Điều khiển phi tuyến ổ từ chủ động với ràng buộc đầu ra :Báo cáo tổng kết đề tài Khoa học cấp trường

BỘ CÔNG THƢƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG

ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN Ổ TỪ CHỦ

ĐỘNG VỚI RÀNG BUỘC ĐẦU RA

Chủ nhiệm đề tài: LÊ NGỌC HỘI

Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN..................................................................................................................... 1

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG....................................................................................... 2

I. THÔNG TIN TỔNG QUÁT.......................................................................................... 2

II. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 2

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 2

2. MỤC TIÊU ..................................................................................................................... 2

3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................................. 3

4. TỔNG KẾT VỀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................... 4

5. ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƢỢC VÀ KẾT LUẬN .............................. 4

6. TÓM TẮT KẾT QUẢ (TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH).......................................... 5

III. SẢN PHẨM ĐỀ TÀI, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO................................. 6

IV. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ .......................................................................... 7

V. KIẾN NGHỊ ( VỀ PHÁT TRIỂN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI) .. 8

VI. PHỤ LỤC SẢN PHẨM (LIỆT KÊ MINH CHỨNG CÁC SẢN PHẨM NÊU Ở

PHẦN III)............................................................................................................................ 8

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ..................... 9

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG ..................................................... 9

1.1. VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA Ổ TỪ............................................................. 9

1.2. CẤU TẠO ............................................................................................................... 10

1.3. ĐẶC ĐIỂM.............................................................................................................. 10

1.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG....................................................................................... 11

CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG ....... 13

2.1. MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 13

2.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG Ổ BI TỪ CHỦ ĐỘNG ................... 13

CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH HỆ THỐNG Ổ TỪ

CHỦ ĐỘNG...................................................................................................................... 21

3.1. MỞ ĐẦU................................................................................................................. 21

3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................. 21

3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN....................................................................................... 25

CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB...................................... 42

4.1. THÔNG SỐ SỬ DỤNG ......................................................................................... 42

4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG........................................................................................ 43

4.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.......................................................................................... 55

PHỤ LỤC.......................................................................................................................... 57

1. CODE MÔ PHỎNG.................................................................................................. 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 67

PHẦN III. PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM.................................................................................. 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1. Ổ từ ......................................................................................................................9

Hình 1-2. Cấu tạo ổ từ........................................................................................................10

Hình 1-3.Nguyên lý ổ từ 2 bậc tự do ................................................................................. 12

Hình 2-1.Mô hình 1 nam châm .......................................................................................... 14

Hình 2-2.Mô hình AMB 4 nam châm................................................................................ 16

Hình 3-1.Hệ phi tuyến (3.11)............................................................................................. 22

Hình 3-2.Cấu trúc điều khiển hệ thống AMB.................................................................... 24

Hình 4-1.Độ dịch chuyển của nửa dưới rotor .................................................................... 44

Hình 4-2.Độ dịch chuyển của nửa trên rotor...................................................................... 44

Hình 4-3.Độ dịch chuyển của khối tâm rotor..................................................................... 45

Hình 4-4.Góc nghiêng của rotor......................................................................................... 45

Hình 4-5.Tốc độ dịch chuyển của nửa dưới rotor.............................................................. 46

Hình 4-6.Tốc độ dịch chuyển của nửa trên rotor ............................................................... 46

Hình 4-7.Đáp ứng dòng điện của cặp nam châm bên trên................................................. 47

Hình 4-8.Đáp ứng dòng điện của cặp nam châm bên dưới................................................ 47

Hình 4-10.Đáp ứng điện áp của cặp nam châm bên trên ................................................... 48

Hình 4-9.Đáp ứng điện áp của cặp nam châm bên dưới.................................................... 48

Hình 4-11.Độ dịch chuyển của nửa trên rotor.................................................................... 50

Hình 4-12.Độ dịch chuyển của nửa dưới rotor .................................................................. 50

Hình 4-13.Góc nghiêng của rotor....................................................................................... 51

Hình 4-14.Độ dịch chuyển của khối tâm rotor................................................................... 51

Hình 4-15.Đáp ứng dòng điện của cặp nam châm bên trên............................................... 52

Hình 4-16.Đáp ứng điện áp của cặp nam châm bên trên ................................................... 52

Hình 4-18.Đáp ứng dòng điện của cặp nam châm bên dưới.............................................. 53

Hình 4-17.Đáp ứng điện áp của cặp nam châm bên dưới.................................................. 53

Hình 4-19.Tốc độ dịch chuyển của nửa dưới rotor............................................................ 54

Hình 4-20.Tốc độ dịch chuyển của nửa trên rotor ............................................................. 54

1

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thiện đề tài, tôi gặp phải một số khó khăn do

đây là lần đầu tiên tham gia một đề tài cấp trường, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học còn

hạn hẹp.

Hơn nữa về nội dung tài liệu về ứng dụng phương pháp điều khiển Backstepping,

dùng hàm điều khiển chặn Barrier Lyapunov và bộ quan sát vận tốc cho ổ đỡ từ chủ động

ở trong và ngoài nước còn ít, chưa có nhiều cơ hội được tiếp xúc với hệ thống ổ đỡ từ trên

thực tế… Vì vậy, để hoàn thành được đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại

học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cấp kinh phí cho tôi thực hiện

nghiên cứu này, sự giúp đỡ của các cán bộ Phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác quốc tế,

các thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí

Minh nơi tôi đang công tác đã hướng dẫn tạo mọi điều kiện trong suốt quá trình nghiên

cứu.

Ngoài ra tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong viện Kỹ thuật

Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nơi tôi đang làm nghiên

cứu sinh đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này.

2

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: “ Điều khiển phi tuyến ổ đỡ từ chủ động với ràng buộc đầu ra ”

1.2. Mã số: 192.Đ03

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 ThS. Lê Ngọc Hội (NCS) Khoa Công Nghệ Điện Chủ nhiệm đề tài

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công Nghệ Điện

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 1 năm 2019 đến tháng 1 năm 2020

1.5.2. Thực hiện thực tế: từ tháng 1 năm 2019 đến tháng 7 năm 2020

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên

nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

1.7. Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt của đề tài: 30 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Ổ đỡ từ có khả na ng nâng các vạ t chuyển đọ ng mà không có tiếp xúc và do bản chất

không ổn định, hệ thống ổ đỡ từ thu hút được nhiểu sự quan tâm của các nhà khoa học

trong và ngoài nước trong lĩnh vực mô hình hóa cũng như điều khiển.

Các nghiên cứu trước đây đã giải quyết bài toán điều khiển ổ đỡ từ tương đối triệt để.

Tuy nhiên, tồn tại lớn nhất trong các công trình này là bộ điều khiển được thiết kế với

mục đích xuyên suốt là đưa trục rotor về điểm cân bằng với sai lệch tĩnh bằng không. Độ

quá điều chỉnh trong quá trình quá độ đang bị bỏ quên và không được xem xét đến trong

quá trình thiết kế điều khiển. Do đó đặt ra cho tác giả thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho

ổ bị từ chủ động có khả năng đạt vô sai tĩnh đồng thời giới hạn độ quá điều chỉnh trong

phạm vi cho phép để tránh va chạm cơ khí.

2. Mục tiêu

3

a) Mục tiêu tổng quát: Thiết kế bộ điều khiển giới hạn đầu ra của ổ từ chủ động để tránh

va chạm cơ khí.

b) Mục tiêu cụ thể: Xây dựng mô hình động học của ổ từ chủ động. Phân tích các đặc

điểm động học của mô hình, từ đó đề xuất phương án điều khiển phù hợp. Chứng

mình tính ổn định của hệ thống kín và mô phỏng kiểm chứng.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

3.1 Nội dung 1 : Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến mô hình hóa và điều khiển ổ từ

chủ động.

 Cách tiếp cận: Thu thập tài liệu

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Nghiên cứu tổng quan

3.2 Nội dung 2 : Xây dựng mô hình động học của ổ từ chủ động.

 Cách tiếp cận: Dựa trên các định luật vật lý cơ bản

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa trên các định luật vật lý cơ bản

3.3 Nội dung 3 : Thiết kế bộ điều khiển (thuật toán điều khiển) giới hạn đầu ra cho ổ từ

chủ động.

.

 Cách tiếp cận: Dựa trên đặc điểm động học để đề xuất bộ điều khiển

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa trên đặc điểm động học để đề xuất bộ

điều khiển

3.4 Nội dung 4 : Chứng minh tính ổn định của hệ kín

 Cách tiếp cận: Dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov

3.5 Nội dung 5 : Mô phỏng kiểm chứng

 Cách tiếp cận: Thực hiện mô phỏng số

 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Thực hiện mô phỏng số