ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƯƠNG QUỲNH NHẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƯƠNG QUỲNH NHẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐẶNG DANH HOẰNG PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ, sẽ là điều tất yếu. Phần quan trọng của các ổ đỡ từ là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các ổ đỡ từ có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn Thực tế này là do phần động lực học của các ổ đỡ từ có tính phi tuyến cao, mà thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các ổ đỡ từ) chịu tác dụng của nhiễu và chứa các tham số thay đổi trong quá trình hoạt động chưa được nghiên cứu và phát triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế bộ điều khiển đảm bảo cho các ổ đỡ từ có khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc. Mặt khác, hiện tại tôi là giảng viên của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, ngôi trường với thiết bị hiện đại có sẵn trên các phòng thí nghiệm, tôi mong muốn tìm hiểu, nâng cao chất lượng của ổ đỡ từ và nâng cao tri thức bản thân, từ đó giảng dạy, hướng dẫn cho sinh viên học tập và nghiên cứu khoa học tốt hơn. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi" 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ hai bậc tự do. - Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bằng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. - Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 3. Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ Chương 2: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 2 bậc tự do Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm. Chương 4: Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do bằng bộ điều khiển mờ thích nghi Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Hình 1.1: Hình dạng một số loại ổ lăn CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Khái niệm về ổ đỡ từ 1.1.1. Ổ trục Ổ trục là một chi tiết máy thuộc lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Nó có 2 dạng chính là ổ lăn (vòng bi, ổ bi) và ổ trượt. - Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên. Ổ lăn ở một số thiết bị khác còn được gọi là vòng bi hay ổ bi. Dựa vào khả năng chịu lực hướng tâm hay hướng trục hoặc cả hai, mà ổ bi chia ra gồm: Ổ bi đỡ một dãy; ổ bi đỡ chặn; ổ bi chặn đỡ; ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; ổ đũa đỡ trụ ngắn; ổ đũa côn; ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy Một số loại ổ lăn có dạng như hình vẽ (hình 1.1) - Ổ trượt là một dạng ổ đỡ trục dùng ma sát trượt. Giữa ngõng trục và thành ổ là dầu ngăn cách tránh cho thành ổ tiếp xúc trực tiếp với ngõng trục. Bao gồm các loại: Ổ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 trượt đỡ chỉ chịu lực hướng tâm, ổ trượt chặn chỉ chịu lực dọc trục, còn ổ trượt đỡ chặn chịu được cả lực hướng tâm và lực dọc trục. Khi trục quay với vận tốc rất cao và khi kích thước trục khá lớn không dùng được ổ lăn vì khó tìm được ổ lăn thỏa mãn nên phải dùng ổ trượt. Trong các môi trường đặc biệt (nước, môi trường ăn mòn, ) ổ lăn thường làm bằng kim loại nên dễ bị mòn. Khi đó có thể chế tạo ổ trượt bằng gỗ, cao su, để phù hợp với môi trường. 1.1.2. Ổ đỡ từ * Vài nét về lịch sử phát triển ổ đỡ từ Ý tưởng về việc treo một đối tượng bằng từ trường đã được đặt ra từ giữa những năm 1842 trong bài báo của Earnshaw (On the nature of molecular forces), mãi đến năm 1934 Braunbeck mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những hoạt động sản xuất công nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập đoàn S2M ở Vernon, Pháp. Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế của ổ từ đã trở thành hiện thực từ những năm 1960. Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong công nghiệp. Từ những năm 1988 trở lại đây, do sự phát triển trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần mềm cũng như kỹ thuật vật liệu và công nghệ chế tạo cơ khí, góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp cũng như giá thành của ổ từ. Điều đó, đã Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Hình 1.2: Hình dạng một số loại ổ trượt tạo cơ hội cho việc phát triển sử dụng ổ từ trong công nghiệp và trong các dụng cụ cao cấp của y sinh học. Cho đến năm 2010, đã tổ chức được 12 hội nghị quốc tế về ổ từ [19]. * Định nghĩa ổ đỡ từ Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường (Hình 1.3). Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau, cho nên ổ đỡ từ hiện nay đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21, có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật như sau mà ổ cơ không có được: - Không có hao mòn khi vận hành; - Tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động không có ma sát; - Thân thiện với môi trường: Không có bộ phận bôi trơn; - Khả năng làm việc với tốc độ cao; - Khả năng loại bỏ các rung động khi chuyển động; - Khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt. Nhưng nhược điểm là: Giá thành cao và cần có điều khiển cho ổ đỡ từ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Hình 1.3: Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ. * Phân loại ổ đỡ từ [9] a. Theo chức năng: Gồm có ổ đỡ từ ngang trục và ổ đỡ từ dọc trục (hình 1.4) + Ổ đỡ từ ngang trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển động theo hướng ngang trục (hướng x và y). + Ổ đỡ từ dọc trục: Gồm một stator và một rotor có nhiệm vụ nâng trục chuyển động theo hướng dọc trục b. Theo cấu tạo: Gồm có ổ đỡ từ thụ động (hình 1.5), ổ đở từ chủ động (hình 1.7) và ổ đỡ từ siêu dẫn (hình 1.6). + Ổ đỡ từ thụ động (PMB – Passive Magnetic Bearing) : Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu để tạo ra lực nâng theo nguyên lý hút hoặc đẩy. PMB có đặc điểm: Kích thước nhỏ gọn, không cần bộ điều khiển, lực nâng cố định, dễ chế tạo nhưng giá thành cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 a) b) Hình 1.4: Ổ đỡ từ ngang trục (a) và ổ đỡ từ dọc trục (b). + Ổ đỡ từ siêu dẫn (SMB – Sctive Magnetic Bearing): Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu và chất siêu dẫn, lực nâng được tạo ra theo nguyên lý đẩy. SMB có đặc điểm: Kích thước nhỏ gọn, không cần bộ điều khiển, có lực nâng cố định, làm việc ở môi trường nhiệt độ thấp nhưng giá thành cao. + Ổ đỡ từ chủ động (AMB – Active Magnetic Bearing): Làm việc dựa theo nguyên tắc chênh lệch của lực hấp dẫn điện từ. AMB có đặc điểm: Các đặc tính động tốt, lực nâng có thể điều chỉnh, tuy nhiên kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 Hình 1.5: Ổ đỡ từ thụ động Hình 1.6: Ổ đỡ từ siêu dẫn Ngoài ra cũng còn một số cách phân loại ổ đỡ từ khác như: Theo lực từ, theo cảm biến, theo tải trọng, theo từ trường (hiệu ứng từ), theo ứng dụng,… Trong luận văn lựa chọn nghiên cứu điều khiển ổ đỡ từ chủ động (AMB) 2 bậc tự do 1.1.3. Nguyên lý làm việc cơ bản của ổ đỡ từ Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo từ tính (một AMB 1 bậc tự do) như hình vẽ: Từ hình 1.8 cho ta nguyên lý cơ bản của ổ đỡ từ treo một vật bằng từ trường. Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật. Khi đó đối tượng sẽ được giữ tự do theo phương thẳng đứng. Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 Hình 1.7: Ổ đỡ từ chủ động Hình 1.8: Cấu trúc cơ bản của AMB 1 bậc tự do Bộ ĐK Cơ cấu chấp hành điện từ Rotor Rotor Trọng lượng rotor mg Lực từ f m Cơ cấu điện từ (Stator) Sensor Bộ biến đổi ∼ [...]... nghi, áp dụng để điều khiển ổ đỡ từ hai bậc tự do nhằm cải thiện chất lượng cho hệ thống so với phương pháp điều khiển PID kinh điển 1.3 Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu những nét cơ bản về ổ trục và ổ đỡ từ - Lựa chọn loại ổ đỡ từ cần nghi n cứu là ổ đỡ từ chủ động - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ thích nghi để điều khiển ổ đỡ từ trong các hệ thống truyền... pháp điều khiển hiện đại để điều khiển ổ đỡ từ nhằm mang lại những kết quả mong đợi Có nhiều phương pháp điều khiển đã được đề xuất theo các tài liệu [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27] Nếu coi ổ đỡ từ là đối tượng điều khiển thì bản thân nó là phần tử động học không ổn định và mang tính phi tuyến cao Do đó, trong luận văn này tác giả đề xuất sử dụng phương pháp điều khiển mờ thích nghi, áp dụng để điều khiển. .. thống truyền động điện Trên cơ sở các nghi n cứu bước đầu về ổ đỡ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu nghi n cứu về động lực học ổ đỡ từ và mô tả toán học cho hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 2 bậc tự do Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 19 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu chung Để thiết kế được một bộ điều khiển cho đối tượng thì cần thiết phải... kích thước cho động cơ nâng bằng vòng bi từ - Tích hợp chức năng vòng bi từ dọc trục vào động cơ - Điều khiển vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ - Nghi n cứu ứng dụng và nâng cao chất lượng điều khiển 1.2.2 Tình hình nghi n cứu ngoài nước Từ năm 2003 đến nay, có thể quan tâm đến một số nghi n cứu về sử dụng các bộ điều khiển hiện đại điển hình sau: (1) Trong nghi n cứu được công bố... đã thu hút các học viên cao học, nghi n cứu sinh và các nhà khoa học nghi n cứu về ổ đỡ từ Gần đây nhất (2013) có luận án của TS Nguyễn Thị Thanh Bình với sự giúp đỡ của các thầy cô đi trước đã làm rõ hơn rất nhiều vấn đề về ổ đỡ từ Các vấn đề được nghi n cứu trên ổ đỡ từ bao gồm: - Nghi n cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường - Các phương pháp điều khiển vòng bi từ - Nghi n cứu chế tạo, thu... thuật điều khiển Kết quả thí nghi m cho thấy hiệu quả của hệ điều khiển cũng như tính bền vững của bộ điều khiển được thiết kế (4) Trong một nghi n cứu khác, T.M Lim và D Zhang (2008) [23] phát triển hệ thống điều khiển lai, kết hợp PID và điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu (RMRAC) để điều khiển lực nâng của động cơ không dùng ổ Công trình này khai thác quan hệ Lorentz để sản sinh cả lực nâng. .. hiệu điều khiển từ thông tin đo lường, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển này thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trường trong mạch từ, như vậy các lực từ sẽ được tạo ra Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị trí lơ lửng của nó Vật thể sẽ được treo ổn định nhờ một lượng đặt của lực từ Lượng đặt của lực này bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi Lượng. .. tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển Việc mô tả toán học càng sát với mô hình vật lý bao nhiêu thì việc điều khiển càng đạt chất lượng cao như mong muốn Tuy nhiên, việc tính toán thiết kế bộ điều khiển sẽ trở nên khó khăn, phức tạp đối với các đối tượng không ổn định và có tính phi tuyến cao [4] Mô tả sơ qua về ổ đỡ từ: Ổ đỡ từ là chi tiết máy thuộc kỹ thuật cơ khí, nó đỡ các trục chuyển động quay... biểu diễn sơ đồ khối để điều khiển một dòng điện Trong bộ điều khiển, đại lượng lực hướng tâm điều khiển là Fx* và một thành phần dòng điện điều khiển là ib* được tạo ra, thành phần tỉ lệ với lực điều khiển Sau đó dòng điện điều khiển được tăng lên hoặc giảm bớt đi để giữ cho dòng điện phân cực điều khiển I b* không đổi dựa vào công thức (2.22) và (2.23) Các dòng điện điều khiển của cuộn dây i1* và... hồi Lượng điều khiển của lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo Còn đối với lực tắt dần thì lực này tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo Các đại lượng này có chiều ngược với chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ điều khiển dòng điện bằng cách . ổ đỡ từ hai bậc tự do. - Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bằng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghi m. - Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm nâng cao. Tổng quan về ổ đỡ từ Chương 2: Mô tả toán học của ổ đỡ từ chủ động 2 bậc tự do Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 2 bậc tự do sử dụng bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghi m. Chương. THUẬT CÔNG NGHI P DƯƠNG QUỲNH NHẬT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ HAI BẬC TỰ DO BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI