Sterowanie układem zawieszenia magnetycznego

Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział: Automatyki, Elektroniki i Informatyki
Kierunek: Automatyka i Robotyka
Specjalność: Komputerowe systemy sterowania
Sterowanie układem
zawieszenia magnetycznego
Promotor:
dr inż. Zbigniew Ogonowski
Maciej Twardysko
Zawieszenie magnetyczne
Idea zawieszenia magnetycznego staje się
coraz popularniejsza i jest już obecnie
wykorzystywana w bardzo wielu urządzeniach.
Przede wszystkim zastępuje ono w wielu
dziedzinach tradycyjne łożyska. Góruje nad nimi
przede wszystkim znacznym zmniejszeniem
tarcia w ruchu obrotowym i nie tylko oraz
potrzebnej energii do napędzania np. wirników i
zasilania.
Przykład
Sprężarka Turbocor montowana w agregatach chłodniczych firmy RC
GROUP :
Przykład c.d.
Moc elektryczna potrzebna do zasilania sprężarki z
zawieszeniem magnetycznym ok. 180 W
Moc w porównywalnej klasycznej sprężarce potrzebna
na pokonanie sił tarcia w łożyskach to ok. 10 000 W
Ponieważ nie występuje tarcie nie ma problemu
związanego z przegrzewaniem się elementów ruchomych
Cel Pracy:
Opracowanie i zaimplementowanie różnego
typu algorytmów sterowania dla rzeczywistego
układu zawieszenia magnetycznego MBC 500
Stanowisko badawcze
Układ zawieszenie magnetycznego MBC-500
Komputer PC z kartą DS1104
Układ sterowania ciśnieniem:
– Układ załączający on/off
– Przetwornik ciśnienia Keller PA-21SR
– Kompresor Toya
Układ sterowania prędkością:
–
–
–
–
–
Koło napędowe z łopatkami
Przeciwbieżne dysze
Zawory
Enkoder
Układ elektroniczny
Budowa MBC-500
Budowa MBC-500 c.d.
Model fenomenologiczny zawieszenia
magnetycznego
Xo-przemieszczenie środka masy wirika
x1,x2-przemieszczenie lewego i prawego końca wirnika (przy łożysku)
X1,X2-przemieszczenie lewego i prawego końca wirnika (przy czujnikach hallotronowych)
Θ-kąt odchylenia osi wirnika od położenia w stanie równowagi
F1,F2-siły wynikające z oddziaływań poszczególnych łożysk magnetycznych
L-całkowita długość wirnika
l-odległość łożyska od końca wirnika
l2-odległość czujników od końca wirnika
m-masa
Model fenomenologiczny zawieszenia
magnetycznego c.d.
Z bilansu sił, momentów sił i zależności geometrycznych można wyprowadzić
równana opisujące dynamikę układu:
Model fenomenologiczny zawieszenia
magnetycznego c.d.
Linearyzując funkcje sin(Θ) i cos(Θ) wokół punktu Θ=0, otrzymujemy
opis układu w przestrzeni stanów:
Model fenomenologiczny zawieszenia
magnetycznego c.d.
Zależności pomiędzy siłami oddziaływującymi na łożysko a
natężeniem prądu przepływającym przez uzwojenia jest
następujące:
gdzie: icontrol -prąd płynący przez i-te uzwojenie
i
Model fenomenologiczny zawieszenia
magnetycznego c.d.
W układzie MBC-500 sygnałem sterującym jest napięcie, które jest
przetwarzane przez wzmacniacze na prąd płynący przez uzwojenia
elektromagnesów. Wzmacniacze wprowadzają dodatkowa dynamikę
opisaną za pomocą następujących równań:
gdzie: Vcontroli[V] – sterowanie i-tym uzwojeniem
Model fenomenologiczny zawieszenia
magnetycznego c.d.
Odchylenie X1 i X2 mierzone są czujnikami hallotronowymi, których
wyjściem jest napięcie Vsensei zależne od wartości odchyleń Xi
zgodnie z równaniem:
Dzięki tej zależności oraz funkcji przejścia C(s) każdego z wbudowanych
regulatorów możemy wyznaczyć napięcie sterowania:
Główne etapy pracy:
Przeprowadzenie symulacji i testów dla opracowanego modelu
matematycznego, rozszerzenie o modele rezonansu,
identyfikacja modeli liniowych – lub ich obliczenie z linearyzacji
Dobór odpowiednich algorytmów sterowania – rozszerzenie
algorytmów opracowanych dotąd (WMV, ster. Adapt.)
Implementacja algorytmów adaptacyjnych na DSP przy
pomocy matlaba
Algorytmy sterowania drganiami zależne od układu sterowania
obrotami
Ewent. Dopracowanie alg. Sterowania obrotami.
Dotychczasowe badania
Analiza prac już wykonanych na układzie MBC-500
Testowanie zaimplementowanych algorytmów
sterowania prędkością
Próby modyfikacji algorytmów śledzenia za
zmianami wartości zadanej prędkości