Chương 5: Thực nghiệm
Việc thử nghiệm điều khiển phi tuyến bước đầu đã được thực hiện. Trên hình 5.21 là kết quả thử nghiệm tính tốn và tạo quỹ đạo đặt gồm quỹ đạo, tốc độ và gia tốc. Hình 5.22 là dạng dịng điện đặt của nam châm trên và nam châm dưới của ổ từ.
Hình 5.21. Tính tốn quỹ đạo đặt vị trí trên ControlDesk
Chương 5: Thực nghiệm
Các dạng quỹ đạo hoàn toàn phù hợp với lý thuyết cho thấy thuật toán tạo quỹ đạo đã tạo được các quỹ đao đặt cho các biến đúng như lý thuyết.
Hình 5.23. Tín hiệu ra đặt dịng điện thực của dS1104.
Hình 5.24. Sai lệch tín hiệu ra đặt dịng điện thực do giới hạn tốc độ tính tốn của dS1104.
Chương 5: Thực nghiệm
Việc thực hiện thí nghiệm điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng chưa thực hiện được trọn vẹn trên hệ thực do bị vướng giới hạn tính tốn của card dS1104. Trên hình 5.24 có thể thấy dạng dịng điện xuất ra đầu ra thực của dS1104 bị lệch cả về thời gian và giá trị do phụ thuộc vào tốc độ tính tốn thời gian thực của dS1104:
- Điểm chuyển dòng điện điều khiển theo “điều kiện liên kết dòng điện” là rất quan trọng của phương pháp này bị mất do dòng điện đặt nam châm trên chưa tắt thì đã có dịng điện đặt nam châm dưới.
- dS1104 khơng xuất được tín hiệu đặt dịng điện nam châm dưới có thời gian ngắn hơn thời gian trích mẫu.
- Thời gian phát dịng cho nam châm dưới chỉ có 1 điểm trích mẫu nên tín hiệu đặt dịng ra chỉ có đỉnh 0,8 A thay vì đỉnh 2,6A theo lý thuyết.
5.8. Kết luận.
Các thí nghiệm đã thực hiện cho thấy:
- Các mơ hình được xây dựng trong phần lý thuyết là phù hợp với đối tượng thực, đảm bảo để sử dụng các phương pháp điều khiển đã nghiên cứu.
- Các thử nghiệm nâng bánh đà, duy trì vị trí ổn định lại vị trí đặt, khởi động và tăng tốc bánh đà và xả năng lượng cho bánh đà cho thấy các phương pháp điều khiển đã được kiểm nghiệm.
- Đặc điểm điều khiển của các phương pháp đã áp dụng phù hợp với kết quả 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 có thể ứng dụng để nghiên cứu mở rộng cũng như áp dụng các phương pháp tính tốn, thiết kế vào thực tế.
- Cần nghiên cứu chọn bộ điều khiển đủ tốc độ tính tốn để dùng cho điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng.
Kết luận và kiến nghị
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. Kết luận:
Nội dung luận án đã giải quyết các vấn đề nghiên cứu sau:
- Xây dựng được mơ hình thử nghiệm hệ truyền động động cơ- bánh đà có tích hợp ổ từ chủ động. Từ đó nghiên cứu động lực học của hệ trong các chế độ vận hành: Nâng, nạp năng lượng, duy trì và phóng năng lượng. Mơ hình điều khiển cho hệ được xây dựng trên hai tọa độ u, v, w và z, x, y thuận lợi cho thiết kế điều khiển.
- Kết quả nghiên cứu điều khiển tuyến tính cho hệ chỉ rõ phạm vi hoạt động của hệ bị giới hạn trong vùng hoạt động nhỏ xung quanh điểm cân bằng và không đảm bảo ổn định khi có nhiễu tác động lớn, ngồi ra hệ cịn tiêu thụ nhiều điện năng.
- Điều khiển phi tuyến cho kết quả đáp ứng yêu cầu của hệ: Vùng hoat động tồn dải khơng bị giới hạn, đảm bảo hoạt động ổn định khi có nhiễu tác động, tiết kiệm điện năng hơn so với cấu trúc điều khiển tuyến tính.
- Các kết quả nghiên cứu đều được minh chứng qua mô phỏng và thực nghiệm trên mơ hình đã xây dựng.
B. Những điểm đóng góp mới
- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới của truyền động động cơ – bánh đà có tích hợp ổ từ, với ba ổ từ kép đặt lệch nhau 1200 thay cho một ổ từ kép dạng vành khăn. Cấu trúc mới có ưu điểm: Dễ chế tạo và khi thiết kế điều khiển ba bậc tự do sẽ tạo nên ổ định bánh đà khi quay bị chao đảo.
- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ trong các chế độ vận hành, từ đó đề xuất mơ hình điều khiển hệ ổ từ theo hệ tọa độ quy đổi z,x,y đẳng trị với ba tọa độ z z zu, ,v w. Với việc chuyển vị tọa độ như vậy, việc điều khiển hệ trong các chế độ vận hành được đảm bảo và thực hiện dễ dàng.
- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho hệ, góp phần năng cao được chất lượng điều khiển.
Kết luận và kiến nghị
- Thiết kế, xây dựng mơ hình truyền động bánh đà - ổ từ trong phịng thí nghiệm với các tính tốn cụ thể.
C. Kiến nghị:
Luận án đã giải quyết được mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu đề ra và có một số đóng góp mới nhưng vẫn cịn nhiều vấn đề có thể cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết:
- Trong nội dung điều khiển phi tuyến mới chỉ áp dụng phương pháp tựa phẳng. Các phương pháp điều khiển phi tuyến khác có thể tiếp tục nghiên cứu.
- Các vấn đề về thiết kế, lựa chọn vật liệu cho ổ từ cũng cần được tiếp tục nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. G. Bitterly, "Flywheel technology: past, present, and 21st century projections," IEEE
Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 13, no. 8, pp. 13-16, 1998.
[2] T. M. Aljohani, "The flywheel energy storage system: a conceptual study, design, and applications in modern power systems," Carbon, vol. 1000, p. 1520, 1950.
[3] G. Schweitzer, "Active magnetic bearings–chances and limitations, 8th Int," in Symp.
Magnetic Bearings, Mito, Japan, 2002.
[4] D. R. Brown and W. D. Chvala, "Flywheel energy storage: an alternative to batteries for UPS systems," Energy engineering, vol. 102, no. 5, pp. 7-26, 2005.
[5] J. Zhang and Y. Hu, "Rotor, Bearing and Dynamic Equations in Energy Storage Flywheels for Vehicles," Advances in Systems Science Applications, vol. 12, no. 2, pp. 141-152, 2012.
[6] M. Hedlund, J. Lundin, J. de Santiago, J. Abrahamsson and H. Bernhoff, "Flywheel energy storage for automotive applications," Energies, vol. 8, no. 10, pp. 10636-10663, 2015.
[7] L. Hawkins and P. McMullen, "An AMB Energy Storage Flywheel for Industrial Applications," J. Japan Soc. Appl. Electromagn, vol. 16, no. 4, pp. 287-293, 2008. [8] M. B. Richardson, "Flywheel energy storage system for traction applications," in
International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2002.
[9] M. M. Flynn, . McMullen and . Solis, "High- Speed Flywheel and Motor Drive Operation for Energy Recovery in
a Mobile Gantry Crane," APEC 07 - Twenty-Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 1151 - 1157, 2007.
[10] R. Hebner, J. Beno and A. Walls, "Flywheel batteries come around again," IEEE spectrum, vol. 39, no. 4, pp. 46-51, 2002.
[11] H. Jordan, J. Herbst and R. Hayes, "Flywheel Energy Storage System and Their Applications," CEM Publications, 2002.
[12] M. Dussaux, "Status of the industrial applications of the active magnetic bearings technology," in ASME 1990 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and
Exposition, American Society of Mechanical Engineers, 1990.
[13] H. Toliyat, S. Talebi, P. McMullen, C. Huynh and A. Filatov, "Advanced high-speed flywheel energy storage systems for pulsed power applications," Electric Ship Technologies Symposium, IEEE, pp. 379 - 386, 2005.
[14] J. Bai, X. Zhang and L. Wang, "A flywheel energy storage system with active magnetic bearings," Energy Procedia, vol. 16, pp. 1124-1128, 2012.
[15] P. McMullen, V. Vuong and L. Hawkins, "Flywheel energy storage system with AMB’s and hybrid backup bearings," in 10th International Symposium on Magnetic Bearings,, Martigny, Switzerland, 2006.
[16] S.-y. Yoo, W.-r. Lee, Y.-c. Bae and M. Noh, "Design of magnetically levitated rotors in a large flywheel energy storage system from a stability standpoint," Journal of mechanical science and technolog, vol. 24, no. 1, pp. 231-235, 2010.
[17] A. Filatov, P. McMullen, K. Davey and R. Thompson, "Flywheel energy storage system with homopolar electrodynamic magnetic bearing," CEM Publications, 2015.
Tài liệu tham khảo
[18] A. V. Filatov and E. H. Maslen, "Passive magnetic bearing for flywheel energy storage systems," in IEEE Transactions on Magnetics, 2011.
[19] S. Sivrioglu and K. Nonami, "Active permanent magnet support for a superconducting magnetic-bearing flywheel rotor," IEEE transactions on applied superconductivity,
vol. 10, no. 4, pp. 1673-1677, 2000.
[20] G. Schweitzer, "Active magnetic bearings-chances and limitations," in IFToMM Sixth
International Conference on Rotor Dynamics, Sydney, Australia, 2002.
[21] G. Schweitzer and E. H. Maslen, Magnetic bearings: theory, design, and application to rotating machinery, Springer, 2009.
[22] J. D. Setiawan, "Active Magnetic Bearings for Frictionless Rotating Machineries,"
ROTASI, vol. 8, no. 3, pp. 6-10, 2006.
[23] A. Chiba, T. Fukao, O. Ichikawa, M. Oshima, M. Takemoto and D. G. Dorrell, Magnetic bearings and bearingless drives, Elsevier, 2005.
[24] De Miras, Jérôme; Join, Cédric; Fliess, Michel; Riachy, Samer; Bonnet, Stéphane, "Active magnetic bearing: A new step for model-free control," 2013.
[25] W. Zhang, "A flywheel energy storage system suspended by active magnetic bearings with fuzzy PID controller," in Computer Application and System Modeling (ICCASM),
2010 International Conference on, IEEE, 2010.
[26] W. Zhang and Y. Hu, "A prototype of flywheel energy storage system suspended by active magnetic bearings with PID controller," in Power and Energy Engineering Conference. APPEEC 2009. Asia-Pacific, 2009.
[27] C. K. Chen and T. D. Chu, "Nonlinear modeling and control of active magnetic bearings for a flywheel energy storage system," in Intelligent Human-Machine Systems
and Cybernetics (IHMSC), Sixth International Conference on, 2014.
[28] A. Charara, J. De Miras and B. Caron, "Nonlinear control of a magnetic levitation system without premagnetization," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 4, no. 5, pp. 513-523, 1996.
[29] J. Levine, Analysis and control of nonlinear systems: A flatness-based approach, Springer Science & Business Media, 2009.
[30] S. Myburgh, G. Van Schoor and E. Ranft, "A non-linear simulation model of an active magnetic bearings supported rotor system," in Electrical Machines (ICEM), 2010 XIX
International Conference on, 2010.
[31] P. Tsiotras, B. Wilson and R. Bartlett, "Control of zero-bias magnetic bearings using control Lyapunov functions," in Decision and Control, 2000. Proceedings of the 39th
IEEE Conference on, 2000.
[32] N. Al-Muthairi and M. Zribi, "Sliding mode control of a magnetic levitation system,"
Mathematical Problems in Engineering, vol. 2004, no. 2, pp. 93-107, 2004.
[33] F. Sun and K. Oka, "Zero power non-contact suspension system with permanent magnet motion feedback," Journal of System Design and Dynamics, vol. 3, no. 4, pp. 627-638, 2009.
[34] Q. D. Nguyen and S. Ueno, "Axial position and speed vector control of the inset permanent magnet axial gap type self bearing motor," in Advanced Intelligent Mechatronics, 2009. AIM 2009. IEEE/ASME International Conference on, Singapore,
2009.
[35] N. T. T. Bình, Cải thiện chất lượng điều khiển các ổ đỡ từ, Thái Nguyên: Đại học Thái Nguyên, 2013.
Tài liệu tham khảo
[36] T. R. S. Kumar, S. B. Koppula, C. Prakash and D. Srikanth, "Design and Dynamic Analysis of Flywheel," International Conference on Recent Innovations in Civil & Mechanical Engineering, pp. 51-56, 2016.
[37] C.-L. Tang, X.-J. Dai, X.-Z. Zhang and L. Jiang, "Rotor dynamics analysis and experiment study of the flywheel spin test system," Journal of Mechanical Science Technology, vol. 26, no. 9, pp. 2669-2677, 2012.
[38] D.-K. Kim, "Micro-vibration model and parameter estimation method of a reaction wheel assembly," Journal of Sound Vibration, vol. 333, no. 18, pp. 4214-4231, 2014.
[39] M. Ahrens, L. Kucera and R. Larsonneur, "Performance of a magnetically suspended flywheel energy storage device," IEEE Transactions on control systems technology,
vol. 4, no. 5, pp. 494-502, 1996.
[40] L. Haiping and S. Wenhua, "Vibration suppression of a flywheel system using a novel nonlinear vibration absorber with an Euler buckled beam," in Journal of Physics: Conference Series, 2016.
[41] B. H. Kenny, P. E. Kascak, R. Jansen, T. Dever and W. Santiago, "Control of a high- speed flywheel system for energy storage in space applications," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no. 4, pp. 1029-1038, 2005.
[42] Recheis, Manes; Buchroithner, Armin; Andrasec, Ivan; Gallien, Thomas; Schweighofer, Bernhard; Bader, Michael; Wegleiter, Hannes, "Improving kinetic energy storage for vehicles through the combination of rolling element and active magnetic bearings," in Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE, 2013.
[43] W. Barie and J. Chiasson, "Linear and nonlinear state-space controllers for magnetic levitation," International Journal of systems science, vol. 27, no. 11, pp. 1153-1163,
1996.
[44] B. Q. Khánh, P. Q. Hải, N. V. Liễn and D. V. Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện,, Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2008.
[45] W. Grega and A. Pilat, "Comparison of linear control methods for an AMB system,"
International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol. 15, no. 2,
p. 245, 2005.
[46] D. L. Trumper, S. M. Olson and P. K. Subrahmanyan, "Linearizing control of magnetic suspension systems," IEEE Transactions on control systems technology, vol. 5, no. 4, pp. 427-438, 1997.
[47] Y.-W. Tsai and V. A. Duong, "Sliding mode control for active magnetic bearings of a flywheel energy storage system," in Control and Robotics Engineering (ICCRE), 2016
IEEE International Conference on, 2016.
[48] S. Zheng and R. Feng, "Feedforward compensation control of rotor imbalance for high- speed magnetically suspended centrifugal compressors using a novel adaptive notch filter," Journal of Sound Vibration, vol. 366, pp. 1-14, 2016.
[49] Y. Okada, B. Nagai and T. Shimane, "Cross-feedback stabilization of the digitally controlled magnetic bearing," Journal of Vibration Acoustics, vol. 114, no. 1, pp. 54- 59, 1992.
[50] T. Dever, G. Brown, K. Duffy and R. Jansen, "Modeling and Development of Magnetic Bearing Controller for High Speed Flywheel System," in 2nd International Energy Conversion Engineering Conference, 2004.
[51] Y. Y, Z. Y, C. H and H. L, "Fuzzy Adaptive Back-Stepping Sliding Mode Controller for High-Precision Deflection Control of the Magnetically Suspended Momentum
Tài liệu tham khảo
Wheel," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 4, pp. 3530-3538,
2018.
[52] M. Yasuda, T. Osaka and M. Ikeda, "Feedforward control of a vibration isolation system for disturbance suppression," in Decision and Control, 1996., Proceedings of
the 35th IEEE Conference on, Kobe, 1996.
[53] M. E. Hoque, T. Kamiya and T. Mizuno, "A nonlinear compensator for zero-power control and its application to vibration isolation system," in ASME 2005 International
Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, 2005.
[54] P. Martin, R. M. Murray and P. Rouchon, Flat systems, equivalence and trajectory generation, 2003.
[55] J. Levine, J. Lottin and J.-C. Ponsart, "A nonlinear approach to the control of magnetic bearings," IEEE transactions on control systems technology, vol. 4, no. 5, pp. 524-544, 1996.
[56] N. P. Quang and J.-A. Dittrich, Vector control of three-phase AC machines, Springer, 2008.
[57] P. Q. Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2009. [58] S. Sivrioglu, "Adaptive backstepping for switching control active magnetic bearing
system with vibrating base," IET Control Theory & Applications, vol. 1, no. 4, pp. 1054-1059, 2007.
[59] S. Sivrioglu, "Adaptive control of nonlinear zero-bias current magnetic bearing system," Nonlinear Dynamics, vol. 48, no. 1-2, pp. 175-184, 2007.
[60] C. Zhang and K. J. Tseng, "Design and control of a novel flywheel energy storage system assisted by hybrid mechanical-magnetic bearings," Mechatronics, vol. 23, no. 3, pp. 297-309, 2013.
[61] F. Sahin, A. Tuckey and A. l Vandenput, "Design, development and testing of a high- speed axial-flux permanent-magnet machine," in Industry Applications Conference, Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. IEEE, 2001.
[62] M. E. Hoque, M. Takasaki, Y. Ishino and T. Mizuno, "Development of a three-axis active vibration isolator using zero-power control," IEEE/ASME Transactions on mechatronics, vol. 11, no. 4, pp. 462-470, 2006.
[63] L. Hawkins, P. McMullen and R. Larsonneur, "Development of an AMB Energy Storage Flywheel for Commercial Application," in 8th International Symposium on Magnetic Suspension Technology (ISMST-8),, Dresden, Germany, 2005.
[64] M. M. Z. Shahadat, T. Mizuno, Y. Ishino and M. Takasaki, "Development of three- axis active vibration isolator using displacement cancellation technique," Journal of System Design and Dynamics, vol. 5, no. 5, pp. 1077-1093, 2011.
[65] R. D. Williams, F. J. Keith and P. E. Allaire, "Digital control of active magnetic bearings," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 37, no. 1, pp. 19-27, 1990. [66] B. Jayawant, "Electromagnetic suspension and levitation," Reports on Progress in
Physics, vol. 44, no. 1, p. 411, 1981.
[67] J. Zhang, Z. Chen, L. Cai and Y. Zhao, "Flywheel energy storage system design for distribution network," in Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE, 2000. [68] N. D. Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Hà Nội: NXB Khoa học và kỹ thuật,
Tài liệu tham khảo
[69] M. Ren, Y. Shen, Z. Li and K. Nonami, "Modeling and control of a flywheel energy storage system using active magnetic bearing for vehicle," in Information Engineering
and Computer Science, ICIECS 2009. International Conference on, 2009.
[70] E. Shameli, M. B. Khamesee and J. P. Huissoon, "Nonlinear controller design for a magnetic levitation device," Microsystem Technologies, vol. 13, no. 8-10, pp. 831-835, 2007.
[71] B. Polajžer, Magnetic bearings, theory and applications, Sciyo, 2010.