Castelao Caruana, Marcelo J. (2024) Diseño e implementación de diferentes controladores en un levitador magnético para rechazo de perturbaciones de posición / Desing and implementatation of different controllers in a magnetic levitator for rejection of position disturbance. Maestría en Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En el marco de la Maestría en Ingeniería del Instituto Balseiro, se implementaron controladores diseñados con diferentes técnicas de control para el rechazo de perturbaciones del tipo vibratorias en un levitador magnético. La motivación de realizar este levitador y atenuar perturbaciones del tipo vibratorias radica en los cojinetes magnéticos activos de máquinas rotantes. Este levitador trata de captar la dinámica de un cojinete magnético sometidos a cargas axiales, para luego ensayar diferentes algoritmos de control que atenúen esta vibración. Como primera etapa se debió diseñar al Levitador en su conjunto, definiendo estructuras, actuador, perturbación, sensores de posición y corriente, placas amplificadoras, y acondicionamiento de señales, placa de control, etcétera. Como segunda etapa, se caracterizaron e identificaron los distintos parámetros que definen la dinámica del sistema. A partir de estos parámetros, se realizó un modelo matemático del mismo, que permitió diseñar y ensayar los diferentes algoritmos de control a implementar. En una tercera etapa del trabajo, se estudiaron distintos controladores capaces de rechazar perturbaciones del tipo vibratoria en el elemento levitado. A partir de esta investigación se diseñaron e implementaron distintas técnicas de control al sistema Levitador Magnético. Las técnicas de control implementadas fueron: control clásico, control repetitivo, control moderno con estimador MIMO, control moderno con filtro de Kalman para perturbación de frecuencia fija y filtro de Kalman para perturbación de frecuencia variable. Por último, se estudió la performance de los controladores implementados para la atenuación de la perturbación introducida al elemento levitado. Para el estudio de la performance, se calculó el espectro de potencia de la señal de posición del elemento levitado, la desviación estándar de la señal posición y la energía contenida (a través del teorema de Parseval) en la señal de posición con respecto a la posición media.
Resumen en inglés
In the context of the Master's Degree in Engineering at the Balseiro Institute, different control techniques were implemented for the rejection of vibration-type disturbances in a magnetic levitator. The motivation for realising this levitator and attenuating vibration-type disturbances lies in the active magnetic bearings of rotating machines. This levitator tries to capture the dynamics of a magnetic bearing subjected to axial loads, and then implement different control algorithms to attenuate this vibration. To do this, the Levitator had to be designed as a whole, defining structures, actuator, disturbance, position and current sensors, amplifier boards, signal conditioning, control board, etcetera. As a second stage, the different parameters that define the dynamics of the system were characterised and identified. Based on these parameters, a mathematical model of the system was created, which allowed the design and testing of the different control algorithms to be implemented. Then, different controllers capable of rejecting vibration-type disturbances in the levitated element were studied. Based on this research, different control techniques were designed and implemented for the Magnetic Levitator system. The control techniques implemented were: classical control, repetitive control, modern control with MIMO estimator, modern control with Kalman filter for fixed frequency disturbance and Kalman filter for variable frequency disturbance. Finally, the performance of the controllers implemented for the attenuation of the disturbance introduced to the levitated element was studied. For the performance study, the power spectrum of the position signal of the levitated element, the standard deviation of the position signal and the energy contained (through Parseval's theorem) in the position signal with respect to the equilibrium were calculated.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Control theory; Teoría de control; Magnetic bearings; Cojinetes magnéticos; [Active vibration control; Control de vibración activo Dynamic control; Control dinámico; Magnetic levitator; Levitador magnético; Disturbance rejection; Rechazo de perturbación] |
| Referencias: | [1] Federal Institute of Technology Zurich, «ICMB International Center of Magnetic Bearing,» 2024. [En línea]. Available: https://www.ifr.mavt.ethz.ch/research/icmb/. [Último acceso: 2023]. [2] J. Powell y G. Maise, «StarTram: The Magnetic Launch Path to Very Low Cost, Very High Volume Launch to Space,» 2008 14th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, 2008. [3] S. P. C. M. G. M. W. Katherine Mirica, «Magnetic Levitation in the Analysis of Foods and Water,» Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010. [4] M. Morshuis, C. Nojiri y M. Schönbrodt, «DuraHeart magnetically levitated centrifugal left ventricular assist system for advanced heart failure patiens,» 2010. [5] S. G., «Active magnetic bearings-chances and limitations,» 2002. [6] S. Düsterhaupt, H. Neumann, T. Rottenbach y F. Worlitz, «High temperature active magnetic bearings in industrial steam turbines,» The 15th International Symposium on Magnetic Bearings, 2016. [7] M. A. Yoder, «Embedded Linux Wiki,» 19 Marzo 2024. [En línea]. Available: https://elinux.org/EBC_Exercise_36_PREEMPT_RT. [8] S. Skogestad y I. Postlethwaite, Multivariable Feedback Control. Analysis and Design (2nd Edition), Wiley, 2007. [9] G. Hillerström y K. Walgama, «Repetitive Control Theory and Applications - A Survey,» 13th Triennial World Congress, vol. 29, nº ISSN 1474-6670, 1996. [10] J. Cortes-Romero y G. Ramos-Fuentes, «Control GPI-repetitivo para sistemas lineales con incertidumbre/variacion en los parametros,» Tecno Lógicas, vol. 18, nº ISSN 0123-7799, pp. 13-24, 2015. [11] M. Tomizuka y C. Kempf, «Design of Discrete Time Repetitive Controllers with Applications to Mechanical Systems,» IFAC Proceedings Volumes, nº ISSN 1474-6670, pp. 243-248, 1990. [12] D. W. B. Z. Y. W. J. F. S. d. H. Keliang Zhou, «Dual-mode structure digital repetitive control,» Automatica, Vols. %1 de %2Volume 43, Issue 3, nº ISSN 0005-1098, pp. 546-554, 2007. [13] L. Cuiyan, Z. Dongchun y Z. Xianyi, «A Survey of Repetitive Control,» RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 1160-1166 vol.2, 2004. [14] G. Franklin, D. Powell y A. Emami-Naeimi, Feedback Control of Dynamics Systems 6th ed., Pearson, 2009. [15] K. Ogata, Sistemas de Control en Tiempo Discreto - 2da Edicion, Pearson Educacion, 1996. [16] R. Dorf y R. Bishop, Modern Control Systems 12th ed., Prentice Hall, 2011. [17] W. P. Kloster, «Estimador Asintotico de Estados. Caso MIMO Observable,» Mar del Plata, 2020. [18] H. Yaghoubi, «The most important maglev applications,» 2013. [19] N. R. a. G. H. a. S. E. L. Hemenway, «Magnetic Bearing Technology for Industrial Bearingless Motor Systems,» 2019 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD), vol. 1, 2019. [20] G. Yang, Z. Shi, N. Mo y L. Zhao, «Research on active magnetic bearing applied in Chinese modular high-temperature gas-cooled reactor,» vol. 77, nº 0149-1970. [21] MatLab - MathWorks, «Centro de Ayuda - pwelch,» [En línea]. Available: https://la.mathworks.com/help/signal/ref/pwelch.html. [Último acceso: 2023]. |
| Materias: | Ingeniería > Teoría de control |
| Divisiones: | Energía nuclear > Ingeniería nuclear > Control de procesos |
| Código ID: | 1277 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 13 Sep 2024 10:36 |
| Última Modificación: | 13 Sep 2024 10:36 |
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