intTypePromotion=1

Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để điều khiển hệ có tham số thay đổi

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

0
31
lượt xem
5
download

Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để điều khiển hệ có tham số thay đổi

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo trình bày một ứng dụng của điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho việc tổng hợp bộ điều khiển cho hệ truyền động Tiristor - Động cơ một chiều (T-Đ). Với phương pháp này, giá trị của các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh một cách tự động trong từng chế độ làm việc của hệ thống.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để điều khiển hệ có tham số thay đổi

Đỗ Trung Hải và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 74(12): 57 - 61<br /> <br /> NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ĐIỀU<br /> KHIỂN HỆ CÓ THAM SỐ THAY ĐỔI<br /> <br /> Đỗ Trung Hải*, Nguyễn Đức Thăng, Nguyễn Thị Thu Hường<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày một ứng dụng của điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho việc tổng hợp bộ<br /> điều khiển cho hệ truyền động Tiristor - Động cơ một chiều (T-Đ). Với phương pháp này, giá trị<br /> của các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh một cách tự động trong từng chế độ làm việc<br /> của hệ thống.<br /> <br /> <br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Các hệ truyền động điện T-Đ là các hệ trong<br /> đó động cơ được cấp nguồn bởi các bộ biến<br /> đổi bán dẫn công suất xoay chiều – một chiều<br /> có điều khiển. Với bộ nguồn này quan hệ giữa<br /> điện áp điều khiển và điện áp ra của bộ biến<br /> đổi thường là quan hệ phi tuyến theo hàm số<br /> cosin. Khi tổng hợp bộ điều khiển theo<br /> phương pháp thông thường người ta thường<br /> tuyến tính hoá và coi hệ số khuếch đại của bộ<br /> biến đổi có giá trị hằng [1] và [2]. Tuy nhiên<br /> tham số của bộ điều khiển sẽ không còn phù<br /> hợp bởi hệ số khuếch đại của bộ biến đổi thay<br /> đổi theo giá trị của điện áp điều khiển. Do đó,<br /> bài báo đề xuất hướng nghiên cứu và ứng<br /> dụng luật điều khiển thích nghi theo mô hình<br /> mẫu để điều chỉnh tham số của bộ điều khiển<br /> trong hệ truyền động T-Đ theo sự biến đổi<br /> của hệ số khuếch đại của bộ nguồn chỉnh lưu.<br /> CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ<br /> THÔNG SỐ THAY ĐỔI ẢNH HƯỞNG<br /> ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG<br /> Giới thiệu chung<br /> Cấu trúc tổng quát hệ truyền động điện được<br /> trình bày trong hình 1 [1]. Trong đó:<br /> Bộ biến đổi năng lượng (BBĐ) cung cấp<br /> nguồn điện cho động cơ điện (ĐC) được nối<br /> với máy sản xuất (MSX). Các phần khác được<br /> gọi chung là phần điều khiển gồm có bộ điều<br /> chỉnh công nghệ RT, bộ đóng cắt phục vụ<br /> công nghệ KT, bộ điều chỉnh truyền động R,<br /> <br /> các bộ đóng cắt phục vụ truyền động K, các<br /> bộ ghép nối GN và người vận hành VH.<br /> <br /> Hình 1. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện<br /> <br /> Với hệ truyền động T-Đ thì BBĐ là bộ chỉnh<br /> lưu có điều khiển Tiristor và ĐC là động cơ<br /> một chiều kích từ độc lập.<br /> Mô tả toán học bộ chỉnh lưu và sự biến<br /> thiên tham số<br /> Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển<br /> của bộ chỉnh lưu có điều khiển Tiristor, thời<br /> điểm thay đổi của điện áp điều khiển Uđk<br /> không trùng với sự thay đổi của góc điều<br /> khiển . Nghĩa là sau khi điện áp điều khiển<br /> thay đổi được một khoảng thời gian là  thì<br /> góc điều khiển  mới thay đổi. Như vậy ta có<br /> thể coi bộ chỉnh lưu là một khâu chậm trễ có<br /> cấu trúc và hàm truyền như sau [5]:<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của BBĐ<br /> <br /> WCL (s)  KCL .esCL<br /> <br /> <br /> (1)<br /> <br /> Tel:<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 57<br /> <br /> Đỗ Trung Hải và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Ta có thể biểu diễn hàm truyền của bộ chỉnh<br /> lưu một cách gần đúng bởi khai triển Mc.<br /> Laurin như sau:<br /> <br /> e<br /> <br />  sCL<br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> <br /> sCL   sCL <br /> 0<br /> <br /> 0!<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1!<br /> <br /> s <br />  ...  CL<br /> <br /> n<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1  sCL<br /> <br /> U<br />  U ®k<br /> U d  U d0 cos  rcmax<br />  U rcmax<br /> <br /> 74(12): 57 - 61<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (7)<br /> Từ (7) ta có được quan hệ vào ra giữa Ud và<br /> Uđk có dạng như hình 4:<br /> <br /> n!<br /> <br /> (2)<br /> Khi đó hàm truyền của bộ chỉnh lưu có thể<br /> thay thế bằng một khâu quán tính<br /> <br /> WCL (s) <br /> <br /> K CL<br /> 1  sCL<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Trong đó:<br /> - CL là thời gian trễ. Độ dài của thời gian<br /> này được xác định một cách ngẫu nhiên. Để<br /> tiện cho tính toán CL thường được chọn<br /> theo biểu thức:<br /> <br />  min<br /> (4)<br /> CL  max<br /> 2<br /> với max <br /> <br /> 2<br /> 2<br /> 1<br /> <br /> <br /> , min  0<br /> m m2f fm<br /> <br /> trong đó m là số xung áp đầu ra trong 1 chu<br /> kỳ điện áp nguồn cung cấp, f là tần số nguồn<br /> cung cấp.<br /> - KCL là hệ số khuyếch đại của bộ chỉnh lưu.<br /> Trong tính toán ta xem KCL là hằng số và xác<br /> định bằng cách tuyến tính hoá đặc tuyến quan<br /> hệ điện áp đầu ra của BBĐ và điện áp điều<br /> khiển U d  f(U ®k ) .<br /> <br /> Hình 3: Đồ thị quan hệ giữa điện áp điều khiển<br /> và góc điều khiển<br /> <br /> Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu KCL được<br /> xác định bằng hệ số góc của tiếp tuyến (ví dụ<br /> đường 2,3) với đường cong U d  f(U ®k ) tại các<br /> giá trị U ®k tương ứng. Nếu KCL được xác định<br /> bằng cách tuyến tính hoá đường cong<br /> U d  f(U ®k ) (đường 1) thì K CL  const và việc<br /> tổng hợp bộ điều khiển sẽ đơn giản. Tuy<br /> nhiên chất lượng điều khiển chỉ được đảm<br /> bảo trong phạm vi hẹp của điện áp điều khiển.<br /> <br /> Giả sử chọn sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha<br /> không có điot D0, theo [2] ta có :<br /> U d  U d0cos<br /> (5)<br /> với U d0 <br /> <br /> 3 6<br /> U 2 , U2 là trị hiệu dụng điện<br /> 2<br /> <br /> áp nguồn cung cấp. Nếu ta dùng điện áp tựa<br /> hình răng cưa tuyến tính (hình 3) để xác<br /> định thời điểm mở van thì quan hệ giữa góc<br /> mở  và điện áp điều khiển U ®k được xác<br /> định như sau:<br /> <br /> U<br />  U ®k<br />  U rc max  U ®k<br /> <br />    rc max<br />  (6)<br /> <br /> U rcmax<br /> U rcmax<br /> Thay vào phương trình (5) ta được :<br /> <br /> Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa Ud và Uđk<br /> <br /> Để giải quyết bài toán nâng cao chất lượng<br /> của hệ thống trong toàn dải điều chỉnh, một<br /> trong những giải pháp là ứng dụng thuật toán<br /> điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để tự<br /> động điều chỉnh tham số bộ điều khiển cho<br /> phù hợp với giá trị của hệ số khuếch đại của<br /> bộ chỉnh lưu.<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 58<br /> <br /> Đỗ Trung Hải và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI<br /> THEO MÔ HÌNH MẪU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN<br /> HỆ TRUYỀN ĐỘNG T -Đ<br /> Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển thích nghi<br /> theo mô hình mẫu [3]<br /> <br /> thì:<br /> <br /> 74(12): 57 - 61<br /> <br /> T<br /> <br />  e  <br /> de<br /> e dp<br /> e <br /> e e<br /> e<br /> e   <br />  p  <br /> dt<br /> p dt<br /> p <br />   <br /> <br /> <br /> e  e <br />  e<br />  <br /> p  p <br /> <br /> T<br /> <br /> 2<br /> <br /> (12)<br /> <br /> (12) luôn thoả mãn điều kiện (9) với γ là hệ<br /> số dương tuỳ chọn   0 .<br /> Như vậy (12) là cơ sở cho ta chỉnh định thích<br /> nghi các tham số của bộ điều khiển.<br /> Điều khiển thích nghi mạch vòng tốc độ hệ<br /> truyền động T-Đ<br /> Cấu trúc tổng quát của hệ truyền động T-Đ<br /> với một mạch vòng tốc độ như hình 6.<br /> Hình 5. Cấu trúc tổng quát của hệ điều khiển<br /> thích nghi theo mô hình mẫu<br /> <br /> Bộ điều khiển theo mô hình mẫu làm việc<br /> theo nguyên tắc nếu xuất hiện biến động của<br /> tham số của đối tượng thì tham số của bộ điều<br /> khiển cũng phải thay đổi theo để đầu ra của<br /> đối tượng y(t) bám theo đầu ra của mô hình<br /> mẫu ym(t).<br /> Luật hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển [3]<br /> Với mong muốn đầu ra của đối tượng luôn<br /> giống đầu ra của mô hình mẫu, đơn giản nhất<br /> là tạo ra được :<br /> (8)<br /> lim e(t)  lim  y  t   y m  t    0<br /> t 0<br /> <br /> t 0<br /> <br /> de<br /> (9)<br /> 0<br /> dt<br /> Gọi p là tập các tham số bộ điều khiển cần<br /> <br /> Hay<br /> <br /> Trong đó BBĐ là bộ chỉnh lưu có điều khiển<br /> với hàm truyền<br /> <br /> de e dp<br /> <br /> dt p dt<br /> <br /> WCL (s) <br /> <br /> K CL ; Không<br /> 1  sCL<br /> <br /> K CL<br /> 0, 003s  1<br /> <br /> (13)<br /> <br /> Động cơ có hàm truyền:<br /> W§ (s) <br /> <br /> (10)<br /> <br /> K§<br /> Te TM s  TM s  1<br /> 2<br /> <br /> KĐ, Te, TM lần lượt là hệ số khuyếch đại,<br /> hằng số thời gian điện từ và hằng số thời gian<br /> điện cơ của động cơ. Chọn động cơ  31 có<br /> thông số:<br /> <br /> Nếu tạo ra được:<br /> <br />  e <br />  e  <br />  p <br /> dt<br />  <br /> <br /> WCL (s) <br /> <br /> mất tính tổng quát với giả thiết hàm truyền<br /> khâu tổng hợp có giá trị bằng 1. Với sơ đồ<br /> chỉnh lưu hình tia 3 pha, theo (4) ta tính được<br /> CL  0, 003(s) và hàm truyền BBĐ<br /> <br /> e<br /> <br /> thay đổi, ta có :<br /> <br /> dp<br /> <br /> Hình 6. Cấu trúc tổng quát của hệ T-Đ<br /> <br /> T<br /> <br /> (11)<br /> <br /> U ®m  220v, I ®m  8, 7A, n ®m  1500v / ph,<br /> L ­  0, 0961H, R ­  2, 775, GD 2  0, 75Kgm2<br /> <br /> Từ bộ thông số động cơ ta tìm được hàm<br /> truyền tương ứng là:<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 59<br /> <br /> Đỗ Trung Hải và cs<br /> <br /> W§ (s) <br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 8,2<br /> 0, 00136s  0, 038s  1<br /> 2<br /> <br /> (14)<br /> <br /> chúng như là 2 tham số bất định. Chọn mô<br /> hình mẫu có dạng :<br /> <br /> Khâu phản hồi có hàm truyền WPH (s)  0, 06 .<br /> Chuyển về phản hồi (-1) hàm truyền của hệ<br /> hở là :<br /> WH (s)  WPH (s)W§ (s)WCL (s) <br /> K CL<br /> 8, 2<br /> <br /> 0, 00136s  0, 038s  1 0, 003s  1<br /> 0, 492K CL<br /> <br /> 3<br /> 0, 00000408s  0, 001474s2  0, 041s  1<br /> 0, 06 <br /> <br /> 2<br /> <br /> WH (s) <br /> <br /> 0, 492K CL<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1<br /> <br /> (15)<br /> Chỉ xét cho hệ kín với phản hồi (-1) với tín<br /> hiệu vào u <br /> <br /> w<br /> . Lúc này cấu trúc của<br /> WPH (s)<br /> <br /> hệ như hình 7.<br /> <br /> 1<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1<br /> <br /> (16)<br /> <br /> và tham số bộ điều khiển cần thay đổi là p1 và<br /> p2 lúc này cấu trúc hệ điều khiển thích nghi<br /> cho mạch vòng tốc độ hệ T-Đ như hình 8.<br /> Xác định luật chỉnh định của bộ điều khiển<br /> Từ sơ đồ cấu trúc hình 8 ta có :<br /> e<br /> <br /> Do khâu có hằng số thời gian < 0,001 (s) ta có<br /> thể bỏ qua nên :<br /> WH (s) <br /> <br /> 74(12): 57 - 61<br /> <br /> 0, 492up1K CL<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1  0, 492p 2 K CL (17)<br /> u<br /> <br /> 2<br /> 0, 001474s  0, 041s  1<br /> <br /> Do đó:<br /> u0, 492K CL<br /> e<br /> (18)<br /> <br /> p1 0, 001474s2  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> y0, 492K CL<br /> e<br /> <br /> p 2 0, 001474s2  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> <br /> (19)<br /> <br /> Theo (11) cơ cấu chỉnh định có dạng:<br />  e <br /> dp1<br />  e <br /> <br /> dt<br />  p1 <br /> <br /> Hình 7. Cấu trúc hệ T-Đ khi có tham số bất định<br /> <br /> T<br /> <br /> <br /> <br /> 0, 492ueK CL<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> <br /> <br /> <br /> ue1<br /> 0, 001474s  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> 2<br /> <br /> (20)<br />  e <br /> dp 2<br />  e <br /> <br /> dt<br />  p 2 <br /> <br /> T<br /> <br /> 0, 492 yeK CL<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> ey1<br /> (21)<br /> <br /> 2<br /> 0, 001474s  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> <br /> <br /> Hình 8. Cấu trúc điều khiển thích nghi<br /> theo mô hình mẫu mạch vòng tốc độ<br /> <br /> Do γ >0 tuỳ ý nên 1  K CL cũng chỉ cần<br /> chọn là số dương tuỳ ý.<br /> Mặt khác hàm truyền của đối tượng theo cấu<br /> trúc hình 8.<br /> <br /> Nếu tính hàm truyền tương đương của hệ kín<br /> theo cấu trúc hình 7, ta thấy rằng tham số bất<br /> định nằm ở cả tử số và mẫu số của hệ. Như<br /> vậy, không mất tính tổng quát có thể coi<br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> W(s) <br /> <br /> 0, 492p1 K CL<br /> (22)<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1  0, 492(p 2  1)K CL<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 60<br /> <br /> Đỗ Trung Hải và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 74(12): 57 - 61<br /> <br /> Trong trường hợp lý tưởng để W(s) =Wm(s)<br /> thì p1 và p2 phải được chỉnh đến 2 giá trị lý<br /> tưởng :<br /> p1  p1 <br /> <br /> 1<br /> ; p 2  p 2  1<br /> 0, 492K CL<br /> <br /> (23)<br /> <br /> Theo (20), (21) luật chỉnh định còn phụ thuộc<br /> vào KCL, [4] đã chỉ ra rằng ta có thể sử dụng<br /> luật thay đổi tham số của cơ cấu chỉnh định<br /> gần đúng bằng cách thay giá trị p1, p2 ở vế<br /> phải của (20) và (21) bằng giá trị lý tưởng<br /> p1, p2 khi đó luật thay đổi tham số của cơ cấu<br /> chỉnh định sẽ là :<br /> dp1<br /> ue1<br /> (24)<br /> <br /> dt<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1<br /> dp 2<br /> ye1<br /> <br /> dt<br /> 0, 001474s2  0, 041s  1<br /> <br /> (25)<br /> <br /> Cấu trúc của cơ cấu chỉnh định lúc này có<br /> dạng như hình 9.<br /> <br /> [<br /> <br /> Hình 10. (1) biến thiên KCL; (2) đầu ra mô hình<br /> mẫu ym và (3) đầu ra đối tượng khi thay đổi KCL<br /> <br /> KẾT LUẬN<br /> Bài báo trình bày phương pháp ứng dụng lý<br /> thuyết điều khiển thích nghi để tổng hợp bộ<br /> điều khiển cho hệ truyền động T-Đ mà không<br /> cần tuyến tính hóa đặc tính U d  f(U ®k ) . Kết<br /> quả mô phỏng đã cho thấy hệ thống phản ứng<br /> tốt với sự biến động của tham số bất định và<br /> do đó chất lượng điều khiển luôn được đảm<br /> bảo. Các kết quả lý thuyết và mô phỏng này<br /> có thể được ứng dụng cho các đối tượng trong<br /> thực tế kỹ thuật.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> Hình 9. Cấu trúc của cơ cấu chỉnh định<br /> <br /> Mô phỏng<br /> Với cấu trúc điều khiển như hình 8 và luật<br /> chỉnh định tham số như hình 9, đáp ứng của<br /> hệ với tín hiệu đặt 1(t) dưới sự biến động của<br /> hệ số khuếch đại của BBĐ được chỉ ra trên<br /> hình 10.<br /> <br /> [1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn<br /> Thị Hiền (1994), Truyền động điện, Nhà xuất bản<br /> Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.<br /> [2]. Cyril W. Lander - Lê Văn Doanh (Dịch)<br /> (1993), Điện tử công suất và điều khiển động cơ<br /> điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.<br /> [3]. Nguyễn Doãn Phước (2005), Lý thuyết điều<br /> khiển nâng cao, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ<br /> thuật, Hà Nội.<br /> [4]. Äström, K.J. and Wittenmark, B. (1995),<br /> Adaptive Control, Addision-Wesley Publishing<br /> Company, Inc.<br /> <br /> SUMMARY<br /> STUDYING AND APPLYING ADAPTIVE CONTROL THEORY<br /> TO CONTROL OF PARAMETER -VARYING SYSTEMS<br /> Do Trung Hai, Nguyen Duc Thang, Nguyen Thi Thu Huong<br /> Thai Nguyen University of Technology<br /> <br /> This paper presents an approach of applying model reference adaptive control to control of a T- Đ drive system. The<br /> parameters of the controller are tuned automantically corresponding to different working conditions.<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 61<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản