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

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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: - 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. - 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 u , v , w và tọa độ z, x , y thuận lợi cho việc xây dựng mô hình điều khiển và thiết kế điều khiển. - 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. 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. Hệ TĐBĐ-OT trong thực tế có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một nguyên lý được trình bày trên hình 1.6. OT x1,y1 Rotor Stato BBD OT z Máy điện Bộ biến đổi Biến áp Nguồn điện OT x2,y2 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. 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. 1 (1.1) E  .J . 2 2 GD2 1 1 J ; J  .r 2 .m  .r 4 . .a. (1.2) 4.g 2 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 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. i2,n i,n khuyếch đại Z+ công suất F,l F2 e 0 Bộ điều FG khiển vị trí e e F1 Fem Z z FG Z0 Z- Cảm biến vị trí z i1,n 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: 1 1 W  .B.H .V  .B.H . A.2.e (1.3) 2 2 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
 n.i  1 2 i2 F  0 . A.   .0 . A.n2 . 2 (1.4)  2.e  4 e 1.3. Định hướng nghiên cứu 1.3.1. Chọn cấu hình cơ khí hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ chủ động 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. i2u,F2u i2w,F2w z zu i2v, F2v zw u w zv i1u, F1u i1w,F1w v i1v,F1v 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 2.1. Động học quá trình điện-cơ của ổ từ. 2.1.1. Động học quá trình điện cơ của ổ từ kép.  i1   i2  2 2 F  F1  F2   (2.1) e  z  e  z  2 2 Phương trình động lực học của vật được nâng như sau:  m.z  F1 - F2  FG   (2.2)  FG  mg  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 i1 l F1 e F 1 1 1 z m s s i2 l F2 FG Hình 2.1. Cấu trúc một cơ cấu ổ từ. 2.2. Động lực học của hệ bánh đà - ổ từ. z Fz,z u Mx,θx Fu,zu ω Fw,zw x w Fv,zw O r My,θy v Hình 2.2. Phân tích lực bánh đà trong các hệ tọa độ. Phương trình động lực học tổng quan của bánh đà: 6
  z m 0 0    z   Fze   Fzd               .  x   0 Jx 0  .  x    M xe    M xd  (2.7) y  0 0 J y  y   M ye   M yd      z   1/ 3 1/ 3 1/ 3   zu   zu         x    0 1/ (r. 3) 1/ (r. 3)  .  zv    .  zv  (2.8)   2 / (3.r ) 1/ 3.r 1/ 3.r   z w   zw   y    1 0 r   zu    z  z     3 r   -1    zv   1  2 r  2  .  x    .  x  (2.9)  zw         3 r  y  y 1 r  2 2    1 1 1   Fze     Fu   Fu     3 3    M xe    0 r r .  Fv    .  Fv  (2.10) 2 2  M   F   Fw   ye  r r   w  r   2 2  Trong đó các lực Fu , Fv , Fw độc lập với nhau và chỉ phụ thuộc vào dòng điện của mỗi cặp ổ từ u, v, w vị trí dọc trục zu , zv , z w tại điểm tác động của ổ từ đó: 2 2  l  i1u  l  i2 u   Fu  F1u  F2u  2  2   e  zu   e  zu   2 2  l  i1v  l  i2 v   Fv  F1v  F2 v  2  2 (2.11)   e  zv   e  z v   2 2  l  i1w  l  i2 w   Fw  F1w  F2 w  e  z 2  e  z 2   w  w 7
2.2.1. Chuyển vị điều khiển. i2z i2x Fz F z2 e+z Fz2 e+r.θx r x M θx O y Fz1 F z1 Mx e-z e-r.θx (a) (b) i1z z i1x z Hình 2.3. Mô tả các ổ từ tương đương trong hệ ( z ,  x ,  y )  i1z   i2 z  2 2 Fz  F1z  F2 z   (2.29) e  z  e  z  2 2 r. i1x  r. i2 x  2 2 M x  ( F1x  F2 x ).r   (2.30) e  x .r  e  x .r  2 2 r. i1y  r. i2 y  2 2 M y  ( F1y  F2 y ).r   (2.31) e  y .r  e  y .r  2 2 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. z z i2w i2y i2u w w u θx i2z u θx /2 /2 x x r 3 r 3 i2x i1v θy v θy v y y Hình 2.4. Tương quan giữa các dòng điện i2 z , i2 x , i2 y và i2u , i2v , i2w Từ hình 2.6 ta thấy có thể tạo được dòng điện iz , ix , i y từ dòng điện iu , iv , iw như biểu thức 2.17: 8
1 2  0    iiu  iiz   3 3  i  iz iiz      1 1 1       iiv    . iix    3 . iix    . iix  -1 (2.32)    3 3        i i i  iw   iy  1 1 1   ix  iix     3 3 3  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.   z  Fze   Fzd          .  x    M xe    M xd  (2.33) y   M ye   M yd        2.2.2.2. Khi bánh đà quay.   z   z   Fze   m.g  Fzd            .  x   (+  ) . x    M xe    M xd  (2.34)       M ye   M yd   y   y      2.3. Cấu trúc chung điều khiển hệ bánh đà - ổ từ 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. i*u1 iu1 z* D/A GKi Fu Fz z 1 z zu Hệ điều khiển vị trí i*u2 iu2 Gu s2 z D/A GKi θ*x zu A/D θx * i iv1 θ* y D/A v1 GKi Fv Mx x 1  x zv D/A i*v2 GKi iv2 Gv R M s2 S-1 θy zv A/D i*w1 iw1 D/A GKi Fw My y 1  y zw S D/A i*w2 GKi iw2 Gw s 2 DSP zw 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 3.1. Phân tích tính phi tuyến của mô hình động lực học ổ từ F (N) 300 F1 vs i1 F2 vs i2 200 DF1 = const Di1 100 DFi 0 Di i 0 I0 (A) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 i -100 DF2 = const Di2 -200 -300 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 ( iC ) đưa vào hai cuộn dây với chiều ngược nhau.   I 0  iC    I 0  iC  2 2 F  F1  F2   (3.1) e  z  e  z  2 2 Cấu trúc ổ từ kép khi có đưa thêm dòng tiền từ hóa được trình bày trên hình 3.3: Ổ từ i1 l I0 F1 iC e F 1 1 z m 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
nghĩa là giá trị dòng I 0 sẽ ảnh hưởng tới mô hình tuyến tính hóa theo dòng điện đầu vào và cả vị trí đầu ra. Xác định giá trị I 0 theo điều kiện nâng ban đầu::  I0  (m.g.e2 ) /  (3.2) Khi iC  I 0 và y  e , (3.1) trở thành: F  K i .iđk  K y . z (3.3) Trong đó: 4..I0 4..I02 Ki  ; K y  (3.4) e2 e3 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. iC F 1 1 1 z Ki m s s Ky 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. Phương trình động lực học của bánh đà như sau:   M .z  Kiz .iz  K z .z  M.g     J .  K .i  K .  x x (3.5)   ix x x x     J .  Kiy .i y  K y . y  y y Ta có các bộ điều chỉnh vị trí cho z , x ,  y như (3.13). (1  8Tbx s ) M M M Rz  2  2  s (a) (3.6) 32Tbx .K iz 32Tbx . K iz 4Tbx .K iz 11
(1  8Tbx s) J x Jx Jx R x  2  2  s (b) 32Tbx .K ix 32Tbx .K ix 4Tbx .K ix (1  8Tbx s ) J y Jy Jy R y  2  2  s (c) 32T .Kiy bx 32T .K iy bx 4Tbx .K iy 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) BBĐu i2u (2.2) Fu Fz  z z zu θx* i1v ix* iv* (3.13.b) F BBĐv i2v (2.2) Fv R Mx M x 1 s2 θx S-1 z v θy* i1w iy* iw* (3.13.c) BBĐw i2w (2.2) Fw My y θy zw Hệ điều khiển vị trí (DSP) Ổ từ Bánh đà và cảm biến 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. 3.3.1.1. Trường hợp nâng bánh đà không cân bằng và có nhiễu tác động. z (10 -5m) z (10-5m) 15 zđặt zu 10 zthự c 18 zv 5 16 zw 0 -5 14 θx (10 rad) 8 12 θxđặt 6 θxthực 10 4 8 2 0 6 -5 θy (10 rad) 4 0 θyđặt 2 -5 θythực 0 -10 (a) (s) -2 (b) (s) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t Hình 3.5. Vị trí ban đầu nghiêng, có nhiễu tác động lên bánh đà. 12
F (N) y (10-6m) 2 1 zthực 200 Nhiễu góc u Nhiễu góc v 0 Nhiễu góc w -1 100 -2 θx (10-6rad) 1 0 0.5 θxthực 0 -100 -0.5 -1 θy (10-6rad) -200 1 θythực -300 0 (a) (b) (s) -1 (s) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t 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. 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. FG Fz 1 1 1 z M s s Mx 1 1 1 θx Jx s s ω Jz My 1 1 1 θy Jx s s Hình 3.7. Động học bánh đà khi quay. z (10-5m) z (10-5m) 20 20 15 z 15 z 10 10 5 5 0 0 θ x (10-7 rad) θ x (10-7 rad) 4 4 θx rung θx 2 2 rung 0 0 -2 -2 rung -4 -4 -7 -7 θ y (10 rad) θ y (10 rad) 2 2 θy rung θy 0 0 (b) (s) (a) (s) -2 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t Hình 3.8. Vị trí z,x , y khi bánh đà không quay và quay, có nhiễu. 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 a. Khâu truyền thẳng (tạo quỹ đạo đặt) Sau khi có các đa thức quỹ đạo đặt z1 (t ), z2 (t ) , từ (4.26) xây dựng khâu tính toán các dòng điện đặt i1* và i2* hay có thể gọi là bộ điều khiển truyền thẳng như hình 4.4. z*j1 i*j1 g z * j1 m 3.l i*j 2 z * e j2 Hình 4.1. Bộ điều khiển truyền thẳng (tính toán dòng điện đặt). b. Khâu bù sai lệch quỹ đạo đặt. z1  z1*  k0 ( z1  z1* )  k1 ( z1  z1* ) (4.32)   m   i1  e  z  A z, z ; i2  0      1   khi A z , z   0    (4.33)  m  i1  0, i2  e  z   A z, z     2      khi A z, z   0 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
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. 0 e i*j1 z*j1 g  z*j1 m k1u || 3.l z*j1 s i*j 2 k0u  z j1 Hình 4.2. Khâu bù sai lệch mô hình. ** * zu**1 iu1 iu1 iu1 Gci Lập quỹ đạo u 2.11(a) (4.28) (4.34) (4.33) 2.12(a) zu zu**1 iu**2 iu*2 iu 2 Gci Hình 4.3. Cấu trúc điều khiển phẳng có bù sai lệch mô hình cho ổ từ góc u. 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. z (10-4 m) i (A) 10 2 zđặt i 1đặt 1.5 i1thực zthực 8 1 6 0.5 0 4 6 i 2đặt 4 i2thực 2 2 0 (a) (c) (s) (s) 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 t 0 0.002 0.004 0.0 06 0.008 0.01 0.012 0.014 0.0 16 0.018 0.02 t 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
z (10-4m) 10 i (A) zđặt 1.5 zthực i1đặt 8 1 i1thực 0.5 6 0 Đoạn flying-up Đoạn 4 6 duy trì i2đặt Đoạn i2thực Đoạn flying-up duy trì 4 2 2 0 (b) (a) (s) (s) 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 t 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 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 z1** i1z* i1u* i1u (4.33) Gci z1** (4.28) i2u (2.2) Fu Fz  z z z ** Gci zu i1x* i1v* Lập quỹ đạo z 1 Tính iz F * x** i1y i1w * i1v ** (4.33) Gci (4.28) x x** i2z* i2u* Gci i2v (2.2) Fv R Mx M x 1 s2 θx S-1 z v Lập quỹ Tính ix đạo θx * (4.28)  **y ** y (4.33) i2x F i2v* Gci i1w i2y * i2w* i2w (2.2) Fw My y θy ** y Gci Lập quỹ Tính iy zw đạo θy Hệ điều khiển vị trí (DSP) Ổ từ Bánh đà và cảm biến Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển phẳng hệ bánh đà – ổ từ. z (10-4m) z (10-4 m) 10 10 z zu 5 zv 8 zw 0 -4 θx (10 rad) 5 6 θx 0 4 -5 -4 θy (10 rad) 2 5 θy 0 0 (s) (s) -5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6t 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t ω (rad/s) 2000 ω 1500 1000 500 0 F (N) 20 Nhiễu góc u Nhiễu góc v 10 Nhiễu góc w 0 -10 (s) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 t Hình 4.7. Vị trí zu , z v , z w (a); z,  x , y (b) khi nhiễu tác động lên bánh đà (c) 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, chứ không chỉ lân cận quanh điểm cân bằng, z  e so với phương 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