Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thông minh và đề xất cấu trúc điều khiển vị trí ổ đỡ từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN THÔNG MINH VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Ổ ĐỠ TỪ

Học viên : Nguyễn Thị Tuyết

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển

Thái Nguyên 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự Do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CƢÚ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG

MINH VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Ổ ĐỠ TỪ

Học viên : Nguyễn Thị Tuyết

Lớp : CHK11

Chuyên nghành : Tự động hoá

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển

Ngày giao đề tài : 01/02/2010

Ngày hoàn thành : 29/08/2010

Khoa ĐT sau ĐH Cán bộ HDKH

PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Học viên

Nguyễn Thị Tuyết

Ban giám hiệu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong

đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Đây là công trình do tôi tổng hợp và

nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần

tài liệu tham khảo.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Tuyết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng, hình vẽ, đồ thị và chữ viết tắt

Lời nói đầu

Nội dung Trang

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN HIỆN ĐẠI

1

1.1Tổng quan về ổ đỡ từ 1

1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ 1

1.1.2 Hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính 3

1.1.3 Cấu trúc đặc trƣng của một hệ thống truyền động động cơ đƣợc

trang bị các ổ đỡ từ tính.

4

1.1.4 Hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 6

1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc 7

1.1.6 Cấu trúc của cuộn dây 13

1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ 14

1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp của động cơ và máy phát kiểu treo từ tính 15

1.2.Đánh giá các phƣơng pháp điều khiển hiện đại 15

1.2.1 Phƣơng pháp điều khiển tối ƣu 15

1.2.2 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi 17

1.2.3 Phƣơng pháp điều khiển bền vững 21

1.2.4 Phƣơng pháp điều khiển mờ 22

CHƢƠNG 2

ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 23

2.1 Mô hình toán học của bộ treo từ tính 23

2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ 23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.2 Các mối quan hệ cơ bản 25

2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai 28

2.1.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 29

2.1.5 Ổ từ chịu tải hƣớng tâm (ổ đỡ từ) 30

2.1.6 Mô tả toán họ c ổ đỡ tƣ̀ 32

2.2 Các tính chất điều khiển đƣợc của bộ treo từ tính 38

2.2.1 Lực kéo không cân bằng 38

2.2.2 Các nguyên tắc cơ bản 38

2.2.3 Phép phân tích trong lõi từ hình chữ C và lõi từ hình chữ I 39

2.2.4 Giảm chấn trong hệ thống treo từ tính 40

CHƢƠNG 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

THÔNG MINH

43

3.1 Hệ lôgic mờ 43

3.1.1 Khái niệm về tập mờ 43

3.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 43

3.2 Bộ điều khiển mờ 50

3.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 50

3.2.2 Bộ điều khiển mờ động 53

3.2.3 Bộ điều khiển mờ trƣợt 56

3.2.4 Điều khiển mờ thích nghi 57

3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 57

CHƢƠNG 4:

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 61

4.1 Mô phỏng với bộ điều khiển PID 61

4.2. Mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 62

4.3. So sánh chất lƣợng các bộ điều khiển: 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4.2 Đánh giá chất lƣợng hệ thống. 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NHGỊ 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

TT Tên hình vẽ Trang

Hình 1.1 Sự tạo ra lực từ hƣớng tâm bởi mật độ từ thông khe hở

không cân bằng:

1

Hình 1.2 Sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp

xúc

4

Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ 5

Hình 1.4 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 7

Hình 1.5 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ 7

Hình 1.6 Bộ treo chủ động theo 2 trục: 7

Hình 1.7 Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng 8

Hình 1.8 Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thƣờng 9

Hình 1.9 Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống 10

Hình 1.10 Cấu trúc chung của hệ ĐKTN 18

Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN điều chỉnh hệ số khuếch đại 20

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN theo mô hình mẫu 20

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc hệ ĐKTN tự điều chỉnh 21

Hình 2.1 Hệ thống từ treo 24

Hình 2.2 Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm 25

Hình 2.3 Mạch từ hoá tƣơng đƣơng 27

Hình 2.4 Cơ cấu điều chỉnh vi sai 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.5 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 30

Hình 2.6 Ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm 31

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và dòng điện 34

Hình 2.8 Mối quan hệ tuyến tính của lực hƣớng tâm với dòng điện

phân cực

35

Hình 2.9 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện 36

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống từ treo sử dụng năng

lƣợng từ theo mộ t phƣơng

36

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc rút gọ n 37

Hình 2.12 Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc

khe hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống

39

Hình 2.13 Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn -

khối lƣợng – lò xo

40

Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển ổ đỡ từ 42

Hình 3.1 Hàm liên thuộc biến ngôn ngữ 43

Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 44

Hình 3.3 Luật hợp thành 45

Hình 3.4 Mờ hoá 46

Hình 3.5 Thực hiện phép suy diễn mờ 46

Hình 3.6 Thực hiện phép hợp mờ 47

Hình 3.7 Những nguyên lý giải mờ. 48

Hình 3.8 Cấu trúc một hệ logic mờ 49

Hình 3.9 Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ 50

Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 52

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.12 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 52

Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(3) 53

Hình 3.14 Các hàm h(s(e)) 54

Hình 3.15 Bộ điều khiển mờ trƣợt 2 đầu vào 55

Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ trƣợt 3 đầu vào 55

Hình 3.17 Đƣờng chuyển đổi 56

Hình 3.18 Tập mờ 2 đầu vào 56

Hình 3.19 Tập mờ đầu ra 56

Hình 3.20 Điều khiển mờ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 56

Hình 3.21 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 57

Hình 3.22 Phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 57

Hình 3.23 Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 58

Hình 3.24 Bên trong bộ chỉnh định mờ 58

Hình 3.25 Tập mờ e và e‟ 59

Hình 3.26 Tập mờ  59

Hình 3.27 Tập mờ Kp và KD 59

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng khi dùng bộ điều khiển PID kinh điển 61

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng khi dùng bộ điều khiển PID kinh điển 62

Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng khi dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định

tham số PID

62

Hình 4.4 FIS Editor bộ chỉnh định



64

Hình 4.5 Đầu vào thứ nhất ET 64

Hình 4.6 Đầu vào thứ hai DET 65