Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ bánh đà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN DANH HUY

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG TÍCH HỢP TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2019

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 1: GS.TS Lê Hùng Lân

Phản biện 2: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Phản biện 3: PGS.TS Lưu Kim Thành

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

i.

Tính cấp thiết của việc nghiên cứu nghiên cứu điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ - bánh đà.

Hệ truyền động động cơ – bánh đà (TĐ ĐC-BĐ) tốc độ cao được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FESS - flywheel energy storage system) được dùng trong các lĩnh vực công nghệ cao, thiết bị đặc biệt và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi hơn trong các máy móc, thiết bị phục vụ đời sống. Động năng tích trữ trong bánh đà tỷ lệ bậc 2 với tốc độ quay, tỷ lệ bậc hai với bán kính bánh đà, và tỷ lệ với khối lượng nên các bánh đà thường được thiết kế để làm việc ở vùng tốc độ rất cao. Do vậy, các hệ truyền động bánh đà cần dùng một giải pháp khác thay cho ổ đỡ cơ khí để nâng cao chất lượng, đó là dùng các cơ cấu nâng bằng từ trường (ổ từ). Cơ cấu ổ từ khắc phục hoàn toàn các hạn chế của ổ bi cơ do không có tiếp xúc cơ, do vậy không có ma sát và không cần bảo dưỡng, bôi trơn.

ii. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ điều khiển ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ – bánh đà. b. Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động tích hợp trong hệ truyền động động cơ - bánh đà. iii. Phương pháp nghiên cứu.

- Xây dựng mô hình của hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ, kiểm chứng mô hình bằng kết hợp mô phỏng và thực nghiệm.

- Nghiên cứu, thiết kế điều khiển cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ - bánh đà theo các phương pháp điều khiển đã đề xuất, mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá và hiệu chỉnh.

- Thử nghiệm phương pháp điều khiển đã thiết kế trên mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả, từ đó đưa ra các hiệu chỉnh cần thiết và kết luận. iv. Mục tiêu và dự kiến kết quả đạt được a. Mục tiêu của luận án:

1

Nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ chủ động trong truyền động động cơ - bánh đà để nâng cao chất lượng của hệ.

b. Dự kiến kết quả đạt được: - Xây dựng được mô hình điều khiển ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ - bánh đà có tích hợp ổ từ. - Thiết kế thành công điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động trong hệ truyền động động cơ – bánh đà. v. Đóng góp mới của luận án:

, wu v

,

- Đề xuất cấu trúc hệ ổ từ mới của truyền động động cơ-bánh đà, 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 ổn định bánh đà khi quay bị nghiêng lật, chao đảo.

,x

y

- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ ổ từ chủ động trong truyền động động cơ - bánh đà ở các chế độ vận hành. Đề xuất mô hình động lực học hệ ổ từ theo hai hệ tọa độ: Tọa độ z   thuận lợi cho việc xây dựng mô hình điều khiển , và tọa độ

- Ứng dụng thành công điều khiển phi tuyến theo phương pháp tựa phẳng cho hệ ổ từ chủ động của truyền động động cơ - bánh đà, góp phần nâng cao được chất lượng điều khiển.

và thiết kế điều khiển.

vi. Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm 173 trang với 01 bảng số liệu, 114 hình và 88 tài liệu tham khảo. Kết cấu của luận án gồm: mở đầu (07 trang), chương 1- khái quát chung (22 trang), chương 2 - mô hình động lực học (27 trang), chương 3 - thiết kế điều khiển tuyến tính (22 trang), chương 4- thiết kế điều khiển phi tuyến (29 trang), chương 5 – kết quả thực nghiệm (19 trang), kết luận và kiến nghị (02 trang), tài liệu tham khảo (06 trang), danh mục công trình công bố (01 trang), phụ lục (23 trang).

2

1. CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

1.1. Tổng quan về hệ truyền động động cơ - bánh đà có ổ từ.

Hệ truyền động bánh đà ổ từ, được hiểu là bánh đà tích lũy năng lượng dưới dạng động năng, nó được nạp và phóng năng lượng thông qua hệ truyền động. Ổ từ sử dụng trong hệ với mục đích để hệ có thể vận hành ở tốc độ cao và giảm tổn thất cơ khi phóng năng lượng.

Giải pháp ổ đỡ từ chủ động đã được ứng dụng trong thực tế. Đó là do so với các phương pháp khác, ổ đỡ từ chủ động có khả năng chịu tải cao, độ cứng vững tốt, mức tổn hao quay thấp và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế như cần cấp nguồn liên tục và hệ điều khiển phức tạp.

1.2. Phân tích nguyên lý hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ.

OTx1,y1

Rotor

Stato

BBD

OTz

Máy điện

Bộ biến đổi

Biến áp

Nguồn điện

OTx2,y2

Hệ TĐBĐ-OT trong thực tế có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một nguyên lý được trình bày trên hình 1.6.

Hình 1.6. Cấu tạo hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng điển hình.

1.2.1. Nguyên lý làm việc của bánh đà.

E

2 J  .

.

1 2

Bánh đà là khối đồng nhất được quay với tốc độ . Khi bánh đà quay đến tốc độ cho phép thì năng lượng tích lũy là.

2

4

J



J



2 r m . .



r .

a  . . .

(1.1)

GD g 4.

1 2

1 2

; (1.2)

3

Ta thấy rằng động năng tích lũy của bánh đà tỷ lệ bậc 2 với tốc độ quay, tỷ lệ bậc 4 với đường kính bánh đà và tỷ lệ với khối lượng riêng của vật liệu chế tạo bánh đà. Các thông số đường kính, khối lượng và khối lượng riêng của bánh đà là các thông cơ bản để thiết kế bánh đà.

1.2.2. Nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ

1.2.2.1. Nguyên tắc cơ bản của nam châm điện

Nguyên lý làm việc của nạm châm điện được trình bày trên hình 2.2. Một vật (vật liệu có độ từ thẩm cao, thường bằng sắt từ) có thể tương tác với một nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện (là một cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ).

1.2.2.2. Nguyên lý cơ bản của ổ từ

i2,n

i,n

Z+

F,l

khuyếch đại công suất

e

F2

0

FG

e

e

Bộ điều khiển vị trí

F1

Fem

z

Z Z0

FG

Z-

Cảm biến vị trí

z

i1,n

Để có thể duy trì ổn định vị trí của vật với nam châm điện, cần phải điều chỉnh được dòng điện một cách liên tục. Cảm biến vị trí, bộ điều khiển và bộ khuyếch đại công suất là các phần tử chủ đạo của bộ điều khiển ổ từ.

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ nâng từ.

1.2.2.3. Các phương trình và đặc tính cơ bản của ổ từ.



Lực hút của ổ từ được tính toán theo năng lượng từ trường. Khi khe hở không khí không quá lớn, từ trường trong khe hở coi là đều và năng lượng từ trường trong vùng khe hở không khí như sau:

B H V . .

.

B H A e . .2.

.

1  W . 2

1 2

(1.3)

Lực tác động lên mạch từ được tạo ra bởi sự biến đổi năng lượng từ trường trong khe hở không khí như sau:

4

2

2



F

.

.

A n .

.

 0

 . 0

2

  . A  

2    

. n i e 2.

1 4

i e

(1.4)

1.3. Định hướng nghiên cứu 1.3.1. Chọn cấu hình cơ khí hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ chủ động

i2u,F2u

i2w,F2w

zu

z i2v, F2v

zw

u

w

zv

i1u, F1u

i1w,F1w

v

i1v,F1v

Cấu trúc ổ từ hình 1.6, có số lượng ổ từ lớn (5 ổ từ) và điều khiển ổ từ 5 bậc tự do, như vậy hệ sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng và điều khiển phức tạp. Từ lý do trên, luận án đề xuất cấu trúc mới như hình 1.13. Cấu hình dùng 3 bộ nam châm kép đặt lệch nhau 120 độ.

Hình 1.13. Cấu hình hệ bánh đà – ổ từ làm mô hình thử nghiệm.

1.3.2. Xây dựng mô hình điều khiển ổ từ

Mặc dù hệ ổ từ hình 1.13 chỉ có ba bậc tự do điều khiển nhưng nó có tính xen kênh và phi tuyến. Vì vậy trong nội dung luận án sẽ định hướng nghiên cứu xây dựng được động học của ổ từ ba bậc tự do.

1.3.3. Thiết kế điều khiển

Định hướng nghiên cứu của luận án sẽ theo hướng ứng dụng điều khiển đa biến phi tuyến phi tuyến cho ổ từ chủ động trong mô hình truyền động động cơ- bánh đà.

1.3.4. Xây dựng mô hình thử nghiệm

Để minh chứng nghiên cứu luận án sẽ đi xây dựng mô hình thử nghiệm và tiến hành các thử nghiệm trên mô hình để kiểm chứng kết quả nghiên cứu.

5

2. CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ-BÁNH ĐÀ TÍCH HỢP Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

2

2









F

2.1. Động học quá trình điện-cơ của ổ từ. 2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép.

 F F 2 1

2

2

e

z

e

z



  i 1  



  i 2  

(2.1)



-

F G

Phương trình động lực học của vật được nâng như sau:

1 mg

   . m z F F  2   F G

(2.2)

Từ (2.2) và (2.3) có thể biểu diễn sơ đồ động học của một ổ từ nam châm kép như trên hình 2.2:

Ổ từ

l

i1

F1

z

F

e

1 m

1 s

1 s

l

i2

F2

FG

z

Fz,z ω

Fu,zu

Mx,θx

Fw,zw

w

u x

Fv,zw

O

r

My,θy

v

Hình 2.1. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ. 2.2. Động lực học của hệ bánh đà - ổ từ.

Hình 2.2. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ.

Phương trình động lực học tổng quan của bánh đà:

6

m

0

0





F ze M



F zd M

xe

xd

0 0

J x 0

M

M

 z   x   y

y

ye

yd

  z     x     y

    

    

    0 .     J  

    

    

    

    

    

1/ 3

1/ 3

1/ 3

z

u





z



z u z

 . (2.7)

v

v

0 r 2 / (3. )

r 1/ ( . 3)  r 1/ 3.

z

z

w

w

    

    

    

    

 z    x    y

    

    

  1/ ( . 3) . r    r 1/ 3. 

0

r

z





r





z u z

.

 . (2.8)

v

z

w

    

    

 z    x    y

    

    x    y

    

r



  1   1    1  

3 2 3 2

        

r 2 r 2

1

1

1

-1 . (2.9)

F ze M

0

.



r



r



xe

3 2

M

F u F v F w

ye

F u F v F w

    

    

    

    

    



r

       

3 2 r 2

            

r 2

 . (2.10)

,

w

v

z

,

,

F F F độc lập với nhau và chỉ phụ thuộc u z tại w

z u

v

, vào dòng điện của mỗi cặp ổ từ u, v, w vị trí dọc trục điểm tác động của ổ từ đó:

2

2









F u

F 1 u

F 2

u

2

2

e

i 1 u z

e

i 2 u z

Trong đó các lực

 l  

 

 l  

 

u

u

2

2









F v

F 1 v

F 2

v

2

2

e

i 1 v z

e

i 2 v z

(2.11)

 l  

 

 l  

 

v

v

2

2









F w

F 1

w

F 2

w

2

2

e

i w 1 z

e

i w 2 z

 l  

 

 l  

 

w

w

          

7

i2z

i2x

Fz

Fz2

Fz2

z + e

r

x θ . r + e

x

θx

O

M

y

Fz1

Fz1

Mx

z - e

(a)

x θ . r - e

(b)

z

i1z

z

i1x

2.2.1. Chuyển vị điều khiển.

z   ( , ) , x

y





 i 1

z

 i 2

z









Hình 2.3. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ

F z

F 1

z

F 2

z





e

z

e

z



2  2 



2  2 

r

 .

r

 .

 i 1

x

 i 2

x









M

(

r ).

x

F 1

x

F 2

x

(2.29)









e

r .

e

r .





x

x

r

 .

r

 .

y

y

(2.30)

 i 1

 i 2









M

(

r ).

y

F 1

y

F 2

y

2

2









r .

e

r .

y

y

2  2  2  

2  2  2  

(2.31)

 e



z

z

2wi

2ui

2yi

w

w

θx

θx

2zi

u x

u x

2 / 3 r

2 / 3 r

1vi

2xi

v

v

θy

θy

y

y

Có thể thấy rằng các biểu thức (2.19, (2.20) và (2.21) cũng tương tự như (2.11) tức là các lực và mô men được điều khiển độc lập mỗi trục bởi các ổ từ giả định.

,

,

,

,

i Hình 2.4. Tương quan giữa các dòng điện 2

z

i 2

x

i 2

y

i và 2

u

i 2

v

i 2w

i

,

i

,

z

x

i từ dòng y

Từ hình 2.6 ta thấy có thể tạo được dòng điện

điện

,

,

i u

i v

i như biểu thức 2.17: w

8

0



i iu

1

.



.





i iv

i iz i ix i iy

i iz i ix i ix

i iz i ix i ix

    

    

    

    

i iw

    

    

3 1

    

    



1 3 1 3 1 3

2 3 1 3 1 3

3

        

        

 . -1 (2.32)

2.2.2. Động lực học của bánh đà - ổ từ trong hệ z, θx, θy .





2.2.2.1. Khi bánh đà không quay.

xe

xd

F ze M M

F zd M M

ye

yd

  z     x     y

    

    

    

    

    

 . (2.33)

m.

g

 

F zd



2.2.2.2. Khi bánh đà quay.





xe

xd

F ze M M

M M

ye

yd

    

    

    

    

  z     x     y

    

  z     x     y

    

 . (+ ) . (2.34)

2.3. Cấu trúc chung điều khiển hệ bánh đà - ổ từ

i*

u1

iu1

D/A

GKi

z

z

zu

Fu

Fz

z*

Gu

i*

u2

iu2

1 s2

D/A

GKi

z

θ* x

zu

A/D

θx

i*

v1

iv1

D/A

GKi

zv

x

x

Fv

θ*

y

Gv

i*

v2

iv2

í r t ị v n ể i h k u ề i đ ệ H

Như vậy, từ hình 2.6 và các biểu thức (2.4), (2.5), (2.6) và (2.7), ta có cấu trúc toàn hệ điều khiển bánh đà – ổ từ như hình 2.9.

Mx R M

S-1

1 s2

D/A

GKi

θy

zv

A/D

iw1

D/A

w1 GKi

zw

y

y

Fw

My

Gw

i* i*

w2

iw2

S

1 s2

D/A

GKi

zw

P S D

A/D

Hình 2.8. Cấu trúc điều khiển ổ từ trong mô hình TĐ ĐC-BĐ 2.4. Kết luận.

Chương 2 đã phân tích và xây dựng được mô hình động học của hệ TĐ ĐC-BĐ nâng bằng ổ từ trong các chế độ vận hành: chế độ cân bằng, chế độ không cân bằng và chế độ bánh đà quay. Từ đó phân tích tính chất điều khiển của đối tượng phục vụ thiết kế điều khiển

9

3. CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ

F (N)

300

F1 vs i1 F2 vs i2

200

= const

DF1 Di1

100

 0

DFi Dii

0

(A) i

-4

-3

-2

-1

1

I0 2

3

4

0

-100

= const

DF2 Di2

-200

-300

3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ

2

2









I

I





0

0

  



F

Hình 3.1. Quan hệ giữa lực F và dòng điện i của các nam châm điện 3.2. Thiết kế tuyến tính hóa cho một ổ từ kép Lực tổng tác động lên vật được điều khiển bằng một dòng điện điều khiển ( Ci ) đưa vào hai cuộn dây với chiều ngược nhau.

F 2

F 1





e

z

e

z

 

i C 2 

 

i C 2 

(3.1)

Cấu trúc ổ từ kép khi có đưa thêm dòng tiền từ hóa được trình bày trên hình 3.3:

Ổ từ

l

i1

I0

F1

z

F

iC

e

1 m

1 s2

l

i2

F2

FG

Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển ổ từ kép khi có dòng tiền từ hóa I0.

Việc chọn giá trị I0 rất quan trọng với việc tuyến tính hóa mô hình điều khiển, bởi vì lực tác động có quan hệ phi tuyến với hai đại lượng đầu vào là dòng điện và đầu ra mô hình là vị trí, điều này có

10

0I sẽ ảnh hưởng tới mô hình tuyến tính hóa theo

nghĩa là giá trị dòng dòng điện đầu vào và cả vị trí đầu ra.

0I theo điều kiện nâng ban đầu::

Xác định giá trị

2 m g e ( . .

(3.2)  ) /   I 0

e , (3.1) trở thành:

Ci

I và y 0





F

K

. z

K i . i

đk

y

Khi

(3.3)

0

2 0





K ;

Trong đó:

K i

y

 I 4. . 2 e

 I 4. . 3 e

(3.4)

z

iC

Ki

F 1 m

1 s

1 s

Ky

Từ (3.5) ta có cấu trúc của một ổ từ nam châm kép tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng với đầu vào là dòng điện iC như hình 3.5.

Hình 3.3. Cấu trúc ổ từ tại điểm làm việc tuyến tính

3.3. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà theo mô hình tuyến tính của ổ từ.



 M z K i .

K

 . M. z

g

iz

z

z





J

K

 .



Phương trình động lực học của bánh đà như sau:

x

K i . ix

x

x

x





J

K

 .

 .   . x   . y

y

K i . iy

y

y

y

   

(3.5)

z   như (3.13). ,

,x

y

Ta có các bộ điều chỉnh vị trí cho

R







s

z

 (1 8 32

32

T s M ) bx 2 T K . bx

iz

M 2 T K . bx

iz

M T K 4 . bx

iz

(a) (3.6)

11

x







s

R  x

 (1 8 32

32

T s J ) bx 2 T K . bx

ix

J x 2 T K . bx

ix

J x T K 4 . bx

ix

 (1 8

J

y

(b)







s

R  y

32

32

T s J ) bx 2 T K . bx

iy

J y 2 T K . bx

iy

y T K 4 . bx

iy

(c)

Với hệ 3.12 và bộ điều khiển (3.13) ta có cấu trúc điều khiển tuyến tính cho hệ bánh đà – ổ từ như hình 3.16.

S

z*

i1u

*

iz

* iu

(3.13.a)

(2.2)

BBĐu

z

z

Fz

Fu

i2u

zu

i1v

* θx

* iv

* ix

(3.13.b)

(2.2)

BBĐv

x

Mx

θx

Fv

i2v

1 s2

F

M

S-1

R

zv

* θy

i1w

* iw

* iy

(3.13.c)

BBĐw

(2.2)

y

My

θy

Fw

i2w

zw

Hệ điều khiển vị trí (DSP)

Bánh đà và cảm biến

Ổ từ

Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển tuyến tính hệ bánh đà ổ từ 3.3.1. Mô phỏng hệ 3 ổ từ điều khiển tuyến tính.

(10-5m)

z

z

(10-5m)

15

18

10

zđặt zthự c

5

16

zu zv zw

14

(10-5rad)

12

10

θxđặt θxthực

8

6

(10-5rad)

4

0 θx 8 6 4 2 0 θy 0

2

-5

θyđặt θythực

0

-10

(a)

(b)

-2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

0.6

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

(s) t

(s) t

0.6

3.3.1.1. Trường hợp nâng bánh đà không cân bằng và có nhiễu tác động.

Hình 3.5. Vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu tác động lên bánh đà.

12

(10-6m)

F (N)

zthực

y 2 1

200

0

Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w

100

(10-6rad)

-1 -2 θx 1

θxthực

0

0.5

0

-100

(10-6rad)

-0.5 -1 θy 1

-200

θythực

0

-300

(a)

(b)

-1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

(s) t

(s) t

0.6

Hình 3.6. Lực nhiễu tác động lên bánh đà tại các góc (a) và dao động vị trí (b).

3.3.1.2. Nâng bánh đà lên vị trí cân bằng và nạp năng lượng cho bánh đà.

FG

Fz

z

1 M

1 s

1 s

Mx

θx

1 s

1 s

1 Jx

ω

Jz

θy

My

1 s

1 s

1 Jx

Cấu trúc động học của bánh đà xuất hiện tác động xen kênh giữa trục quay x và y tỷ lệ với tốc độ quay  của trục z như hình 3.21.

(10-5m)

(10-5m)

z 20

z 20

z

z

15

15

10

10

5

5

0

0

θx (10-7rad)

θx (10-7rad)

4

4

θx

θx

rung

2

2

rung

0

0

-2

-2

rung

-4 θy (10-7rad)

-4 θy (10-7rad)

2

2

θy

θy

rung

0

0

(b)

(a)

-2 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

-2 0

2

(s) t

(s) t

Hình 3.7. Động học bánh đà khi quay.

z   khi bánh đà không quay và quay, có nhiễu. ,

,x

y

Hình 3.8. Vị trí

3.4. Kết luận.

Phương pháp này về cơ bản đáp ứng được để hệ làm việc ở điểm cân bằng. Nhược điểm ở điểm xa vùng tuyến tính hóa thì hệ không đưa bánh đà về điểm cân bằng được, phải có thêm cơ cấu cơ khí để đưa bánh đà đến gần điểm cân bằng trước khi khởi động. Do các nhược điểm rất khó khắc phục của phương pháp điều khiển tuyến tính, phương pháp điều khiển phi tuyến được đề xuất ở chương 4.

13

4. Chương 4

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ Ổ TỪ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ - BÁNH ĐÀ THEO NGUYÊN LÝ PHẲNG

4.1. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà ổ từ theo u, v, w

( )

4.1.1.1. Thiết kế các bộ điều khiển

z t , từ (4.26) xây 2 dựng khâu tính toán các dòng điện đặt * i và i hay có thể gọi là bộ 1 điều khiển truyền thẳng như hình 4.4.

*

*

j1z

j1i

g

*

j1z

m l 3.

*

j 2i

*

e

j 2z

Sau khi có các đa thức quỹ đạo đặt 1 a. Khâu truyền thẳng (tạo quỹ đạo đặt) z t ,( ) * 2

Hình 4.1. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt).

b. Khâu bù sai lệch quỹ đạo đặt.

(

)

 z 1

*     z k 1 0

z 1

*   z ) 1

 k z ( 1 1

*  z 1





e

z

;

0





  A z z ,



i 2

m  1



khi

0

  A z z ,



(4.32)







0,

z

e



  A z z ,





i 2



khi

0

m  2   A z z ,



  i  1    i  1 

(4.33)

4.1.2. Thiết kế điều khiển nâng bánh đà lên vị trí cân bằng.

4.1.2.1. Thiết lập mô phỏng điều khiển tựa phẳng cho một ổ từ.

14

0

e

* j1i

g

*

j1z



*

j1z

| |

k1u

m l 3.

s

* j 2i

* j1z



k0u

j1z

Kết hợp với khâu tính toán dòng điện đặt như hình 4.4, và ổ từ như hình 2.22, ta có cấu trúc hệ điều khiển tựa phẳng cho một ổ từ như hình 4.5.

*

**

**

u1i

u1i

u1i

u 1z

Gci

(4.28)

(4.34)

(4.33)

2.11(a) 2.12(a)

uz

*

**

**

u 2i

u 1z

u 2i

u 2i

u o ạ đ ỹ u q p ậ L

Gci

Hình 4.2. Khâu bù sai lệch mô hình.

Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ góc u.

(A)

i

z (10-4m) 10

2

1.5

i1đặt i1thực

zđặt zthực

8

1

0.5

6

0

6

4

i2đặt i2thực

4

2

2

0

(c)

(a)

0

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

(s) t

(s) t

0

0.002

0.004

0.0 06

0.008

0.01

0.012

0.014

0.0 16

0.018

0.02

Sau khi đã thiết kế thêm khâu bù, ta thực hiện mô phỏng điều khiển cho 1 ổ từ đơn để xác định thông số làm việc phù hợp cũng như đánh giá chất lượng điều khiển với điều khiển tựa phẳng.

Hình 4.4. Vị trí (a), điện áp (b), dòng điện (c), của ổ từ điều khiển phẳng với nguồn 100VDC. 4.1.3. Thiết kế điều khiển duy trì ở vùng vị trí cân bằng.

Giải pháp đề ra là tạo quỹ đạo biến thiên đủ nhỏ để tạo dòng điện tức là có lực tác động lên bánh đà đủ để duy trì vị trí ổn định.

15

(10-4m)

(A)

z 10

i 1.5

zđặt zthực

1

i1đặt i1thực

8

0.5

6

0

Đoạn flying-up

6

Đoạn duy trì

4

i2đặt i2thực

Đoạn flying-up

4

Đoạn duy trì

2

2

(b)

0

(a)

0

0.025

0

0.005

0.01

0.015

0.02

(s) t

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

(s) t

Hình 4.5. Vị trí (a), dòng điện (b), của ổ từ 4.2. Thiết kế điều khiển phẳng cho hệ bánh đà-ổ từ trong hệ z, θx, θy

S

**

* i1z

* i1u

i1u

Gci

**

(4.33)

1z 1z

(2.2)

(4.28)

z

z

i2u

Fz

Fu

**

Gci

zu

* i1x

1z

* i1v

Tính iz

Lập quỹ đạo z

F

*

*

**

i1y

i1w

i1v

**

Gci

(4.33)

x x

(4.28)

(2.2)

x

Mx

θx

i2v

Fv

1 s2

M

S-1

**

R

Gci

* i2z

* i2u

x

zv

Tính ix

Lập quỹ đạo θx

*

*

i2x

**

i2v

i1w

**

F

y y

Gci

(4.33)

(4.28)

*

(2.2)

*

My

i2y

i2w

y

θy

**

Fw

i2w

y

Gci

zw

Tính iy

Lập quỹ đạo θy

Hệ điều khiển vị trí (DSP)

Ổ từ

Bánh đà và cảm biến

(10-4m)

z (10-4m) 10

z 10

z

5

zu zv zw

8

6

0 θx (10-4rad) 5

θx

0

4

2

-5 θy (10-4rad) 5

θy

0

0

-5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

(s) t

0.6

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

ω (rad/s)

2000

ω

1500

1000

500

0

F (N) 20

10

Nhiễu góc u Nhiễu góc v Nhiễu góc w

0

-10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

(s) t

Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ bánh đà – ổ từ.

z   (b) khi nhiễu tác động lên bánh ,

z u

, z , z v

w

,x y đà (c)

Hình 4.7. Vị trí (a);

16

4.3. Kết luận, đánh giá.

Phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý phẳng đã được xây dựng cho ổ từ. Từ quá trình thiết kế điều khiển có thể thấy rằng phương pháp phẳng với điều kiện liên kết dòng điện khi lập quỹ đạo mong muốn cho phép dùng mô hình phi tuyến của ổ từ chứ không phải mô hình tuyến tính (đoạn tuyến tính của (1)). Kết quả cho thấy ổ từ có thể làm việc trong toàn giải đặc tính làm việc cho phép, |z| < e, e so với phương chứ không chỉ lân cận quanh điểm cân bằng, z pháp điều khiển tuyến tính..

5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM

5.1. Mô tả cấu hình thí nghiệm

Cấu hình thí nghiệm được xây dựng theo cấu trúc điều khiển như hình 2.6 với các thiết bị thử nghiệm đã thiết kế chế tạo ở như đã giới thiệu ở phần phụ lục. Các bộ phận chính của thiết bị thí nghiệm như hình 4.1.

Hình 5.1. Cấu hình hệ thí nghiệm. 5.1.1. Xây dựng giao diện vận hành: Các đồ thị tín hiệu cần quan sát, cài đặt thông số và thuật điều khiển.

Giao diện điều khiển tuyến tính, phi tuyến được xây dựng như hình 5.6, hình 5.11 và hình 5.24

17

Hình 5.6. Giao diện và kết quả điều khiển với hệ điều khiển tuyến tính theo u, v, w.

Hình 5.11. Giao diện và kết quả điều khiển với hệ điều khiển tuyến tính theo z, θx, θy.

Hình 5.2. Thử nghiệm tạo quỹ đạo đặt vị trí, quỹ đạo dòng điện thực tế với card dS1104

18

5.3. Kết luận, đánh giá

- Các mô 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 cới kết quả thí nghiệm.

- Hệ thống mô 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 toán, thiết kế vào thực tế.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A. Kết luận: Nội dung luận án đã giải quyết các vấn đề nghiên cứu sau:

,x

y

- Xây dựng được mô hình thử nghiệm hệ truyền động động cơ- bánh đà có tích 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. Mô hình điều khiển cho hệ được xây z   thuận lợi cho thiết kế , dựng trên hai tọa độ u, v, w và

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, ngoài ra hệ còn tiêu thụ nhiều điện năng.

- Điều khiển phi tuyến cho kết quả đáp ứng yêu cầu của hệ: Vùng hoat động toàn dải không 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 mô hình đã xây dựng.

19

z

z

,

,

y  đẳng trị với ba tọa độ

,x

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.

u

v

- Xây dựng động lực học tổng quát của hệ trong các chế độ vận hành, từ đó đề xuất mô hình điều khiển hệ ổ từ theo hệ tọa độ quy đổi z, z . Với việc w

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. - Thiết kế, xây dựng mô hình truyền động bánh đà - ổ từ trong phòng thí nghiệm với các tính toán 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 còn nhiều vấn đề có thể cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết:

- Phương pháp điều khiên tuyến tính hóa có thể áp dụng các kỹ thuật như là thích nghi tham số, mờ để nâng cao chất lượng. - Nghiên cứu xây dựng các bộ điều khiển tích hợp cho các phương pháp điều khiển đã đề ra để có thể định hướng đưa vào ứng dụng. - Các vấn đề về thiết kế, lựa chọn vật liệu cho ổ từ cũng cần được tiếp tục nghiên cứu.

20

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ÐÃ CÔNG BỐ

[1] Nguyễn Danh Huy, Trần Trọng Minh, " Thiết kế hệ điều khiển phi tuyến theo nguyên lý phẳng cho cơ cấu nâng bằng từ truờng trong ổ từ," Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Ðiều khiển và Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp. 433-439, 2015.

[2] Nguyễn Trung Ðức, Nguyễn Tùng Lâm, Phan Phú Khánh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang Ðịch, “Ðiều khiển phi tuyến ổ bi từ chủ động” Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Ðiều khiển và Tự dộng hoá - VCCA-2015, pp. 420-426, 2015

[3] Nguyễn Trung Đức, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Quang Địch. “Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến cho ổ từ chủ động dưới tác động của nhiễu tải”. Chuyên san Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, 2016.

[4] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Ðắc Truởng, Nguyễn Tuấn Nghia, Nguyễn Danh Giang, “Phân tích, thiết kế, đánh giá bộ diều khiển tuyến tính ứng dụng trong cơ cấu nâng bằng từ truờng”, Hội thảo về điều khiển và TÐH cho Phát triển bền vững – CASD 2017

[5] Danh Huy Nguyen, Tung Lam Nguyen, Manh Linh Nguyen, Huy Phuong Nguyen, “Nonlinear Control of an Active Magnetic Bearing with Output Constraint”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), May 2018, pp. 1 – 12.

[6] Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Nguyễn Huy Phương, “Ổn định ổ đỡ từ chủ động với hạn chế đầu ra và sử dụng bộ quan sát tốc độ”, Chuyên san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa, 2017.

[7] Giang Hồng Quân, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Tùng Lâm, Giang Hồng Bắc,” Điều khiển ổ đỡ từ chủ động bằng phương pháp Backstepping Sliding Mode control”, Tạp chí KH&CN các Trường ĐH Kỹ thuật, Số 124 (1/2018)

CỦA LUẬN ÁN