1
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu của luận văn
Ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm
công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm
công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích
thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần (5 năm) khi các nghiên cứu
thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế
vòng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc
phòng và công nghiệp vũ trụ, sẽ là điều tất yếu.
Việc điều khiển ổ đỡ từ đảm bảo chất lượng trong những điều kiện làm việc
nhất định là hết sức cần thiết. Vì vậy mục tiêu của đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều
khiển mờ lai nhằm cải thiện chất lượng cho ổ đỡ từ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về mô tả toán học cho ổ đỡ từ bốn bậc tự do, sau đó đưa mô hình đó
về dạng mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc.
- Khảo sát chất lượng điều khiển ổ đỡ từ bằng bộ điều khiển PID bằng mô
phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
- Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so
với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ.
Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ chủ động 4 bậc tự do.
Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do sử dụng bộ điều
khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm.
Chương 4: Đề xuất nâng cao chất lượng điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ
điều khiển mờ lai.
Kết luận và kiến nghị.
2
Chương 1

2. Trong lĩnh vực Công nghệ sinh học
3. Trong lĩnh vực Công nghệ chân không
4. Trong lĩnh vực kỹ thuật công nghệ chính xác
5. Trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng
6. Trong lĩnh vực kỹ thuật hàng không
7. Trong lĩnh vực động lực học (máy nổ, máy phát, turbin).
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ổ đỡ từ
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về ổ đỡ từ.
- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là ổ đỡ từ chủ động (4 bậc tự do).
- Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ lai để điều khiển ổ đỡ từ trong các hệ
thống truyền động điện.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về ổ đỡ từ, trong chương 2 sẽ đi sâu
nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ truyền động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc tự do.
4
Chương 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG
4 BẬC TỰ DO
2.1. Đặt vấn đề
Việc nghiên cứu một hệ thống điều khiển nói chung cần phải xây dựng cấu trúc
điều khiển với bộ điều khiển và đối tượng cần điều khiển, trong đó đối tượng cần điều
khiển được quan tâm đầu tiên trong quá trình nghiên cứu hệ thống.
Để đưa ra giải pháp thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng, thì cần thiết phải xây
dựng được một mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của đối tượng. Mô hình là một
hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có
thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về đối
tượng điều khiển, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà
không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực. Mô hình giúp cho việc

Giả thiết không có từ thông dò:
a fe
y y y
= =
a
C C I
r r a r
S Ni
Ni
x l l l l
x
S
0
0 I
0
0 0 0
2
1
2
m
y
m mm mm m
= =
é ù é ù
+
ê ú ê ú
+ + +
ê ú ê ú
ë û ë û
(2.7)

S
fe
S
a
l
C
+ l
I
+ 2x
0
i
Ψ
R
g
R
I
R
c
R
g
Ni
Hình 2.2: Mạch từ hoá tương đương
Ni – Sức từ động (MMF)
R
c,
R
I
- Từ trở tương ứng trong lõi từ
C và lõi từ hình chữ I
R

g
a
x
R
S
m
=
(2.10)
t cm L l t s ca t thụng dõy qun sinh ra bi mt vũng dõy vi dũng
in chy trong vũng dõy ú. i vi mt cun dõy cú N vũng dõy, t cm ca
cun dõy c xỏc nh bng:
N
L
i
y
=
(2.11)
trong ú l t thụng tng sinh ra bi 1 vũng dõy.
t cm L ca mch t cng cú th c tớnh gn bng:
2
0
0
2
a
N S
L
x
m
=
(2.12)

2.2.4. Lc in t khi khụng k n t húa lừi thộp
2
2 2
2 2
0 a 0 a 0 a
2 2
0 0 0
Ni 1 i i 1
F S N S K ; K N S
2x 4 x x 4
m m m
ổ ử
ữ
ỗ
ữ
= = = =
ỗ
ữ
ỗ
ữ
ỗ
ố ứ
(2.17)
7
2.2.5. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB
Khi khe hở không khí thay đổi một lượng x so với vị trí ban đầu là x
0
do dòng
điện đầu vào thay đổi một lượng i so với dòng điện phân cực i
0

= - +
ê ú ê ú
ê ú ê ú
ë û ë û
(2.19)
Sử dụng phương pháp khai triển Taylor theo cho (2.19) ta có:
2
2 3 2
0
2 2 3 2
0 0 0 0 0 0
i
x x x i i
F K 1 2 3 4 1 2
x x x x i i
é ùé ù
ê úê ú
= + + + + + + +
ê úê ú
ë ûë û
(2.20)
Thông thường dòng điện điều khiển là rất bé, đặc biệt là trong chế độ xác lập
dòng điện này thường có giá trị bằng 0. Do vậy, sẽ được bỏ qua các thành phần bậc
cao. Khi đó, (2.20) có thể được viết lại như sau [19]:
e a n
F F K i K x= + +
(2.21)
trong đó:
2
0

e
F mg=
(2.22)
và phương trình chuyển động của hệ thống ổ đỡ từ có thể được viết:
mx F mg= -
&&
(2.23)
Từ các phương trình (2.21), (2.22) và (2.23) ta có:
a n
mx K i K x= +
&&
(2.24)
Đây chính là phương trình cơ bản để mô tả chuyển động của một vật được nâng
bằng lực điện từ theo một phương cố định.
Hình 2.3: Một số cấu trúc điển hình của ổ đỡ từ chủ động
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của ổ đỡ từ
8
2.3. Xây dựng mô hình toán của ổ đỡ từ 4 cực
2.3.1. Các dạng cấu trúc ổ đỡ từ
Các phương pháp bố trí cực từ hiện nay được phân thành ba loại chính là loại ba
cực, loại bốn cực và loại tám cực như được minh họa trong Hình 2.3 a,b,c.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là ổ đỡ từ chủ động 4 cực.
2.3.2. Cấu trúc của hệ nâng từ trường 4 bậc tự do
Một sơ đồ cấu trúc tổng quát của mô hình nâng vật chuyển động sử dụng ổ đỡ
từ 4 bậc tự do được mô tả như hình 2.4:
9
2.3.3. Xây dựng mô hình toán học
Cũng giống như các loại máy điện khác trong công nghiệp, mô hình toán học
của ổ đỡ từ cũng được phân tích dựa trên sơ đồ mạch từ tương đương. Ở mục 2.2 quá
trình phân tích được tiến hành dựa trên việc tính toán các điện cảm, mật độ từ thông và

thường nhỏ hơn rất nhiều so với khe hở không khí tại vị trí cân bằng x
0
, do đó các
lực nâng này có thể được viết như sau:
2
0 0
1 1 1 1 1
2 3
0 0
2
0 0
2 2 2 2 2
2 3
0 0
2 2
2 2
p p
x x a x n
p p
x x a x n
SH N SH
F i x K i K x
x x
SH N SH
F i x K i K x
x x
m m
m m
ì
ï

0
3
0
2
p
n
SH
K
x
m
=

là hệ số tỷ lệ với độ dịch chuyển
Mặt khác cũng từ hình 2.7, các lực nâng tại vị trí đặt ổ đỡ từ có thể chuyển
tương đương về vị trí trọng tâm của trục rotor như sau:
1 2
2 2
1 2
( ) 2 2
( ) 2( ) 2( )
2 2 2 2
x a x x n a xs n
a a a a
x a x x n x a xd n x
F K i i K x K i K x
h h h h
T K i i K K i K
q q
ì
ï

a a a a
y a y y n y a yd n y
F K i i K y K i K y
h h h h
T K i i K K i K
q q
ì
ï
= + + = +
ï
ï
ï
í
ï
= + + = +
ï
ï
ï
î
(2.33)
Kết quả ta thu được phương trình chuyển động của trục rotor như sau:
2
2
2
2
2 2
2
2
2 2
x a xs n

ç
÷
÷
ç
ï
è ø
ï
í
ï
= + =
ï
ï
ï
æ ö
ï
÷
ï
ç
÷
= + =ï
ç
÷
ï
ç
÷
÷
ç
ï
è ø
ï

với u(t) = u
P
+ u
I
+ u
D
⇔
Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ sung hoàn hảo của 3 trạng
thái, 3 tính cách khác nhau:
Phục tùng và làm việc chính xác (P)
Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)
Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D)
Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO theo
nguyên lý phản hồi (feedback) như hình vẽ:
P
I
D
u(t)
u
P
u
I
u
D
e(t)
PID
y(t)
x(t)
e(t)
u(t)

∫
sT
sT
1
1K
sK
sU
sW
dt
tde
Tdtte
T
1
teKtu
D
I
PDKD
I
P
Việc xác định các thông số K
P
, T
I
, T
D
quyết định chất lượng hệ thống và ta có
các phương pháp thường gặp:
Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t)
Phương pháp thiết kế trên miền tần số
Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.

Trường hợp thí nghiệm với tốc độ 8000 v/ph: Tham số bộ điều khiển K
p
=
38.000; K
d
= 0.06

16
Nhận xét:
Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống truyền động sử dụng ổ đỡ từ 4 bậc
tự do làm việc ổn định với điều khiển PID tương tự như mô phỏng đó là đáp ứng của
hệ xác lập ở vị trí trong phạm vi cho phép để trục quay được với tốc độ cao với khe hở
danh định là 2 mm. Qua thí nghiệm cũng cho thấy với thông số bộ điều khiển PID hợp
lý và hệ làm việc ở tốc độ cao (8000v/ph) thì chất lượng làm việc của hệ khá tốt thể
hiện trên hình 3.28.
3.4. Kết luận chương 3
Chương 3 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan và các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID.
- Thiết kế được bộ điều khiển PID theo mô hình tuyến tính hoá đảm bảo điều
khiển ổn định cho hệ với một tín hiệu đầu vào mong muốn.
- Đánh giá chất lượng của hệ thống qua mô phỏng trong các trường hợp không
có nhiễu và có nhiễu tác động.
- Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển qua kết quả thí nghiệm.
17
Chương 4
ĐỀ XUẤT NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 4 BẬC TỰ DO
BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ
Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi một mô hình toán
học hoặc có thể mô tả được song mô hình của nó lại phức tạp và phi tuyến, hay có các

4<x<10} như hình 4.1:
Ngoài ra tập mờ còn được biểu diễn bởi các hàm liên thuộc:
- Hàm hình thang
18
- Hàm Gauss
- Hàm hình chuông
- Hàm Singleton (hay Kronecker)
4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối hợp
thành, khối luật mờ và khối giải mờ (hình 4.2).

4.1.2. Bộ điều khiển mờ
4.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động
Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ có xét tới các trạng thái động của
đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ
ngoài tính hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm, tích phân của sai lệch
giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các thay đổi đột xuất của đối tượng.
Các bộ điều khiển mờ hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỷ
lệ tích phân, tỷ lệ vi phân và tỷ lệ vi tích phân(I, PI, PD và PID).
4.1.2.2. Điều khiển mờ thích nghi
Khối mờ
hoá
Khối hợp
thành
Khối giải
mờ
Khối luật mờ

Hình 4.18: Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào
20
Hình 4.20: Các luật điều khiển mờ
Hình 4.19: Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra
21
4.2.3. Luật điều khiển và luật hợp thành
Luật hợp thành được xây dựng trên cơ sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN.
4.2.4. Giải mờ
Giải mờ được thực hiện theo phương pháp điểm trọng tâm.
Giá trị rõ x được xác định theo phương pháp điểm trọng tâm như ở công thức:

dx)x(
dx)x(.x
x
S
B
S
B
0
∫
∫
µ
=
μ
Trong đó: S là miền xác định của tập mờ B.
4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink
4.3.1. Sơ đồ mô phỏng
Hình 4.21: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp mờ lai và phương pháp PID
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-1

PID
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10
-4
t(s)
y2 ( m )
Dap ung theo phuong y cua o do tu 2
Mo
PID
22
4.3.2. Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ lai với bộ điều khiển PID
+ Trường hợp không có nhiễu tác động:
Hình 4.24: Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ 1
Hình 4.23: Đáp ứng theo trục y của ổ đỡ từ 1
Hình 4.25: Đáp ứng theo trục y của ổ đỡ từ 2
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-2
0
2
4

0
2
4
6
8
10
x 10
-4
t(s)
x2 ( m )
Dap ung theo truc x cua o do tu 2
Mo
PID
23
+ Trường hợp có nhiễu tác động:
Hình 4.26: Đáp ứng theo trục x của ổ đỡ từ 2
Hình 4.27: Đáp ứng theo trục y và x của ổ đỡ từ 1
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10

- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ.
- Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ lai để thiết kế bộ điều khiển
cho đối tượng.
- Mô phỏng hệ thống.
- Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ổ đỡ từ 4 bậc tự do bằng bộ điều
khiển mờ lai so với phương pháp điều khiển PID.
Hình 4.28: Đáp ứng theo trục y và x của ổ đỡ từ 2