Điều khiển phi tuyến ổ từ chủ động

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Điều khiển phi tuyến ổ từ chủ động nhóm em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Tùng Lâm Các kết hồn tồn với mơ làm Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thanh Hải Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 1.1 Vài nét lịch sử phát triển ổ từ 1.2 Cấu tạo 1.3 Đặc điểm 1.4 Nguyên lý hoạt động 10 1.5 Ứng dụng 11 CHƯƠNG II MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 13 2.1 Mở đầu .13 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống bi từ chủ động .13 CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH HỆ THỐNG Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG 20 3.1 Mở đầu .20 3.2 Cơ sở lý thuyết 20 3.2.1 Phương pháp điều khiển Backstepping 20 3.2.2 Hàm chặn Barrier Lyanpunov 22 3.2.3 Điều khiển Backstepping cho hệ thống AMB 23 3.3 Thiết kế điều khiển 24 3.3.1 Bộ ước lượng tốc độ 24 3.3.2 Các bước thiết kế 25 3.3.3 Phân tích tính ổn định hệ thống 36 Mục lục CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB 41 4.1 Thông số sử dụng 41 4.2 Kết mô 42 4.3 Đánh giá kết .54 KẾT LUẬN 56 PHỤ LỤC 57 Các bước tìm điều khiển cho cặp nam châm bên .57 Code mô .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Ổ từ Hình 1-2 Cấu tạo ổ từ Hình 1-3 Nguyên lý ổ từ bậc tự 11 Hình 2-1 Mơ hình nam châm 14 Hình 2-2 Mơ hình AMB nam châm .16 Hình 3-1 Hệ phi tuyến (3.11) 21 Hình 3-2 Cấu trúc điều khiển hệ thống AMB 23 Hình 4-1 Độ dịch chuyển nửa rotor 43 Hình 4-2 Độ dịch chuyển nửa rotor 43 Hình 4-3 Độ dịch chuyển khối tâm rotor 44 Hình 4-4 Góc nghiêng rotor 44 Hình 4-5 Tốc độ dịch chuyển nửa rotor 45 Hình 4-6 Tốc độ dịch chuyển nửa rotor 45 Hình 4-7 Đáp ứng dòng điện cặp nam châm bên .46 Hình 4-8 Đáp ứng dịng điện cặp nam châm bên 46 Hình 4-9 Đáp ứng điện áp cặp nam châm bên 47 Hình 4-10 Đáp ứng điện áp cặp nam châm bên 47 Hình 4-11 Độ dịch chuyển nửa rotor 49 Hình 4-12 Độ dịch chuyển nửa rotor .49 Hình 4-13 Góc nghiêng rotor 50 Hình 4-14 Độ dịch chuyển khối tâm rotor 50 Hình 4-15 Đáp ứng điện áp cặp nam châm bên 51 Hình 4-16 Đáp ứng dịng điện cặp nam châm bên 51 Hình 4-17 Đáp ứng điện áp cặp nam châm bên .52 Hình 4-18 Đáp ứng dòng điện cặp nam châm bên 52 Hình 4-19 Tốc độ dịch chuyển nửa rotor 53 Hình 4-20 Tốc độ dịch chuyển nửa rotor 53 Mục lục DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thông số mô phỏng……………………………………………………… 47 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AMB Active Magnetic Bearing CLF Control Lyanpunov Funtion Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ổ bi sử dụng vô rộng rãi hệ thống máy móc, với vai trị vơ quan trọng giảm thiểu ma sát sinh chi tiết máy trình hoạt động Trong bối cảnh khoa học kĩ thuật nhân loại ngày phát triển, nhiều ứng dụng, loại ổ bi truyền thống thay ổ từ, sản phẩm gần khắc phục nhược điểm ổ bi truyền thống mắc phải Tuy nhiên ổ từ chưa áp dụng rộng rãi đời sống hàng ngày, hạn chế giá thành khả điều khiển Nhưng với tiềm quan tâm lớn cộng đồng khoa học, tương lai, nghiên cứu phương pháp điều khiển thực hóa sản phẩm, khả năng, hiệu phổ biến ổ từ nâng cao nhiều Em sinh viên năm cuối chuyên ngành Tự động hóa Cơng nghiệp, nhận Đồ án tốt nghiệp với đề tài: Điều khiển phi tuyến ổ từ chủ động Trong đề tài này, em tập trung thiết kế điều khiển cho ổ từ bốn bậc tự mơ hình phi tuyến hệ thống dựa vào phương pháp backstepping, kết hợp với hàm chặn Barrier Lyapunov để giới hạn sai lệch vị trí dịch chuyển rotor hệ thống, đồng thời sử dụng ước lượng tốc độ dịch chuyển trục rotor Báo cáo bao gồm nội dung sau: Chương I: Tổng quan ổ từ chủ động Chương II: Mô hình tốn học hệ thống ổ từ chủ động Chương III: Thiết kế điều khiển cho mơ hình hệ thống ổ từ chủ động Chương IV: Mô hệ thống đánh giá kết Em xin giử lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Tùng Lâm, nhờ vào hướng dẫn chi tiết, đầy đủ tận tình thầy lời cảm ơn tới bạn nhóm có ý kiến đóng góp giúp em hồn thiện q trình nghiên cứu Ngoài em xin chân thành cảm ơn thầy, giáo Bộ mơn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cung cấp cho em kiến thức vơ q Lời nói đầu báu suốt năm học vừa qua, tạo điều kiện để em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thanh Hải Chương I Tổng quan ổ từ chủ động CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG Trong chương này, em xin trình bày tổng quan ổ từ chủ động Phần em xin nói đến vài nét lịch sử hình thành phát triển, giới thiệu cấu tạo ổ từ chủ động Tiếp theo đặc điểm, phân tích ưu điểm khuyết điểm ổ từ, nguyên lý hoạt động ổ từ kết thúc phần ứng dụng ổ từ hoạt động sản xuất, chế tạo… 1.1 Vài nét lịch sử phát triển ổ từ Từ năm 1970, kĩ thuật truyền động điện xoay chiều ứng dụng phát triển rộng rãi nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, máy điện sử dụng ổ bi truyền thống cần phải bảo dưỡng thường xuyên dẫn đến chi phí lớn gặp khó khăn máy hoạt động môi trường khắc nghiệt… Dựa hạn chế đó, nhiều nguyên cứu hướng đến việc thay bi thông thường phương pháp, thiết bị giải giảm thiểu vấn đề đưa ra, ổ từ giải pháp Hình 1-1 Ổ từ Trong chiến tranh giới thứ II, Jesse Beams đại học Virginia chứng nhận cho phát minh ổ từ tích cực, ứng dụng cho qúa trình sản xuất bom nguyên tử Tuy nhiên cơng nghệ lúc chưa đủ mạnh để phát triển sáng chế này.Cho Chương I Tổng quan ổ từ chủ động đến trước năm 1988, có vài viện nghiên cứu giới tập trung cho nghiên cứu cho ổ từ Vào tháng năm 1988, hội nghị Khoa học Quốc tế Công nghệ treo từ tính lần tổ chức Thụy Sĩ, trở thành đột phá cho phát triển ổ từ Cho đến nay, với phát triển cộng nghệ sản xuất điều khiển, ổ từ tiếp tục nghiên cứu, phát triển, nâng cao ưu điểm sản phẩm giảm thiểu vấn đề mắc phải, đưa ổ từ vượt qua giới hạn trước 1.2 Cấu tạo Với hệ thống ổ từ chủ động hình 1.1, cấu tạo bao gồm phần sau:  Stator (phần tĩnh): ổ bi gắn nam châm điện  Rotor (phần quay)  Các cảm biến đo khoảng cách khe hở khơng khí stator rotor  Bộ điều khiển  Bộ biến đổi cơng suất Hình 1-2 Cấu tạo ổ từ 1.3 Đặc điểm Ổ từ loại ổ trục sử dụng lực hút, đẩy điện từ trường nam châm điện sinh để có khả nâng giữ cho trục rotor chuyển động lơ lửng lòng ổ (stator) Chương I Tổng quan ổ từ chủ động Do trục rotor quay phần tĩnh stator khoảng cách nhỏ, khơng có tiếp xúc trực tiếp, nên ổ từ mang cho ưu điểm bật mà ổ đỡ khí thơng thường khơng có sau:  Vì khơng có tiếp xúc trực tiếp với rotor, nói khơng có hao mịn vận hành, ma sát vơ bé Nhờ hiệu suất động tốc độ động tăng lên đáng kể  Tiếng ồn độ rung loại bỏ vận hành  Giảm chi phí dành cho hệ thống bôi trơn, bảo dưỡng  Cho phép vận hành mơi trường có điều kiện khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, chân không…  Đáp ứng yêu cầu chịu tải lớn cách tối ưu hóa hệ thống thơng số vật liệu chế tạo… Tuy nhiên bên cạnh với ưu điểm thấy trên, ổ từ tồn số nhược điểm như:  Giá thành tương đối cao  Phương pháp điều khiển phức tạp 1.4 Nguyên lý hoạt động Chúng ta xét cấu trúc AMB bậc tự hình 1-3 Nguyên nhân lựa chọn cấu trúc cấu trúc AMB bậc tự cấu bản, thể đầy đủ thuộc tính nguyên lý hoạt động chung Khi đó, thơng qua cấu bậc tự việc phân tích, xây dựng mơ hình tốn học đề xuất phương pháp điều khiển, thiết kế điều khiển cho hệ thống AMB nhiều bậc tự có sở, đưa công việc trở nên dễ dàng, thuận lợi Hình 1-3 mơ tả cấu trúc hệ thống điều khiển AMB kín với nhiện vụ dịch chuyển trục rotor đến giữ ổn định vị trí cân theo phương xác định 10 Phụ lục Bước 2: Đặt z6  2  2 dk  2  3 ta có:   z6  2  3  2  (vˆ2  v2 )   z5  (p1.10) Phương trình (p1.1) viết lại: z5    Al ( z6  3 )  kl xl  v2  al z6  (kb2  z52 ) k z5  d5 Như hàm ta có: (p1.11) z5  v2 kb  z52 z5 z6  V5 kb2  z52 V5moi  Al (p1.12) Xét hàm Barrier Lyanpunov: z6  v2 2kl d6 z z  V6  V5  al  z6 z6  v22 d6 kb  z5 z z    V5  al  z6 (2  (vˆ2  v2 )   )  v22 z5  d6 kb  z5 V6  V5 moi  (p1.13) (p1.14) Ta lựa chọn hàm điều khiển  2d sau: 2d     z     k6 z6  Al  d6 z6    vˆ2   z5  kb  z5  z5  (p1.15) Thay phương trình (p1.15) vào phương trình (p1.14) ta chứng minh được:     V6  V5  k z  d z    v2 z6  v22 z5 d6  z5  6 6    2    V5  k z  d6  z62    v2 z6  v52  d z5 d6    z5   6     V5  k z  d6  z6  v2   v2  4d  z5 2d6  Đặt l    kl2 ta có: 6 l   l   z5  l 2  l  z5 2  58 (p1.16) (p1.17) Phụ lục     l  k  z52   2 Trong đó:  k6  Al b2  d  d (    ).2   z5 z5 z5 z52 kb  z52  z5   2    vˆ2  kl2  kl  z5 z5 (p1.18)     l   k6  d6    kl  al  z5  z5  (p1.19)  l         k6  d6  kl        z5  z5  (p1.20) Bước 3: Trường hợp 1: xl 0 tương đương với i3 = Code mô a) Bộ điều khiển không sử dụng Barrier Lyanpunov %//Thong so he thong// clear clc R=1; m=5; N=400; 61 Phụ lục x0=0.001; kb=0.001; xu=0.0004; xl=0.0004; Ls=0.001; Ag=0.001; mu=1.256e-6; K=mu*N*N*Ag; Ir=2.9*10^(-2); Du=4.166*10^(-2); Dl=7.602*10^(-2); NN=40000; h=0.0001; Au=K*(1/m+Du^2/Ir)/4; Al=K*(1/m+Dl^2/Ir)/4; vu=0; vl=0; i1=0; i1d=0; i2d=0; i2=0; sigma1=0; xi1=0; i3=0; i3d=0; i4d=0; i4=0; sigma2=0; xi2=0; %//thong so bo dieu khien// k1=75;k2=200;k3=190;k4=190; d1=8e-6;d2=1e-9;d3=2e-15;d4=2e-15; ku=2.5; k5=110;k6=210;k7=180;k8=180; d5=5e-6;d6=1.4e-9;d7=4e-15;d8=4e-15; kl=2; %//bo dieu khien// for j=1:NN t=(j-1)*h; %//thiet ke bo dk nam cham ben tren// z1=xu; xi1_cham=-ku*xi1-(ku^2)*xu; anpha1=(-k1*z1-d1*z1-ku*xu-xi1)/Au; g1=(-k1-d1-ku)/Au; g2=-1/Au; z2=sigma1-anpha1; anphau=-k2*z2-Au*z1d2*g1^2*z2+ku*sigma1+g1*(xi1+Au*sigma1+ku*xu)+g2*xi1_cham; g3=k2*g1-Au+d2*g1^3+g1*ku-g2*ku^2; g4=-k2-d2*g1^2+g1*Au+ku; g5=-k2/Au-d2*g1^2/Au+g1-g2*ku; 62 Phụ lục if xu>=0 u1=0; i1=0; i1d=0; i2d=(x0+xu)*sqrt(-anphau); z3=i2-i2d; A1=2*(x0+xu)/(2*Ls*(x0+xu)+K); F1=sqrt(-anphau); g6=F1+(x0+xu)*-g3/(2*F1); g7=(x0+xu)*-g4/(2*F1); g8=(x0+xu)*-g5/(2*F1); B1=(A1*K*i2)/(2*(x0+xu)^2)-g6; beta1=-1/((x0+xu)^2); sigma1_cham=-ku*sigma1+beta1*i2^2; u2=(1/A1)*(A1*R*i2-B1*(xi1+Au*sigma1+ku*xu)-k3*z3d3*z3*B1^2+g7*sigma1_cham+g8*xi1_cham); if (u2>=220) u2=220; end if (u2=220) u1=220; 63 Phụ lục end if (u1=0 u3=0; i3=0; i3d=0; i4d=(x0+xl)*sqrt(-anphal); z7=i4-i4d; A3=2*(x0+xl)/(2*Ls*(x0+xl)+K); F3=sqrt(-anphal); p6=F3+(x0+xl)*-p3/(2*F3); p7=(x0+xl)*-p4/(2*F3); p8=(x0+xl)*-p5/(2*F3); B3=(A3*K*i4)/(2*(x0+xl)^2)-p6; beta2=-1/((x0+xl)^2); lamda2_cham=-kl*sigma2+beta2*i4^2; u4=(1/A3)*(A3*R*i4-B3*(xi2+Al*sigma2+kl*xl)-k7*z7d7*z7*B3^2+p7*lamda2_cham+p8*xi2_cham); if (u4>=220) u4=220; end if (u4=220) u3=220; end if (u3=0 u1=0; i1=0; i1d=0; i2d=(x0+xu)*sqrt(-(-k2*z2-Au*z1/(kb^2-z1^2)d2*g1^2*z2+ku*sigma1+g1*(xi1+Au*sigma1+ku*xu)+g2*xi1_cham)); z3=i2-i2d; A1=2*(x0+xu)/(2*Ls*(x0+xu)+K); F1=sqrt(-(-k2*z2-Au*z1/(kb^2-z1^2)d2*g1^2*z2+ku*sigma1+g1*(xi1+Au*sigma1+ku*xu)+g2*xi1_cham)); g6=F1+(x0+xu)*-g3/(2*F1); g7=(x0+xu)*-g4/(2*F1); g8=(x0+xu)*-g5/(2*F1); 67 Phụ lục B1=(A1*K*i2)/(2*(x0+xu)^2)-g6; beta1=-1/((x0+xu)^2); sigma1_cham=-ku*sigma1+beta1*i2^2; u2=(1/A1)*(A1*R*i2-B1*(xi1+Au*sigma1+ku*xu)-k3*z3d3*z3*B1^2+g7*sigma1_cham+g8*xi1_cham); if (u2>=220) u2=220; end if (u2=220) u1=220; end if (u1=0 u3=0; i3=0; i3d=0; i4d=(x0+xl)*sqrt(-(-k6*z6-Al*z5/(kb^2-z5^2)d6*p1^2*z6+kl*sigma2+p1*(xi2+Al*sigma2+kl*xl)+p2*xi2_cham)); z7=i4-i4d; A3=2*(x0+xl)/(2*Ls*(x0+xl)+K); F3=sqrt(-(-k6*z6-Al*z5/(kb^2-z5^2)d6*p1^2*z6+kl*sigma2+p1*(xi2+Al*sigma2+kl*xl)+p2*xi2_cham)); p6=F3+(x0+xl)*-p3/(2*F3); p7=(x0+xl)*-p4/(2*F3); p8=(x0+xl)*-p5/(2*F3); B3=(A3*K*i4)/(2*(x0+xl)^2)-p6; beta2=-1/((x0+xl)^2); lamda2_cham=-kl*sigma2+beta2*i4^2; u4=(1/A3)*(A3*R*i4-B3*(xi2+Al*sigma2+kl*xl)-k7*z7d7*z7*B3^2+p7*lamda2_cham+p8*xi2_cham); if (u4>=220) u4=220; end if (u4=220) u3=220; end if (u3