Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Nâng cao chất lượng các hệ truyền động bám công suất nhỏ trên cơ sở điều khiển bù đặc tính tĩnh và thích nghi modal

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm Nghiên cứu nâng cao chất lượng của HTĐB góc sử dụng ĐCV công suất nhỏ ứng dụng cho một lớp các đối tượng bao gồm: truyền động khớp robot có không gian lắp đặt hạn chế, truyền động trên các thiết bị di động nhỏ gọn có công suất nguồn hạn chế, trong những thiết bị công nghiệp và khí tài quân sự đòi hỏi hệ thống có chất lượng tốt nhưng cấu trúc đơn giản, độ tin cậy và hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Nâng cao chất lượng các hệ truyền động bám công suất nhỏ trên cơ sở điều khiển bù đặc tính tĩnh và thích nghi modal

1 BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ HỮU THÍCH NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM CÔNG SUẤT NHỎ TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN BÙ ĐẶC TÍNH TĨNH VÀ THÍCH NGHI MODAL Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI - 2016
2 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Tuấn Thành 2. PGS.TS. Đào Hoa Việt Phản biện 1: PGS.TS. Lại Khắc Lãi Phản biện 2: PGS.TS. Trần Đức Thuận Phản biện 3: PGS.TS. Lê Tòng Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 2081/QĐ-HV ngày 15 tháng 6 năm 2016 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi…..giờ….ngày….tháng….năm…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia
3 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Vũ Hữu Thích, Phạm Tuấn Thành, Trần Văn Cấp (2015), Nâng cao chất lượng hệ truyền động bám động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu công suất nhỏ bằng phương pháp điều khiển thích nghi modal kết hợp thuật toán điều khiển bù các đặc tính tĩnh, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự số 39, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. 2. Vũ Hữu Thích, Phạm Tuấn Thành (2015), Nâng cao chất lượng hệ truyền động bám động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu công suất nhỏ bằng thuật toán điều khiển bù các đặc tính tĩnh, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, số 170, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 3. Phạm Tuấn Thành, Nguyễn Ngọc Tuấn, Vũ Hữu Thích (2015), Xây dựng bộ điều khiển mờ cho các thiết bị di động không người lái , Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, số 170, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 4. Vũ Hữu Thích (2015), Điều khiển thích nghi modal các hệ truyền động bám động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu công suất nhỏ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 30, Đại học Công nghiệp Hà Nội. 5. Vũ Hữu Thích, Phạm Tuấn Thành, Nguyễn Đình Tuyên (2015), Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển bù các đặc tính tĩnh, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 29, Đại học Công nghiệp Hà Nội. 6. Hieu To Nguyen, Shogo Odomari, Tomohiro Yoshida, Tomonobu Senjyu, Atsushi Yona, Vu Huu Thich (2014), Digital Position Control Strategy of Traveling-wave Ultrasonic Motors, AUTOMATIKA 55 (2014) 3, 246–255, Journan for control, measurement, electronics, computing and communications. 7. Vũ Hữu Thích (2012), Nâng cao độ chính xác của hệ truyền động bám - động cơ một chiều không chổi than bằng mạch phản hồi dương tốc độ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 12, Đại học Công nghiệp Hà Nội. 8. Phạm Tuấn Thành, Hoàng Tiến Dũng, Vũ Hữu Thích (2011), Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động nhiều động cơ chứa các liên kết động học chéo, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 07, Đại học Công nghiệp Hà Nội. 9. Vũ Hữu Thích, Lê Thị Phi Nga (2010), Tổng hợp các mạch vòng kiểu nối cấp hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 01, Đại học Công nghiệp Hà Nội. 10. Phạm Tuấn Thành, Vũ Hữu Thích (2009), Tổng hợp thuật toán điều khiển hệ thống khuếch đại xung công suất động cơ một chiều không tiếp xúc 3 pha, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, số 129, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 11. Phạm Tuấn Thành, Vũ Hữu Thích (2009), Xây dựng cơ sở phân tích và tổng hợp thuật toán điều khiển hệ thống khuếch đại xung công suất – động cơ chấp hành, Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học các Nhà nghiên cứu trẻ, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân.
4 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu: Hệ truyền động bám (HTĐB) công suất nhỏ từ vài W đến vài chục W có một vai trò đặc biệt quan trọng trong rất nhiều tổ hợp thiết bị máy móc trong công nghiệp và quân sự. Vì thế, chất lượng của các hệ thống này cần phải được quan tâm thường xuyên để theo kịp với thực tế đòi hỏi. Ứng dụng động cơ van (ĐCV) làm cơ cấu chấp hành trong các HTĐB công suất nhỏ đã làm thay đổi đáng kể chất lượng của hệ thống [17], [19], [22]. Tuy nhiên, có một thực tế là phần lớn các phương án điều khiển ĐCV chưa đảm bảo được độ trơn về mô men và độ chính xác điều khiển, dạng dòng điện chưa được hình sin. Điều đó đã làm tăng các tổn hao, làm xấu đi các chỉ tiêu năng lượng và các đặc tính tĩnh. Chính vì vậy mà rất cần có một phương pháp điều khiển phù hợp để bù lại các ảnh hưởng này [36]. Mặt khác, các yếu tố phi tuyến từ cấu trúc phức tạp của phần cơ như: mô men đàn hồi, khe hở bánh răng, mô men ma sát thường có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác bám [50] nên rất cần những giải pháp điều khiển hợp lí. Điều khiển thích nghi modal trong trường hợp này là một sự lựa chọn phù hợp hơn cả. Sự phù hợp thể hiện ở chỗ: vừa đảm bảo chất lượng điều khiển, vừa đảm bảo tính đơn giản cho cấu trúc hệ thống. 2. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu nâng cao chất lượng của HTĐB góc sử dụng ĐCV công suất nhỏ ứng dụng cho một lớp các đối tượng bao gồm: truyền động khớp robot có không gian lắp đặt hạn chế, truyền động trên các thiết bị di động nhỏ gọn có công suất nguồn hạn chế, trong những thiết bị công nghiệp và khí tài quân sự đòi hỏi hệ thống có chất lượng tốt nhưng cấu trúc đơn giản, độ tin cậy và hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, trên cơ sở áp dụng: Điều khiển bù đặc tính tĩnh (BĐTT): Để cải thiện đặc tính năng lượng, hiệu suất và các đặc tính tĩnh của động cơ truyền động. Điều khiển thích nghi modal (TNMD): Để giảm sai số bám do tính phi tuyến của cấu trúc phần cơ gây ra nhưng vẫn đảm bảo được tính đơn giản trong cấu trúc của hệ thống. 3. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm: Lý thuyết điều khiển véc tơ động cơ xoay chiều ba pha; Lý thuyết điều khiển bù các đặc tính tĩnh động cơ van; Lý thuyết điều khiển thích nghi các hệ thống cơ điện đàn hồi; Lý thuyết điều khiển các hệ thống điện tử công suất hiện đại;
5 Công cụ mô phỏng các hệ thống điều khiển Matlab-Simulink; Xây dựng hệ thống thực nghiệm trên vi điều khiển Atmega 128. 4. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển TNMD kết hợp với điều khiển BĐTT cho các HTĐB góc công suất nhỏ trên cơ sở có xét đến ảnh hưởng của cấu trúc phần cơ. 5.Tính mới của luận án: 1. Đã tổng hợp được một thuật toán điều khiển BĐTT trên cơ sở tốc độ động cơ  và điện áp điều khiển uq ; 2. Đã phân tích đưa ra sự phụ thuộc của đặc tính bù vào các thông số của động cơ dưới dạng các đồ thị; 3. Phân tích để đưa phương pháp điều khiển TNMD kết hợp BĐTT trên cơ sở có xét đến các yếu tố phi tuyến của phần cơ, áp dụng vào việc nâng cao chất lượng HTĐB góc ĐCV công suất nhỏ. 6.Tính thực tiễn và độ tin cậy của các kết quả: Đã kiểm tra chất lượng của thuật toán điều khiển BĐTTvà khâu TNMD tổng hợp được bằng mô phỏng trên máy tính, so sánh kết quả với các phương pháp tin cậy khác, kiểm nghiệm trên mô hình và thực tế sản xuất. Các kết quả đã được báo cáo và thảo luận tại các buổi hội thảo khoa học. Các nội dung cơ bản đã được các nhà khoa học phản biện đồng ý cho đăng tải trên một số tạp chí chuyên ngành. 7.Đóng góp của luận án cho khoa học: Thuật toán điều khiển BĐTT và phương pháp tổng hợp hệ điều khiển TNMD có xét đến ảnh hưởng của cấu trúc phần cơ áp dụng cho hệ truyền động bám ĐCV là những đóng góp chính của luận án cho khoa học. 8.Kết cấu và dung lượng của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình khoa học của tác giả, danh mục tài liệu tham khảo, phần phụ lục và 4 chương chính gồm: Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động bám và vấn đề nâng cao chất lượng của hệ truyền động bám. Chương 2: Điều khiển BĐTT động cơ van công suất nhỏ trong hệ truyền động bám. Chương 3: Điều khiển TNMD kết hợp BĐTT nhằm nâng cao chất lượng các HTĐB góc sử dụng ĐCV công suất nhỏ. Chương 4: Mô phỏng, khảo sát hệ truyền động bám góc sử dụng ĐCV điều khiển bằng phương pháp TNMD kết hợp BĐTT. NỘI DUNG LUẬN ÁN Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HTĐB VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA HTĐB
6 1.1. Đặt vấn đề 1.2. Tổng quan về vấn đề nâng cao chất lƣợng của HTĐB Cơ sở tham chiếu để nâng cao chất lượng HTĐB là các tiêu chí đánh giá chất lượng đã được công bố trên các công trình [1], [9]. 1.3. Động cơ chấp hành trong các HTĐB công suất nhỏ Động cơ chấp hành cũng như phương pháp điều khiển HTĐB có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Bên cạnh những động cơ truyền thống được sử phổ biến trong các hệ bám công suất nhỏ là động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ 2 pha, sự phát triển của một số ngành kỹ thuật mới đã tạo ra một lớp các bộ cơ điện tử có thể sử dụng làm cơ cấu chấp hành trong các hệ thống nói trên. Luận án sử dụng khái niệm động cơ van để gọi tên cho bộ cơ điện tử với phần cơ điện là động cơ PMSM (hình 1.2).   Điều khiển XỬ LÝ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU CÔNG SUẤT PMSM Cảm biến vị trí rôto ĐỘNG CƠ VAN Hình 1.2. Sơ đồ khối ĐCV 1.4. Phân tích đặc điểm và các phƣơng pháp điều khiển hệ bám ĐCV công suất nhỏ 1.4.1. Đặc điểm của hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ 1.4.2. Các phƣơng pháp điều khiển hệ bám ĐCV công suất nhỏ 1.5. Phân tích những ảnh hƣởng của cấu trúc phần cơ đến chất lƣợng của hệ thống truyền động bám Mô hình phần cơ của các hệ thống bám nói chung không phải tuyệt đối cứng. Khi đó chất lượng của hệ thống sẽ chịu ảnh hưởng lớn từ hệ số đàn hồi, mô men ma sát và khe hở bánh răng [4]. 1.6. Phân tích những nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến lĩnh vực điều khiển hệ bám ĐCV công suất nhỏ Luận án tiếp cận những liên quan đến nghiên cứu với hai vấn đề chính, đó là: điều khiển ĐCV và điều khiển hệ thống bám ĐCV. 1.6.1. Vấn đề điều khiển ĐCV Có rất nhiều các công trình nghiên cứu đề cập đến vấn đề điều khiển ĐCV: điều khiển rời rạc [17], [22], [24], [26], [27], [28], [29];
7 điều khiển liên tục: [31]; điều khiển tần số dòng điện [16], [31]; điều khiển véc tơ [2], [3], [18], [20], [39], [51], [56]; điều khiển không dùng cảm biến [8], [21], [60]; trong đó cho chất lượng tốt hơn cả là phương pháp ĐKVT [51]. Điều khiển BĐTT cũng là một phương pháp được nhiều công trình chú ý tới trong những năm gần đây.   ĐCV Với điều khiển BĐTT ua Hình 1.20. Sơ đồ cấu u dk ub trúc ĐCV với phương ud dq/abc KÐCS pháp điều khiển BĐTT KBT uc   d dt CBVT PMSM 1.6.2. Vấn đề điều khiển hệ thống bám Vấn đề này cũng rất đa dạng như: điều khiển PI [6]; BĐK thích nghi [97]; điều khiển backstepping [7]; điều khiển thích nghi bền vững [10], [14], [99]; điều khiển trượt thích nghi [15] và rất nhiều các công trình khác. 1.7. Một số phƣơng pháp điều khiển hệ truyền động bám trên cơ sở có xét đến ảnh hƣởng của cấu trúc phần cơ Điều khiển các HTĐB có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyền từ cấu trúc phần cơ nhìn chung là một bài toán động lực học rất phức tạp. Độ chính xác bám phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mô men cản, mô men ma sát, khe hở bánh răng, mô men đàn hồi giữa các khâu. Các phương pháp phổ biến thường dùng để điều khiển hệ thống này là: điều khiển với mô hình xấp xỉ tuyến tính bằng bộ điều khiển PI [52], [58]; điều khiển PI phản hồi trạng thái [59]; điều khiển thích nghi bù khe hở bằng mạng nơ ron và hệ mờ [55], [61], 65], [81]; điều khiển theo mô hình dự báo [65]. 1.8. Xây dựng bài toán nghiên cứu Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ ứng dụng cho một lớp các đối tượng trên cơ sở áp dụng: I. Điều khiển BĐTT: Để cải thiện chất lượng các đặc tính tĩnh, đơn giản cấu trúc điều khiển, nâng cao hiệu suất động cơ truyền động. II. Điều khiển TNMD: Để giảm sai số bám do tính phi tuyến của cấu trúc phần cơ gây ra nhưng vẫn giữ tính đơn giản của hệ thống.
8 Kết luận của chƣơng 1 Chương 1 đã phân tích một số vấn đề cơ bản gồm: Tổng quan và các tiêu chí đánh giá chất lượng HTĐB, cơ sở khoa học của việc chọn ĐCV cho nghiên cứu, các công trình liên quan đến nội dung nghiên cứu, ảnh hưởng của cấu trúc phần cơ trong HTĐB, các phương pháp điều khiển hệ bám có xét đến ảng hưởng của phần cơ. Trên cơ sở đó xác lập bài toán, mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu. Chƣơng 2 - ĐIỀU KHIỂN BÙ CÁC ĐẶC TÍNH TĨNH ĐCV CÔNG SUẤT NHỎ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM 2.1. Điều khiển ĐCV trong hệ trục tọa độ dq 2.2. Phƣơng pháp điều khiển BĐTT ĐCV Do dòng điện và điện áp đưa đến khối cơ điện chưa đạt được dạng hình sin nên đã làm xấu đi những đặc tính tĩnh và chỉ tiêu năng lượng chung của hệ thống, vì vậy cần có phương pháp điều khiển để bù lại tác hại từ các ảnh hưởng này. Điều khiển cho dòng id  0 đối với những động cơ có thành phần Ld  Lq là một giải pháp. 2.2.1. Bản chất của phƣơng pháp BĐTT Dưới tác động của điện cảm, dòng điện pha sẽ lệch pha tương đối so với điện áp, mô men vì thế mô men sẽ không đạt giá trị cực đại. Khi thực hiện điều khiển BĐTT, độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp sẽ được bù lại bằng cách làm cho dòng điện ngược pha với đảo của sức phản điện động như trên hình 2.3. [23], [24]. Hình 2.3. Điện áp và dòng điện trong chế độ điều khiển bù u  arctg  u d u q  (2.10) u d  T p  1  u q ωT  Ce ω T 2 Biểu thức dòng điện: i d  (2.13) R  T p  1   ωT   2 2   Mong muốn ở đây là dòng điện id  0 trong toàn vùng tốc độ, trên cơ sở phương trình (2.13), tại [42] có đưa ra biểu thức tính ud như sau:
9 u d  T  Ce   u q  (2.14) Quan hệ u  F (,uq  const) thể hiện trong các biểu thức (2.10) và (2.14) được đưa ra trên hình 2.4. Hình 2.4. Góc bù ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. 2.2.2 Các thuật toán điều khiển bù đặc tĩnh tĩnh ĐCV Điều khiển ĐCV thông thường thực hiện theo sơ đồ ĐKVT kinh điển. Với ĐCV công suất nhỏ, sơ đồ đó là tương đối phức tạp. Theo phương pháp điều khiển BĐTT, điện áp (bù) ud được tính toán từ điện áp trên trục q và các tham số động cơ. Các thuật toán bù đã được một số tài liệu [42], [43], [44] và [72] công bố trong đó hầu hết chỉ phụ thuộc vào hằng số thời gian điện tử Te của động cơ. 2.3. Xây dựng thuật toán BĐTT 2.3.1. Xây dựng thuật toán Từ hệ phương trình vi phân mô tả ĐCV [42], [43], [44], [72] và [88], với điều kiện id  0 ta tìm được luật điều khiển bù: 1  Ce  sin u  ud    u q sin   (2.30) cos   k e cos e    0  e  u ; e  arctg( Te ); u  arctg( Tu ) e  arctg(Te ) và u  arctg(Tu ) 2.3.2. Phân tích ảnh hƣởng của các thông số đến đặc tính bù 2.3.2.1. Ảnh hƣởng của điện áp nguồn 40 20 0 goc bu (do dien) -20 -40 -60 dac tinh bu khi U=12V dac tinh bu khi U=10.8V dac tinh bu khi U=13.2V -80 sai so goc bu khi U=10.8V sai so goc bu khi U=13.2V -100 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 tan so quay omega (rad/s) Hình 2.6. Đặc tính bù khi điện áp nguồn U  12V  10% Nhận xét: Ở ngoài vùng tốc độ thấp, sai số bù khoảng 10 %.
10 2.3.2.2. Ảnh hƣởng của điện cảm pha stato 40 20 0 goc bu (do dien) -20 -40 -60 dac tinh bu khi L=0.8 mH dac tinh bu khi L=0.76 mH dac tinh bu khi L=0.842 mH -80 sai so goc bu khi L giam 5% sai so goc bu khi L tang 5% -100 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 tan so quay omega (rad/s) Hình 2.7. Đặc tính bù khi điện cảm của động cơ L  0,8 mH  5% Nhận xét:Sai lệch điện cảm L ảnh hưởng không nhiều tới sai số bù. 2.3.2.3. Ảnh hƣởng của điện trở pha stato 40 20 0 goc bu (do dien) -20 -40 -60 dac tinh bu khi R=5 Om (+20 doC) dac tinh bu khi R=5.66 Om (+80 doC) -80 dac tinh bu khi R=4.45 Om (-40 doC) sai so goc bu o nhiet do -40 doC dai so goc bu o nhiet do +80 doC -100 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 tan so quay omega (rad/s) Hình 2.8. Đặc tính bù ở các giá trị thay đổi của điện trở pha động cơ ở dải nhiệt độ từ -40oC đến +80oC Nhận xét: Khi hệ thống làm việc ở dải nhiệt độ rộng, cần phải có biện pháp khắc phục ảnh hưởng của sự biến đổi điện trở đến sai số bù. 2.3.2.4. Ảnh hƣởng của hệ số sức phản điện động 40 20 0 goc bu (do dien) -20 -40 -60 dac tinh bu khi gia tri Ce danh dinh dac tinh bu khi gia tri Ce tang 5% -80 dac tinh bu khi gia tri Ce giam 5% sai so goc bu khi gia tri Ce giam 5% sai so goc bu khi gia tri Ce tang 5% -100 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 tan so quay omega (rad/s) Hình 2.9. Đặc tính bù ở các giá trị khác nhau của hệ số sức phản điện động của động cơ Nhận xét: Hệ số sức phản điện động động cơ có ảnh hưởng không nhiều tới sai số bù.   ĐCV *   *  uq ua R R   ub KÐCS dq/abc KBT ud uc (pt 2.30)  d dt CB PMSM  VT Hình 2.10. Cấu trúc hệ truyền động bám ĐCV trên cơ sở BĐTT
11 2.4. Xây dựng sơ đồ điều khiển hệ truyền động bám ĐCV trên cơ sở thuật toán bù các đặc tính tĩnh Cấu trúc BĐTT đề xuất (hình 2.10) có các ưu điểm: không tồn tại các BĐC dòng điện; không phải đo dòng điện các pha; chỉ cần một bộ chuyển đổi hệ trục tọa độ. Kết luận của chƣơng 2 Chương 2 đã phân tích và trình bày các vấn đề cơ bản như sau: 1. Các phương pháp điều khiển ĐCV trong đó có ĐKVT, các điểm không phù hợp khi áp dụng ĐKVT cho các hệ công suất nhỏ; 2. Trình bày bản chất của phương pháp điều khiển BĐTT; 3. Tổng hợp một thuật toán BĐTT từ uqvà  ; 4. Phân tích ảnh hưởng của các tham số động cơ đến đặc tính bù; 5. Đề xuất sơ đồ HTĐB ĐCV sử dụng phương pháp BĐTT. Chƣơng 3 - ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MODAL KẾT HỢP BÙ CÁC ĐẶC TÍNH TĨNH NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CÁC HTĐB GÓC SỬ DỤNG ĐCV CÔNG SUẤT NHỎ 3.1. Đặt bài toán nghiên cứu Với mục tiêu xuyên suốt của luận án là nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động bám công suất nhỏ, ở chương 2 áp dụng phương pháp điều khiển BĐTT thay cho ĐKVT kinh điển trong các hệ thống này. Việc sử dụng thuật toán bù (2.30) đã đóng góp một phần cho quá trình hoàn thành mục tiêu luận án. Tuy nhiên, như đã phân tích, các hệ truyền động bám công suất nhỏ trong thực tế luôn đi kèm hộp số cũng như có cấu trúc phần cơ tương đối phức tạp, điều đó dẫn đến việc làm tăng đáng kể sai số bám. Để khắc phục vấn đề này một cách tốt nhất mà vẫn đảm bảo giữ cho hệ thống tính đơn giản trong cấu trúc, luận án tiếp tục sử dụng giải pháp điều khiển TNMD mạch vòng tốc độ. Sau khi tối ưu hóa vòng tốc độ, việc tổng hợp cấu trúc bộ điều chỉnh vị trí được thực hiện bằng các phương pháp hàm chuẩn để đảm bảo độ chính xác bám cho cả hệ thống [53]. Khâu TNMD *  BĐK u  * BĐK u q ĐCV với điều 1 Hộp 2 vị trí TN khiển BĐTT số   M dh Các tín hiệu phản Bộ quan sát hồi trạng thái, trạng thái thích nghi Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc HTĐB góc điều khiển TNMD kết hợp với BĐTT sử dụng động cơ van công suất nhỏ
12 3.2. Điều khiển TNMD hệ truyền động bám góc sử dụng ĐCV công suất nhỏ Điều khiển modal đã được triển khai rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động TĐĐ do có cấu trúc đơn giản, độ chính xác điều khiển cao và đã được trình bày chi tiết tại các tài liệu [11], [12]. ĐKTNMD được xây dựng dựa trên cơ sở mở rộng phương pháp điều khiển modal.Trong phương pháp ĐKTNMD, khi các tham số của đối tượng (phi tuyến) thay đổi trong quá trình hoạt động, bộ điều khiển modal sẽ được cập nhật lại các tham số bằng một luật điều khiển thích nghi. Luật điều khiển thích nghi được thành lập từ điều kiện đảm bảo tính ổn định và điều kiện bám của hệ thống kín [83]. 3.2.1. Hàm truyền đạt và sơ đồ cấu trúc của ĐCV Để đơn giản trong thiết kế khâu thích nghi modal mà vẫn đảm bảo tính chính xác, trước hết cần thiết lập sơ đồ cấu trúc ĐCV dạng hàm truyền. M c (p) iq (p) u dk (p)  (p) 1 k dk Wdk (p) ki W (p) Cm M(p) j p a)  Ce M c (p) u dk (p) ke 1 R iq (p)  1 (p) Cm Te p  1 Tu p  1 M(p) j p b)  Ce Hình 3.2.a) Sơ đồ cấu trúc ĐCV dạng tổng quát b) Sơ đồ cấu trúc ĐCV khi tốc độ quay nhỏ 3.2.2. Mô hình toán học ĐCV và máy công tác khi tính đến liên kết đàn hồi, khe hở và ma sát Từ hệ phương trình vi phân của động cơ và của cấu trúc phần cơ, hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống đưa ra trên (3.21) trong đó: J J  i 2 M dm ; k  b1dm k e , các Tc1  1 1dm ; Tc2  22 1dm ; Tc  i 2 Mdm ; k  Ce c Mdm i M dm c1dm thành phần đánh giá sai số liên quan đến ma sát (viết cho gọn) là: F2 (2 , t)  F2 (); F1 (1 , t)  F1 () ; Các hàm số: F2 (2 , t); Fdh (M21 , t); F1 (1 , t) phụ thuộc vào các thành phần bất định biến đổi theo thời gian.
13  d2  dt   2 ;   d 2  i M dm M  F ( , t)  M ; 2 (3.21)  dt J 21dm 21 2 2 c    dM 21   c1dm  2  c1dm 1  Fdh (M 21 , t);  dt i 2 M dm i 2 M dm   d1   M dm M 21  1 J11dm 1  k e 1 M dm u dk  F1 (1 , t);   dt J11dm R M dm Ce R J11dm Cấu trúc Cấu trúc phần cơ có ĐCV xét đến đàn hồi, khe hở và ma sát  F1 () o o   M 21 kc Mc 1R 1 1 1 o 1   1 2 1 2 o   Tu p  1 Tc1p  1 M 21 Tc2 p p  p  Tc  Ce F2 () Mf 2 k u dk Te p  1 Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của động cơ và cơ cấu công tác. 3.2.3. Phân tích và tổng hợp hệ truyền động bám ĐCV công suất nhỏ ĐKTNMD kết hợp BĐTT có xét đến cấu trúc phần cơ 3.2.3.1. Mô hình toán học của hệ thống trong không gian trạng thái Đặt các biến: u  u y  uq ;y  x1  2 ;x 2  2 ;x3  M21;x 4  1; F2 (2 ,t)  22 (2 ,t); F1 (1,t)  21 (1,t);Fdh (M21,t)  2M21 (M21,t);  2 ,  2 là tốc độ và góc quay của cơ cấu công tác, M21 là mô men đàn hồi, udk là điện áp điều khiển; 2 (2 , t); 2M (M 21 , t); 2 (1 , t) là các 2 21 1 thành phần trong véc tơ đánh giá sai số của mô hình khi tuyến tính hóa, khi đó hệ phương trình trạng thái như sau:  x 1  0 1 0 0 x   0   0   x  0 1  1     ( , t)   2    x2    u   22 2  0 Tc2 0 0   x 3  0 Tc1 0 Tc1   x   0    (M , t)      3      2M21 21   x 4  0 1 1  x R 1Tc1  21 (1 , t)  1 1 0 Tc1   4   kR Tc1  (3.24)
14 x   x 1 x 4  ; T x 2 x 3 0 1 0 0   0   0   1      ( , t)  0 0 Tc2 0  0  ; (x, t)   22 2  A0    ;B0     1 1    0 Tc 0 Tc 0 (M , t)   1 1   2M21 21  0 Tc11 R 1Tc11   kR Tc1   21 (1 , t)   0 trong đó các ma trận : A11  0; A12  1 0 0; A21  0 0 0 ;  0 1 Tc2 0   0    ;   A 22   Tc1 0 Tc1  B1  0; B2   0    1 1  1 1   0 1 Tc1 R Tc1   kR Tc1  được tách ra từ ma trận A0 và B0 ;  2 ( 2 , t)   2  1  0; 2 (x, t)   2M 21 (M 21 , t)  được tách ra từ ma trận (x, t) ;    21 (1 , t)  w   x 2 x3 x 4  ; và x1  y; T Khi đó ta có: y  1 0 0x 2 x3 x 4   0.u T (3.27)  1  x 2   0 Tc2 0  x   0   2 (2 , t)   2   1      2  x    T 1      (3.28)    0 T x  0  u (M , t)    3 c c 3 dk 2M 21  x 4   0 1 1   x 4    21  Tc1 R 1Tc1   kR 1Tc11   21 (1, t)    3.2.3.2. Xây dựng bộ quan sát trạng thái Xây dựng bộ quan sát giảm bậc, các đại lượng cần quan sát gồm: mô men đàn hồi, tốc độ động cơ và tốc độ của cơ cấu công tác. Ngoài ra, bộ quan sát còn phải tạo tín hiệu thích nghi theo thuật toán được chọn lựa. Hệ phương trình của bộ quan sát tìm được có dạng (3.44) trong đó v  R r là véc tơ trạng thái của bộ quan sát, ma trận quan sát N (r x p) chọn theo quá trình động học của bộ quan sát.
15  xˆ 2  v1  n1x1  xˆ  v  n x  3 2 2 1  xˆ 4  v3  n 3 x1   i 2 M dm  v1  n1xˆ 2  xˆ 3  hh1 sgn(x 2  xˆ 2 ); (3.44)  J 2 1dm   v 2  (n 2  Tc1 )xˆ 2  c1dm xˆ 4  hh 2 sgn(x 2  xˆ 2 );  i 2 M dm   v  n xˆ  M dm xˆ  1 M dm xˆ  k e M dm u  hh sgn(x  xˆ );  3 3 2 J11dm 3 R J11dm 4 RCe J11dm 3 2 2 3.2.3.3. Lựa chọn luật điều khiển Trên cơ sở đã sở đã đạt được mục tiêu quan sát, ta tìm được luật điều khiển thích nghi modal có dạng : ˆ  B2 u  MBg  M1y  M2 w (3.45) trong đó M1, M2 là các khối có kích thước tương ứng là (m x p) và (m x r) của ma phận modal M ; MB là ma trận hằng số (m x m); B2 là khối phải của ma trận B0  (B0T B0 ) 1 B0T có kích thước (m  r);  là tín hiệu thích nghi . 3.2.3.4. Tính toán các tham số cho khâu thích nghi modal Do sử dụng bộ quan sát giảm bậc, lúc này phương trình trạng thái mô tả đối tượng điều khiển theo (3.43) có các tham số như sau:  0 1  Tc2 0  0  0         A0   Tc 1 0 Tc 1  ;B0   0 0 (3.53)    1 1   b   0    Tc1 R Tc1  1 1 1  kR Tc1   3    I. Lựa chọn mô hình mẫu Lựa chọn mô hình mẫu với đa thức đặc trưng mong muốn có dạng như sau [2]: mm ()  3  10 2  202  30 (3.54) II. Tính ma trận modal M Ma trận modal M sẽ được tính từ điều kiện:  mm ()  det[ I A 0  B0B0TM] (3.55) Giải phương trình (3.55) với A0 và B0 từ (3.53) tìm được m1, m2 và m3 như sau:
16 0 1  R 1Tc11 30   Tc1Tc21   kR Tc11  02  2  Tc1  Tc21  Tc11  1 2 m1  ; m2  ; Tc1Tc21  kR 1Tc11  Tc1  kR 1Tc11  2 2 0 1  R 1Tc11 m3  ; (3.57)  kR Tc11  1 2 III. Tính ma trận quan sát N Để xác định các phần tử của ma trận quan sát N, ta dựa vào điều kiện ổn định của ma trận A H  A 22  NA12 . Điều kiện này được lựa chọn sao cho các cực của bộ quan sát i (AH ) nằm trong vùng thỏa mãn bất đẳng thức max Re i (AH )  (2  3)0 , khi đó đa thức đặc trưng của ma trận AH có dạng:  H ()  3  2(30 ) 2  2(30 )2   (30 )3 (3.59) Giải phương trình (3.59) ta tìm được:  30   2  30  Tc21Tc1 2  30   Tc1Tc21  Tc1Tc11 3 2 n1  ; n  k 2 Tc1Tc11 k 2 Tc11 2 2  30   R 1Tc11 n3  (3.62) k 2 IV. Tính các tham số của thuật toán thích nghi Việc xác định các tham số của thuật toán thích nghi (3.37) đồng nghĩa với việc xác định các phần tử ma trận H  P 1G T . Các phần tử của ma trận H được xác định trong quá trình tìm cực tiểu của tập  0 ˆ so với véc tơ giá trị hay từ điều kiện hội tụ của véc tơ trạng thái w thực w. Để xác định các phần tử của ma trận H, trước hết cần xác định các phần tử của ma trận P 1 từ phương trình (3.35), trong đó ma trận mong muốn AH có dạng:  0 1 0    AH   0 0 1  (3.63)    (30 ) 2(30 )2 3 2(30 )  ma trận đường chéo Q  diag q1 q2 q3 và G  A12 .
17 Hệ thống điều khiển TNMD với bộ quan sát giảm bậc có tính đến bù đặc tính tĩnh được mô tả bằng phương trình toán học đầy đủ sau: x2  y  1 0 0  x 3   0.u  x 4   x 2   0 Tc21 0  x2   0   2 2 ( 2 , t)   h1   x    T 1 1        h  sgne  3  c 0 Tc x  3   0  u    2M21 21  (M , t)  h  2 2  x 4   0 Tc11 R 1Tc11   x 4   kR 1Tc11    ( , t)     2 1 1    h 3 xˆ  2  1  1 v n 0 0   1 x  xˆ    v    0 n 0  0  (3.67)  3  2  2    xˆ 4   v3   0 0 n 3   0  u  M Bg  M1 y  M 2 wˆ  B2      z 3.7. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí cho hệ thống bám ĐCV Với mục đích điều khiển là triệt tiêu các sai số bám trong chế độ tĩnh và bù được những hằng số thời gian có giá trị lớn, bộ điều chỉnh vị trí tìm được là một khâu PI có các hệ số: J 2 (1  km3 )5 Tm J 2 (1  km3 )5 J 2 (1  km3 )5 kP   ; k I  (3.72) 172,1Tm4 k  kc 172,1Tm3 k  kc 172,1Tm4 k  kc d x1 dt n3 n2 n1 u k R 1Tc11 Tc11   xˆ 3  xˆ 2 xˆ 4    R 1Tc11 Tc1 Tc21   1  1   1 m3    p v3   p v2  p v1 k i xˆ i1  m2  n3 n1 m1 n 2  Tc1  h3 h2 h1   1 h p 1 Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc khâu thích nghi modal hệ bám ĐCV
18 BĐC vị trí Khâu thích nghi ĐCV với   modal BĐTT *  BĐCTN uq ua R  (p) pt (3.45)  ˆ M 21 ˆ 1 ˆ 2 z dq/abc ub KÐCS BQSTN KBT ud uc pt (3.44) pt (2.30) 1 d dt 1 CB Cấu trúc phần cơ PMSM VT có xét đến đàn hồi, khe hở và ma sát  o o kc Mc M dc 1 1 o 1  M 21  1 2 1 2 1 M 21 o   Tc2 p p M ms  p  Tc F2 () Mf 2 Hình 3.7. Hệ thống điều khiển thích nghi modal kết hợp điều khiển bù đặc tính tĩnh có xét đến cấu trúc phần cơ Kết luận của chƣơng 3 Chương 3 của luận án đã giải quyết được các vấn đề cơ bản sau: 1. Đặt vấn đề cho bài toán nghiên cứu điều khiển thích nghi modal các hệ cơ điện đàn hồi; 2. Trình bày những nét cơ bản nhất khi thiết kế điều khiển thích nghi modal cho một hệ thống động học; 3. Để thuận tiện cho thiết kế điều khiển thích nghi modal, đã tiến hành xây dựng hàm truyền đạt và sơ đồ cấu trúc cho ĐCV; 4. Xây dựng mô hình toán học ĐCV và máy công tác khi tính đến liên kết đàn hồi, khe hở và ma sát; 5. Tổng hợp cấu trúc và tham số BĐK thích nghi modal; 6. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí. Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG, KHẢO SÁT HTĐ BÁM GÓC SỬ DỤNG ĐCV ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP TNMD KẾT HỢP BĐTT
19 4.1. Mô phỏng đánh giá độ tin cậy thuật toán điều khiển BĐTT Mô phỏng ĐKVT: Có BĐK Rid và không có BĐK Rid (ud = 0) Mô phỏng BĐTT: Có bộ bù KBT và không có bộ bù (ud = 0) 4.1.1. Các sơ đồ mô phỏng trên Simulink 4.1.2. Các kết quả mô phỏng và nhận xét đánh giá 4 4 dong dien iq dong dien iq dong dien id dong dien id 3 3 2 2 dong dien(A) dong dien (A) 1 1 0 0 -1 -1 -2 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 thoi gian (s) thoi gian (s) Hình 4.3a. Hình 4.3b. Hình 4.3. Dạng dòng điện id và iq trong chế độ ĐKVT (a) và BĐTT Trước 0,5 giây: khởi động đến tốc độ không tải; Tại 0,5 giây: đóng tải (nhảy bậc); Tại 1,0 giây: nối BĐC Rid (a) hoặc KBT (b) 250 khong co bo dieu chinh Rid 250 co bu co bo dieu chinh Rid khong bu 200 200 150 toc do (rad/s) 150 toc do (rad/s) 100 100 50 50 0 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 mo men (N.m) mo men (N.m) Hình 4.4a. Hình 4.4b. Hình 4.4. Đặc tính cơ trong chế độ ĐKVT (a) và BĐTT (b) 100 100 co bo dieu chinh Rid khong bu 90 khong co bo dieu chinh Rid 90 co bu 80 80 70 70 60 60 hieu suat(%) hieu suat(%) 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 mo men (N.m) mo men (N.m) Hình 4.5a. Hình 4.5b. Hình 4.5. Đặc tính hiệu suất trong chế độ ĐKVT(a) và BĐTT(b)
20 18 18 cong suat co khi DKVT cong suat co khi DKBT 16 16 14 14 12 12 cong suat (W) cong suat (W) 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 thoi gian (s) thoi gian (s) Hình 4.6a. Hình 4.6b. Hình 4.6. Đặc tính công suất trong chế độ ĐKVT(a) và BĐTT(b) 10 (dao) spdd dong dien pha 8 6 dien ap, spdd (V), dong dien (A) 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 thoi gian (s) Hình 4.7b. Phóng to dạng điện áp, đảo của sức phản điện động và dòng điện pha ĐCV trong chế độ điều khiển BĐTT Trước 0,3 giây hệ thống không có bộ bù KBT, đảo của sức phản điện động và dòng điện không ngược pha 1800. Sau 0,3 giây nối bộ bù KBT, đảo của sức phản điện động và dòng điện ngược pha 1800 4.2. Mô phỏng đánh giá chất lƣợng hệ truyền động bám ĐCV 4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống bám 1. Trƣờng hợp thứ nhất: Đáp ứng góc quay trên cơ cấu công tác khi khe hở   0,005 rad (0,2870) với các tín hiệu vào khác nhau. 15 15 10 10 5 5 Goc quay (rad) goc quay (rad) 0 0 -5 goc bam -5 goc bam goc dat goc dat sai so -10 sai so -10 -15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 -15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Thoi gian (s) thoi gian (s) Hình 4.12a. Hình 4.12b. Hình 4.12. Đáp ứng góc quay với BĐK PID (a) và BĐK TNMD (b) với khe hở bánh răng   0,005 rad, tín hiệu vào là hàm bước nhảy