Nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho hệ thống ổ từ hình nón

• Tác giả: Tạ Thế Tài
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyễn Danh Huy
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển phi tuyến cho hệ thống ổ từ hình nón
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG 1: STATE OF THE ART
• 1.1. Introduction of Active Magnetic Bearing
• 1.2. Principles of Magnetic Bearing Function
• 1.3. Advantages and disadvantages of AMBs
• 1.4. Applications of AMBs
• 1.5. Conical Magnetic Bearings: An overview
• 1.6. Fundamental of Sliding Mode Control
• 1.7. Fractional Order Calculus
• 1.8. Extended state observer
• 2. SYSTEM DESCRIPTION AND MATHEMATICAL MODEL
• 2.1. AMBs general schema
• 2.2. Structure of AMBs
• 2.3. Modelling of CAMB
• 2.3.1. Overview of the modelling of CAMB
• 2.3.2. Linearized bearing forces
• 2.5. Magnetic bearings actuation
• 3. EXTENDED STATE OBSERVER BASED CONTROL DESIGN
• 3.1. Extended state observer
• 3.2. Fractional Order Sliding Mode Control
• 3.2.1. Principle of Sliding Mode Control and Chattering Problem
• 4. NUMERICAL SIMULATION STUDY
• 4.2. Results and Discussion
• 5. CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS
• 5.1. Results of the thesis

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Ổ Từ Hình Nón Ưu Điểm và Ứng Dụng

Hệ thống ổ từ ngày càng trở nên quan trọng trong các thiết bị quay tốc độ cao, độ chính xác cao. Ổ từ chủ động (AMB) sử dụng lực hút từ trường để nâng đỡ trục quay, loại bỏ tiếp xúc cơ học. Điều này mang lại nhiều ưu điểm so với ổ bi truyền thống, bao gồm giảm tổn thất do ma sát, tăng tốc độ vận hành, loại bỏ hệ thống bôi trơn phức tạp, khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và tuổi thọ cao hơn. Ổ từ hình nón (CAMB) là một hướng phát triển của AMB, giúp tiết kiệm không gian dọc trục bằng cách tích hợp chức năng của cả ổ hướng tâm và ổ dọc trục. Tuy nhiên, CAMB cũng đặt ra những thách thức về mô hình hóa và điều khiển do tính phi tuyến và liên kết vốn có của nó. Các ứng dụng của AMB rất đa dạng, từ thiết bị y tế như bơm máu nhân tạo đến các ứng dụng công nghiệp như máy nén, bơm, tuabin gió và hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà. "Active magnetic bearings (AMBs) are electromagnetic mechanism systems in which non-contact bearings support a rotating shaft using attractive forces generated by electromagnets through closed-loop control."

1.1. Giới Thiệu Chi Tiết Về Ổ Từ Chủ Động AMB

Ổ từ chủ động (AMB) là một giải pháp thay thế cho các loại ổ trục truyền thống như ổ bi hoặc ổ chất lỏng. AMB sử dụng lực hút tạo ra từ các nam châm điện để nâng đỡ trục quay mà không cần tiếp xúc vật lý. Lịch sử phát triển của AMB bắt đầu từ những năm 1930, với những ứng dụng đầu tiên trong vật lý thực nghiệm và các dự án liên quan đến uranium. AMB có thể được sử dụng trong các hệ thống một bậc tự do (DOF) hoặc các hệ thống nhiều bậc tự do, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Ưu điểm nổi bật của AMB bao gồm giảm tổn thất năng lượng, khả năng hoạt động ở tốc độ cao, loại bỏ nhu cầu bôi trơn, và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Ổ Từ Trường Phân Tích Cấu Tạo

Nguyên lý hoạt động của ổ từ trường dựa trên việc tạo ra lực từ trường không tiếp xúc bằng cách điều khiển động lực học của nam châm điện. Một hệ thống AMB điển hình bao gồm rotor, bộ truyền động từ tính, cảm biến vị trí, bộ khuếch đại công suất và bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ xử lý tín hiệu từ cảm biến vị trí và đưa ra lệnh điều khiển cho bộ khuếch đại công suất. Dòng điện đầu ra sẽ tạo ra lực điện từ cần thiết để nâng đỡ rotor. Rotor được giữ ổn định tại vị trí cân bằng nhờ vòng kín điều khiển này. "The controller determines the appropriate commands to the power amplifiers based on the position sensors' measurements of the rotor locations so that the output currents to the magnetic actuators produce the necessary electromagnetic force to levitate the rotor."

1.3. So Sánh Ưu và Nhược Điểm Của Ổ Từ So Với Ổ Cơ Khí

Ổ từ mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với ổ cơ khí truyền thống. Chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao, không cần bôi trơn, giảm thiểu khí thải dầu, giảm tổn thất ma sát, và tăng tuổi thọ. Tuy nhiên, ổ từ cũng có một số nhược điểm, bao gồm chi phí cao hơn, yêu cầu hệ thống dự phòng trong trường hợp hỏng hóc, và cần đảm bảo môi trường hoạt động sạch sẽ để tránh các vật liệu từ tính bị hút vào. "Because magnetic bearings can operate at high temperatures, the overall system can be vastly improved and there are no contacting parts in magnetic bearings so the lubrication system is unnecessary."

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Phi Tuyến Hệ Thống Ổ Từ Hình Nón

Điều khiển phi tuyến hệ thống ổ từ hình nón (CAMB) là một bài toán phức tạp do tính phi tuyến, liên kết giữa các trục, và nhiễu loạn từ bên ngoài. Việc xây dựng mô hình toán học chính xác cho CAMB là rất quan trọng để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Các phương pháp điều khiển truyền thống như PID có thể không đáp ứng được yêu cầu hiệu suất cao trong các ứng dụng CAMB. Do đó, cần phải áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, hoặc điều khiển trượt. "CAMB highlights two coupling properties: current-coupled and geometry-coupled effects, making dynamic modelling and control of these frameworks especially troublesome."

2.1. Mô Hình Hóa Toán Học Hệ Thống Ổ Từ Hình Nón CAMB

Mô hình hóa toán học hệ thống ổ từ hình nón (CAMB) là bước đầu tiên quan trọng trong việc thiết kế bộ điều khiển. Mô hình cần phải phản ánh chính xác các đặc tính phi tuyến và liên kết của hệ thống. Các yếu tố cần xem xét bao gồm lực từ trường, động học rotor, và ảnh hưởng của nhiễu loạn. Mô hình tuyến tính hóa có thể được sử dụng để đơn giản hóa bài toán, nhưng cần phải đảm bảo rằng mô hình tuyến tính vẫn đủ chính xác trong phạm vi hoạt động mong muốn. "Due to the nonlinearities and inherent coupling properties of conical active magnetic bearing system, it is essential to accomplish an appropriate mathematical model as well as design a high accuracy control scheme."

2.2. Các Yếu Tố Gây Nhiễu và Bất Định Trong Hệ Thống Ổ Từ

Hệ thống ổ từ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố gây nhiễu và bất định, bao gồm nhiễu loạn từ bên ngoài, lực điện từ không chắc chắn, và sự thay đổi tham số. Các yếu tố này có thể làm giảm hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Do đó, bộ điều khiển cần phải có khả năng chống nhiễu và thích nghi với sự thay đổi tham số. Các kỹ thuật như điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề này. "In this thesis, extended state observer (ESO) is applied to deal with the lumped disturbances of CAMB system which come from external disturbances, uncertain electromagnetic forces and parametric uncertainties."

2.3. Giới Hạn Của Các Phương Pháp Điều Khiển Truyền Thống PID

Các phương pháp điều khiển truyền thống như PID có thể không đáp ứng được yêu cầu hiệu suất cao trong các ứng dụng CAMB do tính phi tuyến và liên kết của hệ thống. PID thường yêu cầu điều chỉnh thủ công và có thể khó khăn để đạt được hiệu suất tối ưu trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Ngoài ra, PID có thể không có khả năng chống nhiễu và thích nghi với sự thay đổi tham số. Do đó, cần phải áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến hơn để giải quyết các thách thức này. "Conventional decentralized PID controls still have significant limitations when combined with magnetic bearings, making it difficult to fully realize the active potentials that might allow a much higher degree of control of rotor vibration, positioning, and alignment control."

III. Giải Pháp Điều Khiển Phi Tuyến ESO và FOSMC Cho Ổ Từ Hình Nón

Luận văn này đề xuất một giải pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống ổ từ hình nón (CAMB) dựa trên bộ quan sát trạng thái mở rộng (ESO) và điều khiển trượt bậc phân số (FOSMC). ESO được sử dụng để ước lượng và bù trừ các nhiễu loạn tổng hợp trong hệ thống. FOSMC được thiết kế để đạt được đáp ứng nhanh, giảm thiểu sai số theo dõi, và cải thiện chất lượng điều khiển mà không gây ra hiện tượng rung lắc. Kết quả mô phỏng cho thấy FOSMC-ESO có khả năng loại bỏ nhiễu loạn tốt và hiệu suất vượt trội so với các bộ điều khiển SMC và ADRC. "Based on extended state observer, a fractional order sliding mode control (FOSMC) is designed to achieve fast response and minimize tracking errors as well as better control quantity without chattering."

3.1. Ứng Dụng Bộ Quan Sát Trạng Thái Mở Rộng ESO Trong CAMB

Bộ quan sát trạng thái mở rộng (ESO) được sử dụng để ước lượng các nhiễu loạn tổng hợp trong hệ thống CAMB, bao gồm nhiễu loạn từ bên ngoài, lực điện từ không chắc chắn, và sự thay đổi tham số. ESO giúp cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống và cho phép bộ điều khiển hoạt động hiệu quả hơn. Tính chất hội tụ của sai số theo dõi được chứng minh bằng lý thuyết Lyapunov. "The convergence properties of the tracking error are analytically proven using Lyapunov’s theory."

3.2. Thiết Kế Điều Khiển Trượt Bậc Phân Số FOSMC Cho CAMB

Điều khiển trượt bậc phân số (FOSMC) được thiết kế để đạt được đáp ứng nhanh, giảm thiểu sai số theo dõi, và cải thiện chất lượng điều khiển mà không gây ra hiện tượng rung lắc. FOSMC sử dụng đạo hàm bậc phân số để tăng cường tính linh hoạt và khả năng điều chỉnh của bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy FOSMC có hiệu suất vượt trội so với các bộ điều khiển SMC truyền thống. "The control performance of the proposed FOSMC-ESO is illustrated in terms of very good disturbance rejection capability that is demonstrated through MATLAB/Simulink simulation results."

3.3. Phân Tích Tính Ổn Định Của Hệ Thống Điều Khiển FOSMC ESO

Tính ổn định của hệ thống điều khiển FOSMC-ESO được phân tích bằng lý thuyết Lyapunov. Chứng minh rằng sai số theo dõi hội tụ về không, đảm bảo rằng hệ thống ổn định và có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Phân tích ổn định là một bước quan trọng để đảm bảo rằng bộ điều khiển có thể được triển khai trong thực tế. "The convergence properties of the tracking error are analytically proven using Lyapunov’s theory."

IV. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Suất Điều Khiển Hệ Thống Ổ Từ

Hiệu suất của bộ điều khiển FOSMC-ESO được đánh giá thông qua mô phỏng trên MATLAB/Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy FOSMC-ESO có khả năng loại bỏ nhiễu loạn tốt và hiệu suất vượt trội so với các bộ điều khiển SMC và ADRC. Các chỉ số hiệu suất như thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, và sai số xác lập được sử dụng để định lượng hiệu suất của các bộ điều khiển khác nhau. Mô phỏng cũng được thực hiện trong các điều kiện khác nhau, bao gồm sự thay đổi tham số và nhiễu loạn từ bên ngoài, để đánh giá tính bền vững của bộ điều khiển. "Comparative simulations combine with three performance indices are performed to quantitatively evaluate the tracking performance of proposed controllers against SMC and ADRC controllers."

4.1. Thiết Lập Mô Phỏng Hệ Thống Ổ Từ Hình Nón Trên MATLAB Simulink

Mô phỏng hệ thống ổ từ hình nón được thiết lập trên MATLAB/Simulink để đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển FOSMC-ESO. Mô hình mô phỏng bao gồm các thành phần chính của hệ thống, bao gồm rotor, bộ truyền động từ tính, cảm biến vị trí, và bộ điều khiển. Mô hình cũng bao gồm các yếu tố gây nhiễu và bất định để đánh giá tính bền vững của bộ điều khiển. "The control performance of the proposed FOSMC-ESO is illustrated in terms of very good disturbance rejection capability that is demonstrated through MATLAB/Simulink simulation results."

4.2. So Sánh Hiệu Suất Của FOSMC ESO Với SMC và ADRC

Hiệu suất của bộ điều khiển FOSMC-ESO được so sánh với các bộ điều khiển SMC và ADRC để đánh giá ưu điểm của phương pháp đề xuất. Các chỉ số hiệu suất như thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, và sai số xác lập được sử dụng để định lượng hiệu suất của các bộ điều khiển khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy FOSMC-ESO có hiệu suất vượt trội so với SMC và ADRC trong các điều kiện khác nhau. "Comparative simulations combine with three performance indices are performed to quantitatively evaluate the tracking performance of proposed controllers against SMC and ADRC controllers."

4.3. Đánh Giá Khả Năng Chống Nhiễu Của Bộ Điều Khiển FOSMC ESO

Khả năng chống nhiễu của bộ điều khiển FOSMC-ESO được đánh giá bằng cách mô phỏng hệ thống trong các điều kiện nhiễu loạn khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy FOSMC-ESO có khả năng loại bỏ nhiễu loạn tốt và duy trì hiệu suất cao trong các điều kiện nhiễu loạn khác nhau. Điều này chứng tỏ tính bền vững của bộ điều khiển và khả năng ứng dụng trong thực tế. "The control performance of the proposed FOSMC-ESO is illustrated in terms of very good disturbance rejection capability that is demonstrated through MATLAB/Simulink simulation results."

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Điều Khiển Phi Tuyến

Luận văn này đã trình bày một giải pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống ổ từ hình nón (CAMB) dựa trên bộ quan sát trạng thái mở rộng (ESO) và điều khiển trượt bậc phân số (FOSMC). Kết quả nghiên cứu cho thấy FOSMC-ESO có khả năng loại bỏ nhiễu loạn tốt và hiệu suất vượt trội so với các bộ điều khiển SMC và ADRC. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc thử nghiệm bộ điều khiển trên hệ thống thực tế và nghiên cứu các phương pháp điều khiển thông minh hơn như điều khiển mờ hoặc mạng nơ-ron. "In addition, comparative simulations combine with three performance indices are performed to quantitatively evaluate the tracking performance of proposed controllers against SMC and ADRC controllers."

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Về Điều Khiển Ổ Từ Hình Nón

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và mô phỏng một bộ điều khiển FOSMC-ESO cho hệ thống ổ từ hình nón. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có khả năng loại bỏ nhiễu loạn tốt và hiệu suất vượt trội so với các bộ điều khiển SMC và ADRC. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến cho hệ thống ổ từ.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Ổ Từ

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc thử nghiệm bộ điều khiển trên hệ thống thực tế, nghiên cứu các phương pháp điều khiển thông minh hơn như điều khiển mờ hoặc mạng nơ-ron, và phát triển các thuật toán tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp giảm thiểu rung lắc trong điều khiển trượt và phát triển các phương pháp ước lượng nhiễu loạn chính xác hơn.

5.3. Ứng Dụng Thực Tế Của Ổ Từ Hình Nón Trong Công Nghiệp

Ổ từ hình nón có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong các thiết bị quay tốc độ cao, độ chính xác cao, và yêu cầu không gian nhỏ gọn. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm máy nén, bơm, tuabin gió, hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà, và thiết bị y tế. Việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho ổ từ hình nón sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong tương lai.