ điều khiển Hiện điều khiển cho ổ đỡ từ có chất lượng thấp khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển khơng bị chặn Thực tế phần động lực học ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, mà thiết kế điều khiển cho hệ phi tuyến (bao gồm ổ đỡ từ) chịu tác dụng nhiễu chứa tham số thay đổi trình hoạt động chưa nghiên cứu phát triển hồn thiện để ứng dụng vào việc thiết kế điều khiển đảm bảo cho ổ đỡ từ có khả hoạt động tốt chế độ làm việc Mặt khác, có nhiều phương pháp điều khiển ổ đỡ từ, giới hạn đề tài lựa chọn nghiên cứu "Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ" Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ (với phạm vi nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ) Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan động tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học ổ đỡ từ tích cực điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển mờ cho ổ đỡ từ động tích hợp ổ đỡ từ Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu chung Thực tế cho thấy hệ thống truyền động sử dụng động với trục chuyển động giữ vịng bi khí, ổ đỡ chất lỏng có nhiều nhược điểm độ bền, ma sát, hạn chế tốc độ… Trong vòng bi dạng ổ đỡ từ sử dụng lực từ để hỗ trợ cho chuyển động máy mà khơng cần có tiếp xúc học Do đặc điểm treo nhờ lực từ không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ từ có số ưu điểm bật so với loại ổ đỡ thông thường 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 dạng ổ đỡ từ có khả đáp ứng khả chịu tải lớn cách tối ưu hóa hệ thống thơng 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 vịng dây cực từ công suất khuếch đại Các vịng bi dạng ổ đỡ từ cho phép làm việc môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp chân khơng Một hệ thống đo lường đại tích hợp hệ thống treo từ tính khơng giám sát tức thời thông số hệ vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ tốc độ quay mà hệ thống đo lường cịn phân tích cân bằng cách tính tốn vị trí biên độ Bộ điều khiển thay đổi thuộc tính tắt dần độ cứng ổ đỡ Điều cho phép điều khiển điều chỉnh đặc tính động ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng hệ thống làm giảm rung động lan truyền [6] Ứng dụng công nghệ đỡ từ trải qua phát triển rõ rệt năm gần Đã có nhiều nghiên cứu quan trọng tiến hành bao trùm lên tất lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ Ta kể bao gồm cơng nghệ cảm biến điều khiển, mơ hình hóa nhận dạng, cơng nghệ vật liệu thành phần… Cho đến nay, ứng dụng quan trọng vịng bi dạng ổ đỡ 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 [6] 1.2 Nguyên lý làm việc phân loại ổ đỡ từ 1.2.1 Nguyên lý làm việc Cấu trúc điện - từ điều khiển phản hồi cho hệ thống treo từ tính trục thể hình vẽ 1.1 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 Sensor chuyển vị đo mức độ dịch chuyển vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn Điện áp sensor tín hiệu đầu vào cho điều khiển Một vi xử lý đóng vai trị 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 Một lượng đặt lực từ tạo để treo ổn định vật thể 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 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 1.1: Cấu trúc hệ thống treo nhờ lực từ trường (treo từ tính) Hình 1.2: Chức ổ đỡ từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Dòng 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 thông 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 khảng từ (1.7 ÷ 2) T 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 ổ đỡ từ Trên hình 1.2 giới thiệu thành phần diễn giải chức ổ đỡ từ đơn giản để nâng rotor theo hướng Luật điều khiển thực nhiệm vụ 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 u cầu cơng nghệ Đồng thời chúng thay đổi suốt trình làm việc theo yêu cầu toán điều khiển đặt 1.2.2 Phân loại kiểu treo từ tính Có nhiều kiểu thiết kế khác để tạo lực từ nhằm hỗ trợ treo vật thể mà khơng chịu tiếp xúc Thậm chí vật thể khơng thể treo trạng thái ổn định tự việc treo đạt vài bậc tự Phân loại mang tính hệ thống bao trùm lên kiểu treo từ tính biết Theo cách mà lực từ tính tốn biểu diễn ta chia làm hai nhóm chính, lực từ trở lực Lorentz Đối với trường hợp thứ nhất, lực từ trở sinh từ lượng tích trữ từ trường chuyển đổi sang dạng Do vậy, lực từ trở thu từ công thức sau: f Trong đó: W s (1.1) W lượng từ trường s độ dịch chuyển vật thể treo Lực từ xét trường hợp này gia tăng bề mặt độ từ thẩm tương đối khác μr, ví dụ thép khơng khí Hướng lực vng góc với bề mặt lớp vật liệu khác Sai lệch tương đối độ từ thẩm lớn lực từ f lớn Với vật liệu sắt từ có μr >> lực từ lớn, mà đáp ứng yêu cầu ứng dụng kỹ thuật Trong tài liệu máy điện, độ cản từ gọi từ trở Giá trị tỷ lệ nghịch với độ thẩm từ μr Lực tác động theo cách thường có xu hướng làm giảm độ từ trở Các động điện khai thác thuộc tính gọi động từ trở Một điều kiện tiên lực từ tác động lên vật thể phải giữ cho vật thể trạng thái treo ổn định Trong ứng dụng cơng nghiệp, thơng thường mạch vịng điều khiển cần thiết để thích ứng liên tục từ trường chuyển động vật thể treo Yêu cầu dẫn đến khái niệm vòng bi dạng ổ đỡ từ dạng ổ đỡ từ tích cực Nằm nhóm phân loại gồm có treo từ loại đến loại Loại gọi treo lực từ trở tích cực Kiểu chí cịn phân biệt theo nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn theo cách điều khiển tích cực, theo từ trường, từ thông, khoảng cách stator rotor điều khiển Loại treo dùng mạch LC Mạch LC cấu trúc điện cảm cuộn dây treo điện từ tụ điện Độ chuyển dịch rotor làm thay đổi điện cảm mạch điện từ Mạch LC làm việc vùng gần cộng hưởng điều chỉnh cho tiếp cận vùng cộng hưởng rotor dịch chuyển xa khỏi phần điện từ Điều tạo dòng điện gia tăng từ nguồn điện áp xoay chiều kéo rotor trở lại vị trí danh định Lực độ cứng khơng lớn đủ để đáp ứng cho số ứng dụng dụng cụ đo Do kiểu ổn định mà khơng cần mạch vịng điều khiển nên gọi thụ động Nhược điểm kiểu khơng thể tắt dần Loại loại từ trường vĩnh cửu (μr >> 1) có cấu trúc tĩnh khơng thể ổn định hóa vị trí vật thể treo Những kiểu treo yêu cầu có thêm lực hồi chuyển trường hợp Levitron, vật liệu nghịch từ (μr < 1) để đạt trạng thái treo ổn định với lực nhỏ, chất siêu dẫn (μr = 0) Tuy vậy, việc ứng dụng từ trường vĩnh cửu hữu ích để hỗ trợ cho vật thể làm giảm tải theo phương ổ đỡ thông thường Các thiết bị theo loại dựa vào thuộc tính đặc biệt vật liệu, μr = Chỉ có vật liệu có thuộc tính gọi vật liệu siêu dẫn Đặc tính trội loại nhiệt độ thấp, vật liệu trở thành siêu dẫn, khơng cịn điện trở Dịng điện cuộn dây siêu dẫn tiếp tục trì chí khơng cịn trì điện áp Mặc dù chứa đựng nhiều đặc tính kỹ thuật thú vị kiểu giai đoạn nghiên cứu phịng thí nghiệm ứng dụng cơng nghiệp phát triển mạnh thời gian không xa Trường hợp thứ hai phân loại kiểu treo từ tính gọi lực điện từ (hay lực Lorentz) Lực trường điện từ tác động lên hạt mang điện tích gây nên f = Q(E + v x B) (1.2) với, E vector cường độ điện trường vị trí hạt mang điện; Q điện tích hạt mang điện; v vector vận tốc chuyển động hạt mang điện B cường độ từ cảm Khi không quan tâm đến khái niệm tĩnh điện, ta bỏ qua E (1.2) (Q.v) thay dòng điện i, Từ dẫn đến biểu thức tích chéo véc tơ sau: f=ixB (1.3) Lực tạo vng góc với đường từ thơng, độc lập với khe hở khơng khí phụ thuộc tuyến tính với dịng điện (ta giả thiết từ thông không phụ thuộc vào dòng điện) Dựa lực Lorentz, kiểu treo từ tính lại chia làm loại khác dựa dòng điện i Đối với dòng điện cảm ứng ta có hai chế xảy ra: có tương tác từ trường vĩnh cửu với vật dẫn chuyển động, tương tác xảy ra, khơng có chuyển động tương đối, vật dẫn điện từ biến thiên (nguồn xoay chiều) Trường hợp lại, dòng điện điều khiển tích cực tương tác với từ trường Với loại lại có khả xảy ra: từ trường tạo từ trường vĩnh cửu, có tương tác dịng điện điều khiển dịng điện cảm ứng Cả bốn kiểu mơ tả hình vẽ từ loại đến loại [6] 57 Việc thực phép hợp mờ minh họa hình 3.6 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 AB(x) = min1, A(x)+B(x) Luật SUM (3.11) Mệnh đề “Nếu A=A1 B =B1 “ có giá trị C1 (3.13) (3.12) 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) 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) Hình 3.7: Những nguyên lý giải mờ 58 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 3.7 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 * 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 + Nhóm MISO có nhiều đầu vào đầu HÖ Logic Mê R1: nÕu  th×   xi Fuzzy hãa  Rq: nÕu y B' Giải mờ Hỡnh 3.8: Cu trúc hệ logic mờ i 59 Do chất hệ thực luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển người) kinh nghiệm lại thể dạng ngơn ngữ có giá trị ngôn ngữ tập mờ nên hệ logic mờ phải có khâu hình 3.8: + 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 ngôn 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) 3.1.2 Bộ điều khiển mờ 3.1.2.1 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 tính 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 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: et d det dt - Bộ điều khiển mờ P Đối tượng Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD * Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển mờ PI mô tả sơ đồ sau: 60 et d det dt - Bộ điều khiển mờ P I Đối tượng Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) Ta sử dụng mơ hình sau để giải tốn này: et  - Đối tượng Bộ điều khiển mờ I Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 3.1.2.2 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 3.12 + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp tổng quát sơ đồ hình 3.13 x - Bộ chỉnh định mờ Nhận dạng tham số Bộ điều khiển Đối tượng Hình 3.12: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp y 61 Nhận dạng tham số Bộ chỉnh định mờ x Bộ điều khiển - Đối tượng y Hình 3.13 Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 3.1.2.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc hình 3.14: Bộ điều khiển mờ KP x - KI KD Bộ điều khiển PID Đối tượng y Hình 3.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 3.2 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID [1] 3.2.1 Phương pháp thiết kế Bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa phương pháp biết phương pháp tổng hợp hệ thống Ziegler Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch … Bộ điều khiển sở cho việc tổng hợp hệ thích nghi sau Khác với phương pháp dùng công tắc chọn điều khiển phù hợp hệ lai, thơng số điều khiển thích nghi hiệu chỉnh trơn Một điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu u(t) có mơ hình tốn học sau: 62  t det  ut   K P et    et dt  TD TI dt   K Hoặc G PID s   K P  I  K D s s K K đó: TI  P TD  D KI KP (2.13) (2.14) Bộ chỉnh định mờ de e, dt Thiết bị chỉnh định … x - Bộ điều khiển PID Đối tượng y Hình 3.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Bộ chỉnh định mờ e e Bộ chỉnh định mờ Bộ chỉnh định mờ KP KD  Hình 3.16 Bên điều chỉnh mờ Các tham số KP, TD, TI hay KP, KI, KD điều khiển PID chỉnh định sở phân tích tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống, xác sai lệch e(t) đạo hàm de sai lệch Có nhiều phương pháp chỉnh định tham số dt cho điều khiển PID chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, song phương án đơn giản dễ áp dụng phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka (hình 2.1) Với giả thiết tham số KP, KD bị chặn, tức là: 63    max max K P  K K D  K P ,KP D ,KD  Zhao, Tomizuka Isaka chuẩn hóa tham số sau: K P  K K D  K P D k D  max k P  max KP  KP K D  K D để có  kP, kD  det  đầu kP, kD dt Như chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t),  Trong đó: k 2P TI   kI  TD k D   A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 -emax emax C1 C2 C3 C4 e, e Hình 3.17: Tập mờ e e’  Hình 3.18: Tập mờ   B1 B2 KP; KD Hình 3.19: Tập mờ Kp KD Ở ta thiết kế thành ba điều khiển mờ để chỉnh định tham số, sau tích hợp thành chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), det  đầu KP, dt KD  Với tập mờ đầu vào (hình 3.17), tập mờ đầu cho biến KP, KD (hình 3.19) tập mờ đầu  (hình 3.18) Triển khai mệnh đề hợp thành theo nguyên tắc Max-prod giải mờ phương pháp độ cao 64 Các luật chỉnh định: * Luật chỉnh định Kp: e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A2 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A3 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A0 B1 B1 B1 B2 B1 B1 B1 A4 B1 B1 B2 B2 B2 B1 B1 A5 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B1 A6 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 * Luật chỉnh định KD: e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 A2 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B1 A3 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A0 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 A4 B2 B2 B2 B1 B2 B2 B2 A5 B2 B2 B1 B1 B1 B2 B2 A6 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 * Luật chỉnh định :  e e A1 A2 A3 A0 A4 A5 A6 A1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 A2 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A3 C3 C2 C2 C1 C2 C2 C3 A0 C4 C3 C2 C2 C2 C3 C4 A4 C3 C2 C2 C1 C2 C2 C3 A5 C2 C2 C1 C1 C1 C2 C2 A6 C1 C1 C1 C1 C1 C1 C1 65 3.2.2 Nhận xét - Phương pháp thiết kế đơn giản dễ dàng thay đổi luật mờ - Dùng để cải thiện chất lượng điều khiển PID kinh điển 3.3 Khảo sát mô Matlab/Simulink 3.3.1 Sơ đồ mô Để mô đánh giá chất sử dụng phương pháp điều khiển mở chỉnh định tham số điều khiển PID, trước hết ta thiết kế điều khiển PID cho ổ đỡ từ bậc tự [2]: Như chương ta xác định điều khiển tiền xử lý R (2.69), điều khiển phản hồi trạng thái M (2.68) xác định hàm truyền đạt kênh độc lập (2.66) (2.67), vấn đề thiết kế điều khiển cho kênh vô thuận lợi dễ dàng Ở đây, đặt vấn đề thiết kế điều khiển cho đối tượng hai ổ đỡ từ có cấu trúc hình 2.21, số liệu đối tượng bảng 1, điều khiển sử dụng PID có thơng số KP , KI , KD tổng hợp theo phương pháp thực nghiệm Giá trị cụ thể sau: Bộ điều khiển PID1: Kp = 2, KI = 0,5, KD = 0,1; Bộ điều khiển PID2: Kp = 4, KI = 1, KD = 0,15; Bộ điều khiển PID3: Kp = 10, KI = 2, KD = 0,45; Bộ điều khiển PID4: Kp = 4, KI = 2, KD = 0,2 * Sơ đồ mô với điều khiển PID Hình 3.20: Sơ đồ mơ ổ đỡ từ với cấu trúc điều khiển PID 66 PID * Sơ đồ mô với điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển Hình 3.21: Sơ đồ mô ổ đỡ từ với cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID Trong điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID có cấu trúc mơ phỏng: Hình 3.22: Các khối điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 67 Bộ đk tiền xử lý M Bộ đk phản hồi trạng thái R Hình 3.23: Các khối đk tiền xử lý M điều khiển phản hồi trạng thái R 3.3.2 Kết mô so sánh điều khiển mờ với điều khiển PID - Trường hợp không xét đến nhiễu Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x,y (mm) 0.5 -0.5 -1 -1.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.23a: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 1mm; x2 = -1,2 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển PID 68 Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 -1 -1.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.23b: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 1mm; x2 = -1,2 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 -1 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.24a: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển PID 69 Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 -1 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 3.24b: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID - Trường hợp xét có nhiễu Dap ung theo truc x, y cua o tu co nhieu x1 y1 x2 y2 1.5 x, y (mm) 0.5 -0.5 -1 -1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 3.25a: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển PID (có nhiễu) 70 Dap ung theo truc x, y cua o tu 1.5 x1 y1 x2 y2 x, y (mm) 0.5 -0.5 -1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 t (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 3.25b: Đáp ứng hệ thống với số liệu đầu vào: x1 = 1,2 mm; y1 = 0,8mm; x2 = -0,8 mm; y2 = -0,6mm với điều khiển mờ chỉnh định tham số PID (có nhiễu) * Nhận xét Từ kết mô hình 3.23ab đến hình 3.25ab cho thấy cách sử dụng các điều khiển tiền xử lý M điều khiển phản hồi trạng thái R tính toán trên, từ hệ MIMO tách thành hệ SISO độc lập điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID làm việc tốt Khơng có mà điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cải thiện chất lượng so với điều khiển PID (sai lệch tĩnh thời gian độ ngắn hơn) Điều cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho ổ đỡ từ 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID - Mô hệ thống - Đánh giá chất lượng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID có so sánh với điều khiển PID mô Matlab/Simulink 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển để điều khiển ổ đỡ từ Nhiệm vụ cụ thể "Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ" Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan động tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học ổ đỡ từ tích cực điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ Kết luận văn đạt là: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cho động tích hợp ổ đỡ từ (trong tập trung vào điều khiển ổ đỡ từ chủ động bậc tự do), tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mô Matlab/Simulink Với phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID qua mô cho thấy chất lượng cải thiện đáng kể so với điều khiển PID kinh điển Qua đánh giá có kết định song vấn đề triển khai vào thực tiễn đòi hỏi thời gian nghiên cứu nhiều hoàn thiện Kiến nghị Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất ... Chương 1: Tổng quan động tích hợp ổ đỡ từ Chương 2: Mơ tả tốn học ổ đỡ từ tích cực điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ Chương 3: Thiết kế điều khiển mờ cho ổ đỡ từ động tích hợp ổ đỡ từ Kết luận kiến... luận văn Điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ cần giải toán điều khiển: - Điều khiển động phương pháp điều khiển động khơng có tích hợp ổ đỡ từ - Điều khiển ổ đỡ từ nhằm giữ trục động tâm ổ đỡ từ Mục... pháp điều khiển ổ đỡ từ, giới hạn đề tài lựa chọn nghiên cứu "Thiết kế điều khiển mờ để điều khiển động tích hợp ổ đỡ từ" Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu mơ tả tốn học cho ổ đỡ từ 2 - Thiết kế điều