Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển các giải thuật sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điều khiển động cơ xoay chiều

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Đề xuất một số thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều; đề xuất một số thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển các giải thuật sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điều khiển động cơ xoay chiều

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LÊ HÙNG LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2016
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… LÊ HÙNG LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TSKH. PHẠM THƢỢNG CÁT 2. TS. PHẠM MINH TUẤN Hà Nội – 2016
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả đƣợc viết chung với các tác giả khác đều đƣợc sự đồng ý của đồng tác giả trƣớc khi đƣa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Hùng Linh
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TSKH. Phạm Thƣợng Cát và TS. Phạm Minh Tuấn, hai thầy đã định hƣớng và tận tình hƣớng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và các đơn vị trong Nhà trƣờng đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi có thể thực hiện nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phòng Công nghệ Tự động hóa – Viện Công nghệ thông tin, các đồng nghiệp thuộc Khoa Công nghệ Tự động hóa - Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã động viên và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, các bạn đồng nghiệp - những ngƣời luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày 18 tháng 01 năm 2016 Tác giả luận án Lê Hùng Linh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................v DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .............................................................................................................5 1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................5 1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều .......................6 1.3 Các vấn đề nghiên cứu của luận án .............................................................19 CHƢƠNG 2 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH ............................20 2.1 Mô hình động cơ xoay chiều.........................................................................21 2.1.1 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha..................................................22 2.1.2 Chuyển đổi các hệ trục tọa độ tham chiếu ...............................................23 2.1.3 Mô hình hai pha của động cơ không đồng bộ ba pha ..............................25 2.2 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) ..............................................27 2.2.1 Xây dựng mô hình toán học bộ điều khiển ..............................................28 2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ ......................................29 2.2.3 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng ..................................................................32 2.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng ................................................................34 2.3 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (,) ......................39 2.3.1 Xây dựng mô hình bộ điều khiển .............................................................39 2.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông rotor ........................44 2.3.3 Kết quả mô phỏng ....................................................................................48
iv 2.4. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................52 CHƢƠNG 3 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH ............................54 3.1 Bài toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor của động cơ cảm ứng .........54 3.2 Phát triển các thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông của động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định ...........................................56 3.2.1 Xây dựng bộ ƣớc lƣợng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và tự thích nghi ...56 3.2.1.1 Tách thành phần chứa giá trị của  và  ........................................58 3.2.1.2 Xây dựng bộ ƣớc lƣợng tốc độ  và giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor  của động cơ. ......................................................................61 3.2.2 Xây dựng bộ tự thích nghi ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông ........................64 3.3 Mô hình ứng dụng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) không sử dụng cảm biến tốc độ ....................................................................................................67 3.3.1 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.1.........................................68 3.3.2 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.2.........................................72 3.4 Mô hình ứng dụng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (α,β) không sử dụng cảm biến tốc độ ....................................................................................................75 3.4.1 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.1.........................................76 3.4.2 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.2.........................................81 3.5 Kết luận chƣơng 3 .........................................................................................85 4. KẾT LUẬN ......................................................................................................87 4.1. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án.........................................87 4.2. Những đóng góp khoa học mới của luận án: .............................................87 4.3. Định hƣớng nghiên cứu phát triển .............................................................88 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................90
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Đơn vị Ký hiệu Mô tả tính ωs Rad/s Tốc độ góc đồng bộ ω Rad/s Tốc độ góc của rotor ωe Rad/s Tốc độ góc trƣợt Dòng vào các cuộn dây stator trên hệ trục tọa isu , isv , isw A độ ba pha Thành phần dọc và ngang của dòng điện stator is , is A trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) T Véc tơ dòng điện stator trên hệ trục tọa độ cố i s  is is  A định (α,β) Thành phần dọc và ngang của dòng điện rotor isd , isq A trên hệ trục tọa độ quay (d,q) T Véc tơ dòng điện stator trên hệ trục tọa độ i sdq  isd isq  A quay (d,q) Thành phần dọc và ngang của điện áp stator u , u V trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ cố u s   u , u  T V định (α,β) Thành phần dọc và ngang của điện áp stator usd , usq V trên hệ trục tọa độ quay (d,q) T Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ quay u sdq  usd usq  V (d,q) Thành phần dọc và ngang của từ thông rotor  r , r  Wb trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) T Véc tơ từ thông rotor trên hệ trục tọa độ cố ψ r   r  r   Wb định (α,β)
vi Đơn vị Ký hiệu Mô tả tính Thành phần dọc và ngang của từ thông rotor  rd , rq Wb trên hệ trục tọa độ quay (d,q) T Véc tơ từ thông stator trên hệ trục tọa độ quay ψ rdq   rd  rq  Wb (d,q) B Nms/rad Hệ số ma sát J Nms2/rad Quán tính của rotor mL Nm Mô men tải mM Nm Mô men của động cơ Lr H Cảm kháng của cuộn dây rotor Lm H Hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn dây rotor Ls H Cảm kháng của cuộn dây stator Rs  Điện trở của cuộn dây stator Rr  Điện trở của cuộn dây rotor Góc lệch giữa trục của rotor với trục tham  Rad chiếu α Góc lệch giữa trục của từ thông với trục tham s Rad chiếu α zp Số đôi cực Ls Ts  Hằng số thời gian stator Rs Lr Tr  Hằng số thời gian rotor Rr 1  Giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor Tr 3P Lm K Hằng số mô men 2 Lr
vii Đơn vị Ký hiệu Mô tả tính L2m   1 Ký hiệu Ls Lr Lm  Ký hiệu  Ls Lr *, ref Giá trị tham chiếu, mong muốn ͡ Giá trị đã biết ^ Giá trị ƣớc lƣợng Sai lệch giữa giá trị ƣớc lƣợng và giá trị tham ~ chiếu, mong muốn DC Một chiều AC Xoay chiều MRAS Mô hình hệ thống tham chiếu thích nghi Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural ANN Network) Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function RBF Networks) Tựa từ thông tự nhiên (Natural Flux NFO Orientation) RFO Tựa từ thông rotor (Rotor Flux Oriented) SFO Tựa từ thông stator (Stator Flux Oriented) Điều chế độ rộng xung (Pulse Width PWM Modulation) Điều khiển gián tiếp tựa từ thông rotor IRFO (Indirect Rotor Flux Oriented)
viii Đơn vị Ký hiệu Mô tả tính Điều khiển trực tiếp tựa từ thông rotor (Direct DRFO Rotor Flux Oriented) Điều khiển trực tiếp mô men (Direct Torque DTC Control)
ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số ........................8 Hình 1.2 Mô hình điều khiển trực tiếp tựa từ thông DRFO .....................................11 Hình 1.3 Mô hình điều khiển gián tiếp IRFO...........................................................12 Hình 1.4 Mô hình cơ bản của điều khiển trực tiếp mô men DTC ............................13 Hình 1.5 Mô hình điều khiển động cơ cảm ứng xoay chiều ....................................18 Hình 2.1 Biểu diễn véc tơ dòng điện is trên hệ trục tọa độ (d,q), (α,β) và (u,v,w) [2] ...................................................................................................................................23 Hình 2.2 Mô hình điều khiển động cơ ......................................................................28 Hình 2.3 Bộ điều chỉnh tốc độ rotor động cơ ...........................................................32 Hình 2.4 Bộ điều chỉnh dòng ....................................................................................33 Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref ...........................................................35 Hình 2.6a mL2 thành phần tải không biết trƣớc khi khoan các lỗ vào vật liệu .........35 Hình 2.6b ΔmL thành phần tải không biết trƣớc phụ thuộc vào kết cấu vật liệu ......36 Hình 2.6c mL thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống ..................................36 Hình 2.7 Vận tốc thực của rotor khi sử dụng mạng nơ ron ......................................36 Hình 2.8 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor .......37 Hình 2.9 Thời gian quá độ vận tốc góc khi tải với mL..............................................37 Hình 2.10 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor .....37 khi không sử dụng mạng nơ ron................................................................................37 Hình 2.11 Vận tốc góc thực của rotor khi không sử dụng mạng nơ ron ..................38 Hình 2.12 Mô hình điều khiển động cơ ....................................................................39 Hình 2.13 Cấu trúc mạng nơ ron RBF xấp xỉ đại lƣợng f ........................................45 Hình 2.14 Bộ điều khiển tốc độ và từ thông rotor động cơ ......................................48 Hình 2.15 ΔRr thay đổi theo thời gian ......................................................................48 Hình 2.16 Vận tốc góc thực của rotor ......................................................................49 Hình 2.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor .....49 Hình 2.18 Thời gian quá độ vận tốc góc với tải mL ..................................................49 Hình 2.19 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2 ref và từ thông thực tế  r2 ............50
x Hình 2.20 Thời gian quá độ giữa từ thông thực tế  r2 và từ thông mong muốn  r2 ref ...................................................................................................................................50 với tải mL ...................................................................................................................50 Hình 2.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor khi v1=0 ...........................................................................................................................50 Hình 2.22 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2 ref và từ thông thực tế  r2 khi v1=0 ...................................................................................................................................51 Hình 3.1 Mô hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến .............................55 Hình 3.2 Bộ ƣớc lƣợng tốc độ, hằng số thời gian rotor ............................................55 Hình 3.3 Sơ đồ bộ ƣớc lƣợng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor và từ thông rotor ........................................................................................................57 Hình 3.4 Sơ đồ bộ ƣớc lƣợng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor và từ thông rotor ........................................................................................................64 Hình 3.5 Mô hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ ..................68 Hình 3.6 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...............................................................68 Hình 3.7 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................69 Hình 3.8 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với tải mL ...................69 Hình 3.9 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với không tải .............69 Hình 3.10 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................70 Hình 3.11 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................70 Hình 3.12 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................71 Hình 3.13 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor .............................................................72 Hình 3.14 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................72 Hình 3.15 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với tải mL .................73 Hình 3.16 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor khi không có tải ......73 Hình 3.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................74
xi Hình 3.18 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................74 Hình 3.19 Mô hình điều khiển động cơ sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông .75 Hình 3.20 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor .............................................................76 Hình 3.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................76 Hình 3.22 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn với tải mL..........................................................................................................................77 Hình 3.23 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn khi không có tải ...............................................................................................................77 Hình 3.24 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2ref và từ thông ƣớc lƣợng ˆ r2 của rotor ...........................................................................................................................77 Hình 3.25 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng ˆ r2 ổn định theo từ thông mong muốn  r2ref với tải mL ..........................................................................................................78 Hình 3.26 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng  r2 ổn định theo từ thông mong muốn  r2 ref khi không tải ....................................................................................................78 Hình 3.27 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................79 Hình 3.28 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................79 Hình 3.29 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................80 Hình 3.30 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor .............................................................81 Hình 3.31 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................81 Hình 3.32 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn ....82 Hình 3.33 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn khi không tải ....................................................................................................................82 Hình 3.34 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2ref và từ thông ƣớc lƣợng ˆ r của 2 rotor ...........................................................................................................................82
xii Hình 3.35 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng  r2 ổn định theo từ thông mong muốn  r2 ref với tải mL ..........................................................................................................83 Hình 3.36 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng  r2 ổn định theo từ thông mong muốn  r2 ref khi không tải ....................................................................................................83 Hình 3.37 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................84 Hình 3.38 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...................................................................................................................................84
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Động cơ xoay chiều ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng nhƣ trong dân dụng do các tính năng ƣu việt cấu trúc nhỏ gọn, công suất lớn cũng nhƣ hiệu quả kinh kế, thuận tiện trong việc thiết kế, điều khiển và bảo dƣỡng. Động cơ xoay chiều đƣợc ứng dụng trong máy bơm, máy nén, trong ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt, quạt công nghiệp hay dân dụng, thang máy, máy nâng hạ, máy kéo, cần cẩu trong ngành xây dựng, robot hay trong tàu biển... Do vậy, trong ba thập kỷ gần đây động cơ xoay chiều đã thay thế động cơ một chiều do loại bỏ đƣợc các nhƣợc điểm của động cơ một chiều nhƣ chi phí bảo dƣỡng cao đối với hệ thống cổ góp - chổi than, mô men quán tính cao, không an toàn trong môi trƣờng rung chấn, dễ cháy nổ. Các động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rất rộng rãi do các tính năng vƣợt trội của nó. Tuy nhiên, để khai thác triệt để hơn loại động cơ này có nhiều vấn đề đặt ra cần đƣợc giải quyết. Mặc dù trong và ngoài nƣớc đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và hạ giá thành sản phẩm, nhƣng các kết quả đạt đƣợc vẫn còn bộc lộ nhiều hạn chế. Chẳng hạn các phƣơng pháp sử dụng bộ lọc Kalman, lọc phi tuyến hay bộ quan sát theo chế độ trƣợt để ƣớc lƣợng tốc độ góc và từ thông của động cơ nhƣng hiệu quả điều khiển phụ thuộc căn bản vào thuật toán điều khiển, ƣớc lƣợng các đại lƣợng cần thiết và độ chính xác của mô hình động cơ gây nên những khó khăn đáng kể. Mô hình toán của động cơ thƣờng khó đạt độ chính xác mong muốn vì trong hệ thống chứa nhiều tham số không xác định trƣớc nhƣ các hệ số ma sát, mô men quán tính và điện trở…, chúng thƣờng thay đổi trong quá trình vận hành. Ngoài ra, việc ƣớc lƣợng các đại lƣợng cần thiết nhƣ tốc độ góc hay từ thông động cơ dùng làm các thông tin cho các bộ điều khiển thay cho các cảm biến đòi hỏi đạt đƣợc độ chính xác mong muốn là những vấn đề khó và cần tiếp tục nghiên cứu. Trong những năm gần đây, sự phát triển của mạng nơ ron nhân tạo đã góp phần rất lớn vào việc giải quyết các bài toán trong điều khiển, đặc biệt đối với các đối tƣợng điều khiển có đặc trƣng phi 1
tuyến và tham số bất định. Mạng nơ ron nhân tạo đã cho phép xử lý các yếu tố phi tuyến khá tùy ý trong các hệ điều khiển với các trọng số tự chỉnh khi vận hành. Với lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển các giải thuật sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điều khiển động cơ xoay chiều” để phát triển một số thuật toán ƣớc lƣợng thông số và điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định. Đối tƣợng nghiên cứu Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có các tham số bất định nhƣ điện trở của rotor, mô men quán tính, hệ số ma sát và tải thay đổi. Mục đích nghiên cứu Đề xuất một số thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều. Đề xuất một số thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều. Phạm vi nghiên cứu Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định. Các phƣơng pháp, thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ. Các thuật toán ƣớc lƣợng thông số của động cơ. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án thể hiện qua các trình tự tiến hành công việc nhƣ sau: 1. Phân tích và xây dựng mô hình toán học của động cơ xoay chiều có các tham số bất định và tải tác động vào động cơ. 2. Tìm hiểu, phân tích các phƣơng pháp, thuật toán điều khiển hiện đại để xây dựng thuật toán điều khiển mới. 2
3. Tìm hiểu, phân tích các thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông động cơ hiện đại và chọn lựa cách tiếp cận phù hợp để tiến hành đề xuất các thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor. 4. Chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán đề xuất bằng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat. 5. Tiến hành kiểm chứng các thuật toán điều khiển và ƣớc lƣợng tốc độ, từ thông trên mô hình động cơ bằng công cụ mô phỏng Matlab. Ý nghĩa của đề tài - Ý nghĩa về lý thuyết: Đóng góp các thuật toán ƣớc lƣợng và điều khiển tốc độ sử dụng mạng nơ ron và tự thich nghi cho động cơ xoay chiều với nhiều tham số bất định. - Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng một số mô hình điều khiển động cơ xoay chiều với nhiều tham số bất định không sử dụng cảm biến tốc độ. Những kết quả mới của luận án Dựa trên mô hình toán học động cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định và tải tác động vào động cơ, tác giả đã phát triển một số thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không sử dụng cảm biến tốc độ. Cụ thể nhƣ sau: - Đề xuất 02 thuật toán điều khiển: + Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều với nhiều tham số bất định và tải thay đổi trên hệ trục tọa độ (d,q) sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để bù các giá trị bất định. + Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều với nhiều tham số bất định và tải thay đổi sử dụng phƣơng pháp không tách kênh trên hệ trục tọa độ (α,β). - Đề xuất 02 thuật toán ƣớc lƣợng thông số động cơ: + Thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và bộ tự thích nghi. 3
+ Thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông động cơ sử dụng bộ tự thích nghi. Kết hợp thuật toán điều khiển và thuật toán ƣớc lƣợng các thông số trên mô hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến đo tốc độ. Chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán điều khiển, ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông động cơ. Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán điều khiển, ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông bằng công cụ mô phỏng Matlab. Công bố 06 công trình liên quan đến luận án trên các tạp chí, hội thảo trong nƣớc và ngoài nƣớc. Bố cục luận án gồm 03 chƣơng: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển, ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều. Từ các vấn đề đó đi đến định hƣớng trong nghiên cứu của luận án. Chƣơng 2: Trình bày mô hình động cơ xoay chiều. Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ trên hai hệ trục tọa độ quay (d,q) và cố định (α,β) với các tham số bất định và tải thay đổi trong quá trình hoạt động. Bộ điều khiển sử dụng mạng nơ ron để nhận dạng và bù online các tham số bất định. Đồng thời chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán điều khiển và mô phỏng kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán đã đề xuất bằng công cụ Matlab. Chƣơng 3: Xây dựng 02 thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều trên cơ sở mạng nơ ron, bộ điều chỉnh tự thích nghi và chứng minh sự ổn định tiệm cận của các thuật toán ƣớc lƣợng. Đồng thời kết hợp với thuật toán điều khiển ở chƣơng 2 để xây dựng thành hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không sử dụng các bộ cảm biến tốc độ và từ thông. Mô phỏng trên Matlab để chứng minh khả năng kết hợp của các thuật toán điều khiển và ƣớc lƣợng. 4
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong đời sống do các tính năng ƣu việt về cấu trúc, công suất cũng nhƣ hiệu quả kinh tế, thuận tiện trong việc thiết kế và điều khiển. Nhờ sự tiến bộ của các thiết bị bán dẫn hiện đại, transitor lƣỡng cực và công nghệ xử lý tín hiệu số, sự phát triển của khoa học và công nghệ, lý thuyết điều khiển tự động đã góp phần giải quyết các vấn đề nhƣ nâng cao chất lƣợng điều khiển cũng nhƣ khả năng ổn định của hệ thống điều khiển. Nhiều công trình nghiên cứu về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều nhƣ: điều khiển trƣợt, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ƣu, tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển mờ, mạng nơ ron đã đƣợc công bố trong mấy chục năm gần đây. Đối với động cơ một chiều, việc điều khiển đƣợc cách ly hoàn toàn hai thành phần tạo từ thông và mô men quay thông qua điều chỉnh dòng kích từ và dòng điện phần ứng. Do đó, trong phát triển các phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều các nhà nghiên cứu trên thế giới đều hƣớng tới việc tách biệt hai thành phần từ thông và mô men. Đối với động cơ xoay chiều thì việc điều chỉnh tách biệt hai thành phần từ thông và mô men cũng gặp một số khó khăn do không phải lúc nào cũng tách biệt đƣợc hoàn toàn hai thành phần này trong quá trình hoạt động nhƣ khi tốc độ động cơ tăng hoặc giảm và khi hệ thống làm việc ở vùng suy giảm từ thông… Nhƣng bằng những phƣơng pháp điều khiển mới ta có thể thực hiện điều khiển động cơ theo hƣớng này trở nên dễ dàng hơn. Việc điều khiển động cơ xoay chiều còn có một số trở ngại nhƣ hai thành phần dòng rotor hoặc từ thông không phải lúc nào cũng đo đƣợc trực tiếp hay nhƣ tồn tại một số tham số bất định trong mô hình hệ thống nhƣ điện trở rotor, tải, hệ số ma sát thay đổi trong quá trình hoạt động. 5
Nhƣ vậy vấn đề đặt ra là: 1 - Xây dựng thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ rotor và từ thông rotor động cơ một cách chính xác, tiết kiệm chi phí. 2 - Phát triển các thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham số bất định. 3 - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ thông minh trên các công nghệ chế tạo vi mạch điều khiển mới. Nếu mô hình động cơ xoay chiều ba pha đƣợc xây dựng trên hệ tọa độ cố định (α,β) sẽ khó phát huy đƣợc khả năng điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mô men quay nhƣ động cơ điện một chiều, nhƣng nó lại là mô hình tuyến tính và rất thuận lợi cho tổng hợp bộ điều khiển. Nếu mô hình động cơ xoay chiều ba pha đƣợc xây dựng trên hệ tọa độ quay (d,q) sẽ cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mô men quay. Khi đó thành phần từ thông sẽ đƣợc giữ không đổi thì ta thu đƣợc mối quan hệ tuyến tính giữa biến điều khiển và tốc độ của động cơ. Ta có thể chủ động điều khiển tốc độ động cơ với các thông số bất định và tải thay đổi trong quá trình hoạt động, lúc này hệ phƣơng trình động lực học là hệ phi tuyến. Thiết kế các bộ điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ, ta có thể xây dựng các bộ ƣớc lƣợng các thông số của động cơ nhƣ: tốc độ động cơ, hằng số thời gian rotor, từ thông rotor. Độ chính xác của các thông số ƣớc lƣợng phụ thuộc vào thuật toán ƣớc lƣợng đƣợc sử dụng. 1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều Tình hình nghiên cứu trong nƣớc: Ở Việt Nam vấn đề điều khiển tốc độ động cơ cũng đƣợc quan tâm nhiều trong hai thập kỷ gần đây. Một số nghiên cứu tập trung vào phát triển phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ nhƣ sử dụng phƣơng pháp điều khiển tuyến tính 6