BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Phạm Tâm Thành
ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU
BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62520216
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội-2014
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Phản biện 1: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Anh Nghĩa
Phản biện 3: PGS.TS. Phạm Ngọc Tiệp
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, họp tại Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi...........giờ, ngày........tháng........năm.........
Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia
1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Các công trình nghiên cứu áp dụng các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến cho
máy điện xoay chiều ba pha được thực hiện cả ở trong và ngoài nước. Tuy nhiên các công
trình đó chủ yếu thiết kế trên miền thời gian liên tục, hoặc dừng lại ở việc mô phỏng với
phần cứng HIL (Hardware In Loop), vấn đề thiết kế điều khiển trên miền thời gian gián
đoạn và cài đặt thời gian thực các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba
pha chưa được đề cập đến. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Điều khiển vector phi tuyến cho
máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực”
Đối tượng nghiên cứu:
Máy điện xoay chiều ba pha loại không đồng bộ rotor lồng sóc, không đồng bộ nguồn
kép và đồng bộ kích thích vĩnh cửu
Mục đích nghiên cứu:
Bài toán giải quyết vấn đề cài đặt thời gian thực các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho lớp
đối tượng máy điện xoay chiều ba pha
Phạm vi nghiên cứu:
Máy điện xoay chiều pha pha vận hành ở chế độ phi tuyến, khi các cấu trúc điều khiển
phi tuyến được đề xuất sử dụng
Phương pháp nghiên cứu:
Phân tích và chỉ ra đặc điểm phi tuyến bilinear của máy điện xoay chiều ba pha, tổng
quát hóa dạng phương trình mô tả lớp máy điện xoay chiều ba pha, tổng quát hóa dạng
phương trình mô tả mô hình dòng của máy điện xoay chiều ba pha
Trên cơ sở mô hình thu được, tiến hành tổng hợp các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho
máy điện xoay chiều ba pha
Sau đó tiến hành kiểm chứng các cấu trúc thu ĐK được nhờ mô phỏng off-line trên
nền Matlab/Simulink và PLECS
Cuối cùng là bước kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình thật của máy điện xoay
chiều ba pha trên miền thời gian gián đoạn
Nghiên cứu làm chủ các công cụ và phương pháp khác nhau của lý thuyết điều khiển
hiện đại. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm.
Ý nghĩa của đề tài:
Việc thiết kế các cấu trúc điều khiển (ĐK) phi tuyến nhằm nâng cao chất lượng ĐK máy
điện xoay chiều 3 pha (XC3P) đã được tiến hành trong suốt 10 năm qua tại trường ĐHBK
Hà Nội nói riêng và trên thế giới nói chung. Tuy nhiên, các kết quả thu được trên miền thời
gian, miền tần số chưa phù hợp với thực tiễn kỹ thuật, chưa thuận lợi cho việc cài đặt trên
nền tảng kỹ thuật số (điều kiện thời gian thực, sử dụng vi điều khiển). Khi cài đặt ta sẽ phải
chuyển xấp xỉ gần đúng luật ĐK thu được sang thuật toán ĐK.
Luận án đặt mục tiêu chỉ ra con đường thực hiện các cấu trúc ĐK phi tuyến thích hợp hơn
với thực tiễn, phải xuất phát từ mô hình gián đoạn mô tả đối tượng phi tuyến đủ chính xác
2
tại các thời điểm gián đoạn cách đều, từ đó thiết kế trực tiếp ĐK phi tuyến hạn chế ảnh
hưởng của quá trình xấp xỉ gần đúng luật ĐK sang thuật toán ĐK.
Từ các mục tiêu đặt ra ta sẽ dễ dàng khẳng định được:
Ý nghĩa KH của đề tài: Khẳng định sự tồn tại/không tồn tại nghiệm của mô hình
bilinear của đối tượng máy điện XC3P. Từ đó chọn phương pháp thu thập mô hình
gián đoạn thích hợp với lớp đối tượng này. Cuối cùng, sử dụng các phương pháp thiết
kế ĐK phi tuyến, thiết kế cấu trúc ĐK và kiểm chứng chúng thông qua mô phỏng và
thực nghiệm.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Với kết quả mới của luận án, ta sẽ có được chiếc chìa
khóa mở cánh cửa đi vào các ứng dụng của thực tiễn công nghiệp, góp phần xác minh
tính khả thi của các cấu trúc ĐK phi tuyến cho lớp đối tượng máy điện XC3P.
Những kết quả mới của luận án:
Góp phần hoàn thiện các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha.
Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của máy điện xoay chiều ba pha theo phương pháp
Taylor, mô hình này có đặc điểm bilinear và phù hợp với thiết kế điều khiển thời gian thực
sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến.
Từ các mô hình vừa xây dựng được tiến hành áp dụng các phương pháp điều khiển phi
tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trực tiếp trên miền thời gian gián đoạn
Chứng minh tính khả thi của các bộ điều khiển thiết theo phương pháp tuyến tính hóa
chính xác, nguyên lý hệ phẳng, phương pháp cuốn chiếu backstepping trong điều kiện thời
gian thực thông qua mô phỏng và thực nghiệm
Nội dung của luận án:
Luận án gồm 5 chương
Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển máy điện xoay chiều ba pha
như các loại máy điện xoay chiều ba pha,
Chương 2 trình bày chi tiết về mô hình bilinear của máy điện xoay chiều ba pha, đưa ra
các giải pháp xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn thích hợp với điều khiển phi tuyến
trong điều kiện thời gian thực
Chương 3, trình bày khái quát ý tưởng của các phương pháp thiết kế điều khiển phi
tuyến: phương pháp tuyến tính hóa chính xác, phương pháp dựa trên nguyên lý hệ phẳng,
phương pháp thiết kế cuốn chiếu (backstepping), từ đó đưa ra các cấu trúc điều khiển cho
máy điện xoay chiều ba pha.
Chương 4 sử dụng các kết quả thu được ở chương 2 là mô hình hóa của máy điện xoay
chiều ba pha. Thực hiện thiết kế điều khiển phi tuyến trực tiếp trên miền thời gian gián đoạn
cho máy điện xoay chiều ba pha.
Chương 5 tác giả tập trung vào mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm sử dụng
DSP họ C2000 của hãng Texas Instruments nhằm khẳng định kết quả nghiên cứu. Đây là
bước tiền đề để chế tạo biến tần thương mại có tích hợp các thuật toán điều khiển phi tuyến
phù hợp với chế độ vận hành phi tuyến của máy điện xoay chiều ba pha.
3
Máy điện xoay chiều ba pha gồm 3 loại: máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc, máy
điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy điện không đồng bộ nguồn kép. Để cho tập trung và
tránh rườm rà trong các chương chỉ trình bày các kết quả nghiên cứu cho một loại máy điện
điển hình: máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc, các kết quả nghiên cứu cho hai loại máy
điện còn lại được trích dẫn trong Phụ lục. Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án.
1 TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Máy điện xoay chiều ba pha (MĐXCBP) bao gồm: máy điện không đồng bộ rotor lồng
sóc (KĐB-RLS), máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và máy điện không
đồng bộ nguồn kép (KĐB-NK). Ta không nghiên cứu MĐ ĐB-KTĐL trong luận án này. Ta
xét lớp đối tượng máy điện xoay chiều ba pha là lớp đối tượng phi tuyến có đặc điểm: Phi
tuyến cấu trúc, phi tuyến tham số, phi tuyến rác. Luận án chỉ giới hạn xét đặc điểm phi
tuyến cấu trúc của lớp đối tượng máy điện xoay chiều ba pha.
1.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều ba pha
Về các phương pháp điều khiển phi tuyến là hướng nghiên cứu, vấn đề quan tâm của luận
án. Ta chỉ xét đến các phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý điều khiển
vector RFO: phương pháp tuyến tính hóa chính xác, nguyên lý hệ phẳng, phương pháp cuốn
chiếu backstepping
1.3 Điều khiển thời gian thực (realtime control, digital control) cho máy điện xoay
chiều ba pha
Về thực hiện điều khiển số cho lớp đối tượng máy điện xoay chiều ba pha, khi sử dụng
các phương pháp thiết kế điều khiển tuyến tính và khi sử dụng phương pháp thiết kế điều
khiển phi tuyến được đưa ra rất nhiều các công trình. Các thuật toán điều khiển thiết kế theo
phương pháp tuyến tính đã được triển khai thành công trong các thiết bị thương mại.
1.4 Tình hình và định hướng nghiên cứu của luận án
Hầu hết các công trình khảo sát còn chưa xét tới việc áp dụng trong thực tế, đó là việc
chuyển các luật điều khiển sang thành thuật toán điều khiển cài đặt trong điều kiện thời gian
thực, các công trình đó đều thiết kế thuật toán điều khiển trên miền thời gian xấp xỉ liên tục
Qua tổng kết các công trình nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế điều khiển phi
tuyến cho đối tượng máy điện xoay chiều ba pha, các công trình đó chủ yếu thiết kế luật
điều khiển trong miền liên tục (continous-time), chưa xét đến việc triển khai các hệ thống đó
trên miền gián đoạn (discrete-time). Luận án sẽ xem xét và tập trung vào vấn đề còn bỏ ngỏ
đó, luận án tiến hành thiết kế và cài đặt các thuật toán điều khiển phi tuyến cho máy điện
xoay chiều ba pha trên miền thời gian gián đoạn. Đó cũng chính là lý do tác giả chọn đề
tài:”Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian
thực”. Tác giả xác định các nhiệm vụ để đạt được mục tiêu đó là:
- Chỉ ra được phương pháp gián đoạn hóa mô hình của đối tượng phi tuyến, cụ thể là các
loại máy điện xoay chiều ba pha.
- Áp dụng các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến trực tiếp từ mô hình gián đoạn của
máy điện xoay chiều ba pha để thiết kế các cấu trúc điều khiển.
