Điều khiển mô hình vật nâng từ trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ QUỐC CHUẨN ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH VẬT NÂNG TỪ TRƢỜNG Chun ngành: TỰ ĐỘNG HĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2013 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : TS HỒNG MINH TRÍ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA QLCN TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -o0o Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ QUỐC CHUẨN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/09/1987 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA MSHV: 11154001 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH VẬT NÂNG TỪ TRƢỜNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Mơ hình hóa đối tƣợng vật nâng từ trƣờng - Nghiên cứu, tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển để thiết kế điều khiển cho đối tƣợng vật nâng từ trƣờng - Thực mô điều khiển với đối tƣợng vật nâng từ trƣờng MATLAB/Simulink - Thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình phần cứng - Lập trình theo phƣơng pháp điều khiển tìm hiểu cho mơ hình vật nâng từ trƣờng thực nghiệm - So sánh chất lƣợng điều khiển điều khiển chạy với mơ hình thực 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS HỒNG MINH TRÍ Nội dung đề cƣơng Luận văn đƣợc hội đồng chuyên ngành thông qua C.BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) KHOA QL CH.NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Cảm ơn ba mẹ nuôi dƣỡng giáo dục nên ngƣời, ngƣời quan tâm hổ trợ tạo điều kiện hết lòng động viên vật chất lẫn tinh thần suốt thời gian qua Cảm ơn anh chị em ủng hộ nguồn động viên lớn, chỗ dựa vững Kính gửi đến thầy TS HỒNG MINH TRÍ lời cảm ơn chân thành sâu sắc, cảm ơn thầy tận tình hƣớng dẫn suốt trình thực luận văn Thạc sĩ Xin cảm ơn quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động khoa Điện Điện Tử tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức bổ ích khoảng thời gian học cao học Xin cảm ơn anh chị học viên cao học khóa 2010 động viên, góp ý, giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình học tập thực luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2013 Lê Quốc Chuẩn TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhiệm vụ đề tài thực thi ứng dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến để thiết kế điều khiển phù hợp cho mơ hình vật nâng từ trƣờng Phƣơng pháp điều khiển đƣợc tìm hiểu sử dụng luận văn điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) điều khiển trƣợt (Sliding mode) Thực mô điều khiển LQR, điều khiển trƣợt cho đối tƣợng vật nâng từ trƣờng với phần mềm Matlab/Simulink Tác giả thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình vật nâng từ trƣờng thực nghiệm Mơ hình gồm nam châm điện đóng vai trị đối tƣợng điều khiển, sắt từ, cảm biến đo khoảng cách cảm biến đo dịng điện Tín hiệu mà cảm biến thu thập đƣợc hồi tiếp mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 thuộc họ C2000 hãng Texas Instrument Vi điều khiển trung tâm đƣợc lập trình dựa phƣơng pháp điều khiển phi tuyến thực việc tính tốn xuất tín hiệu điều khiển qua mơ-đun cầu H có cách ly để kiểm sốt lực từ dùng để nâng hạ đối tƣợng điều khiển khoảng cách h so với sắt từ Vị trí h nam châm điện sắt từ ngõ đối tƣợng Abstract The main point of this thesis is to design and embed the non-linear control to manipulate a magnetic levitation system The methods used in this paper are LQR (Linear Quadratic Regulator) control and fuzzy sliding mode control in Matlab-Simulink presentation The authors have designed and constructed a complete model of the object increased by experiment The model consists of an electromagnet acting as control object, an iron bar, the distance measurement sensors and electric current sensors Signal that the sensor will collect feedback on the central control circuit using microcontroller TMS320F28335 belong to its Texas Instruments C2000 Central microcontroller programmed based on nonlinear control method will perform the calculations and output control signals via H-bridge modules to control its isolation from lifting objects used to control a distance h compared with iron bars The position h between the magnet and the iron bar is the output of the object Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình liên quan 1.2.1 Tàu đệm từ trƣờng 1.2.1.1 Công nghệ EDS 1.2.1.2 Công nghệ EMS 1.2.1.3 Công nghệ INDUCTRACK 1.2.2 Nâng bi từ trƣờng 1.3 Một số báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan 1.4 Phạm vi nghiên cứu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 11 2.1 Từ trƣờng 11 2.2 Lý thuyết phƣơng pháp điều khiển 18 2.2.1 Phƣơng pháp điều khiển trƣợt 18 2.2.1.1 Điều khiển bám mục tiêu 18 2.2.1.2 Ổn định hóa 21 2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển LQR 23 CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26 3.1 Mô hình hóa hệ thống 26 3.1.1 Mô hình 26 3.1.2 Phƣơng trình lực nâng 27 3.2 Thiết kế điều khiển 29 3.2.1 Thiết kế điều khiển LQR 31 3.2.2 Thiết kế điều khiển trƣợt 35 3.2.2.1 Thiết kế điều khiển dùng hàm sign 36 3.2.2.2 Thiết kế điều khiển dùng hàm sat 40 3.2.2.3 Thiết kế điều khiển dùng hàm 42 Trang Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường CHƢƠNG 4: THI CƠNG MƠ HÌNH VẬT NÂNG TỪ TRƢỜNG 45 4.1 Thiết kế mơ hình thực 45 4.1.1 Mạch điều khiển trung tâm 45 4.1.2 Mạch công suất PWM 47 4.1.3 Cảm biến 48 4.1.4 Nam châm điện 50 4.1.5 Nam châm vĩnh cửu 53 4.1.6 Mơ hình hệ vật nâng từ trƣờng 55 4.2 Mơ hình kết nối hệ vật nâng từ trƣờng 58 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 59 5.1 Điều khiển LQR 59 5.2 Điều khiển trƣợt 62 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 66 6.1 Các kết đạt đƣợc 66 6.2 Một số hạn chế 66 6.3 Hƣớng phát triển 67 Tài liệu tham khảo 68 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 70 PHỤ LỤC 71 Phụ lục A: Chi tiết sơ đồ khối 71 Phụ lục B: Các chƣơng trình thực thi chạy mơ hình thực 75 Phụ lục C: Đặc tính cảm biến 77 Trang Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề: Ngày phƣơng pháp thiết kế hệ thống điều khiển dựa hiểu biết xác mơ hình đối tƣợng Tuy nhiên thực tế vấn đề lúc thực đƣợc xuất tham số khơng chắn hay sai số cấu trúc kỹ thuật điều khiển kinh điển thỏa mãn yêu cầu chất lƣợng đặt Điều khơng có nghĩa kỹ thuật điều khiển kinh điển không quan trọng, mà chúng đƣợc kết hợp lại với để tạo thành điều khiển đại (ví dụ nhƣ điều khiển mờ, neural, trƣợt, thích nghi…) để tạo điều khiển có chất lƣợng tốt Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung điều khiển học nói riêng, mơ hình vật nâng từ trƣờng đối tƣợng nghiên cứu điển hình đặc thù đặc tính động khơng ổn định mơ hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng thực tế đặt nhƣ thử thách Việc nghiên cứu hệ thống nâng vật từ trƣờng cho thấy khả ứng dụng lớn đƣợc ứng dụng nhiều thực tế Trong hệ thống này, thành phần hệ thống không tiếp xúc bề mặt với đƣợc gọi chung hệ thống MAGLEV (Magnetically Levitated System) Xuất phát từ ý tƣởng đó, hệ thống treo xe, ổ lăn khơng ma sát đƣợc sử dụng B A Holes đại học Virgina vào năm 1937 Năm 1954 hệ thống đƣợc ứng dụng Laurencean Tournier Orena, Pháp nhằm mục đích kiểm tra khí động học đƣờng hầm tuabin gió Ngồi ra, hệ thống cịn đƣợc sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau: hệ giảm rung (vibration damping), tàu đệm từ trƣờng tốc độ cao (magnetic suspension high speed train)… Hệ thống treo từ trƣờng đƣợc chia làm hai loại:  Loại đẩy (Repulsion type): Hệ thống loại có phần treo (ví dụ nhƣ xe điện) đẩy phần cố định (ví dụ nhƣ đƣờng ray) Loại sử dụng vật liệu có độ từ thẩm tƣơng đối 𝜇𝑟 < (với 𝜇𝑟 = 𝜇/𝜇0 vật liệu nghịch từ) Trang Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường với chất siêu dẫn (𝜇𝑟 = 0) Hạn chế hệ thống loại phải cần thêm bánh xe phụ đứng yên hoạt động dƣới tốc độ giới hạn (khoảng 80km/h) Hệ thống ổn định với hệ số giảm chấn nhỏ  Loại hút (Attraction type): Hệ thống loại có phần treo (ví dụ nhƣ xe điện) hút phần cố định (ví dụ nhƣ đƣờng ray) Hệ thống sử dụng vật liệu sắt từ hay nam chậm vĩnh cửu Ƣu điểm hệ tạo lực hút xe đứng yên, nhiên chất hệ thống không ổn định 1.2 Các công trình liên quan Nhận thức đƣợc tầm quan trọng nhƣ ứng dụng rộng rãi dƣới nhiều hình thức khác hệ thống Maglev tạo động lực cho tác giả nghiên cứu lĩnh vực Ứng dụng hệ Maglev đa dạng: ổ lăn không ma sát, hệ thống giảm rung, tàu đệm từ trƣờng… Có nhiều phƣơng pháp điều khiển áp dụng thành công cho hệ thống này: điều khiển PD/PID, phƣơng pháp phân bố cực không gian trạng thái, tuyến tính hóa hồi tiếp, điều khiển trƣợt … Các kết đạt đƣợc ứng dụng hệ Maglev: 1.2.1 Tàu đệm từ trƣờng Hiện giới có ba công nghệ thiết kế tàu đệm từ trƣờng 1.2.1.1 Công nghệ EDS (ElectroDynamic Suspension): đƣợc thiết kế sử dụng Nhật Bản Cấu tạo hệ EDS gồm:  Các kim loại bọc cuộn dây quấn (cuộn tạo lực nâng, lực đẩy dẫn hƣớng) có tác dụng nâng, đẩy dẫn hƣớng cho tàu  Các cuộn nam châm điện đặt dọc theo đƣờng ray tác dụng với cuộn nam châm điện đặt dƣới gầm tàu sinh lực nâng tàu  Các nam châm điện hai vách dọc theo đƣờng dẫn sinh lực đẩy tàu theo đƣờng dẫn Trang Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường Kết đáp ứng hệ thống Ta có đáp ứng lần lƣợt vị trí cân bằng, dịng điện áp điều khiển vị trí cân 0.0065 (m) Hình 5.5 - Vị trí, dịng điện áp điều khiển vị trí cân 0.0065 (m) Trang 63 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Đáp ứng vị trí 0.008 (m) Hình 5.6 - Vị trí, dịng điện áp điều khiển vị trí cân 0.008 (m) Trang 64 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Đáp ứng vị trí 0.01 (m) Hình 5.7 - Vị trí, dịng điện áp điều khiển vị trí cân 0.01 (m) Trang 65 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Các kết đạt đƣợc Luận văn thực đƣợc nhiệm vụ giao:  Hoàn chỉnh việc xây dựng mơ hình tốn hệ vật nâng từ trƣờng  Đã tìm hiểu lý thuyết hai phƣơng pháp điều khiển điều khiển LQR điều khiển trƣợt  Thực mô điều khiển sử dụng lần lƣợt hai phƣơng pháp LQR trƣợt cho hệ vật nâng từ trƣờng phần mềm Matlab/Simulink  Thiết kế, thi cơng hồn chỉnh mơ hình hệ vật nâng từ trƣờng thực nghiệm  Lập trình cho vi điều khiển trung tâm hệ thống lần lƣợt theo điều khiển đƣợc đề xuất Tuy vậy, thời gian thực có hạn nên luận văn cịn nhiều hạn chế 6.2 Một số hạn chế Mơ hình thực tế so với mơ cịn nhiều sai số dẫn đến kết điều khiển thực tế so với mô chƣa nhƣ mong muốn Nhiều phƣơng pháp điều khiển thông minh chƣa đƣợc đƣa khảo sát thiết kế để điều khiển mơ hình hệ vật nâng từ trƣờng hoạt động ổn định Nhƣ vậy, tác giả xin đƣa số hƣớng phát triển để hoàn thiện đề tài nhƣ sau Trang 66 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường 6.3 Hƣớng phát triển đề tài Khảo sát xây dựng nhiều giải thuật điều khiển dựa sở phi tuyến nữa, kết hợp với nhận dạng, mạng nơron điều khiển thơng minh, thích nghi để giúp cho hệ nâng vật từ trƣờng có đáp ứng ngõ xác nhiều điều kiện khác Phát triển điều khiển đề tài (điều khiển LQR, điều khiển trƣợt) thành điều khiển có thích nghi để đảm bảo tính ổn định hệ thống thơng số mơ hình bị thay đổi Trên sở hệ nâng vật từ trƣờng phát triển thành tàu đệm từ để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ngày cao ngƣời Trang 67 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phƣơng Hà; “ Lý Thuyết Điều Khiển Hiện Đại”; Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM, 2009 [2] Huỳnh Thái Hồng; “ Mơ Hình Hóa Và Nhận Dạng Hệ Thống”; Đại học Bách Khoa Tp HCM [3] Dƣơng Hoài Nghĩa; “Điều khiển hệ thống đa biến”; Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM, 2007 [4] Nguyễn Đức Thành; “Matlab ứng dụng điều khiển”; Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM, 2004 [5] Nguyễn Phùng Quang; “ Matlab Simulink”; NXB khoa học kỹ thuật [6] Hichem Boudali, R D Williams and T C Giras, “A Simulink simulation framework of a MagLev model”, The University Of Virginia, 2003 [7] Mahdi J Kharaajoo and Farzan Rashidi, “High performance variable structure control of a magnetic levitation system”, University of Tehran, Iran [8] W Barie and J Chiasson, “Linear and nonlinear state-space controllers for magnetic levitation”, International Journal of Systems Science 27 (1996), vol 27, no.11, p.1153–1163 [9] Roger Goodall, “Generalized Design Models For EMS Maglev”, Lorough University (No 007) [10] N F Al-Muthairi and M Zribi, “Slidimg mode Control of Magnetic Levitaion System”, Hindawi Publishing Corporation, 2004 [11] Mária Hypiusová Jakub Osuský, “PID Controller Design for Magnetic Levitation Model”, Slovak University of Technology, 2010 [12] Huiguang Dai, “Dynamic Behavior of Maglev/Guideway System with Control”, Case Western Reserve University, 2005 [13] Hyung-Woo Lee, Ki-Chan Kim, and Ju Lee, “Review of Maglev Train Technologies”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL 42, NO 7, 2006 Trang 68 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường [14] Ren Shibo, “Dynamic Simulation of the Maglev Guideway Design”, Delft University of Technology, 2008 [15] http://www.maglevpa.com/index.html [16] http://www.transrapid.de/cgi-tdb/en/basics.prg [17] http:// science.howstuffworks.com/ transport/ engines-equipment/ maglevtrain.htm Trang 69 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên Lê Quốc Chuẩn Ngày sinh 20/09/1987 Nơi sinh Phú Yên Địa liên lạc chuanlequoc@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 9/2005 đến 9/2009: học đại học chuyên ngành Điện – Điện Tử Từ 9/2010 đến nay: học cao học Trƣờng Đại Học Bách Khoa TPHCM, chuyên ngành Tự Động Hóa Trang 70 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường PHỤ LỤC Phụ lục A: Chi tiết sơ đồ khối File model dùng hàm điều khiển trƣợt Khối Input Trang 71 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Khối Input/Calib Position Khối Input/Calib Current Khối Output Trang 72 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Khối trƣợt dùng hàm Khối trƣợt dùng hàm sat Trang 73 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Khối trƣợt dùng hàm sign File model dùng điều khiển LQR Trang 74 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Khối Magnetic levitation Phụ lục B: Các chƣơng trình thực thi chạy mơ hình thực File thongso_truot.m để thiết lập thông số điều khiển trƣợt Trang 75 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường File thongso_LQR.m để thiết lập thông số điều khiển trƣợt Trang 76 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Phụ lục C: Đặc tính cảm biến Đặc tính cảm biến vị trí RPR220 Đặc tính cảm biến dòng ACS712 Trang 77 ... Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Sơ đồ mơ Matlab dùng điều khiển LQR Hình 3.2 - Sơ đồ mô Matlab dùng điều khiển LQR Trang 32 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường. .. Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường Bộ điều khiển SMC_tanh(S) Hình 3.13 - Bộ điều khiển trƣợt dùng hàm tanh(S) Trang 44 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường CHƢƠNG... Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mơ Hình Vật Nâng Từ Trường CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mơ hình hóa hệ thống vật nâng từ trƣờng Mơ hình hệ thống vật nâng từ trƣờng bao gồm nam