- 1 - - 2 -
Công trình ñược hoàn thành tại
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐHBK, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh
HOÀNG ĐỨC HÙNG
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
Phản biện 1: GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang
HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR
Phản biện 2: TS. Nguyễn Hoàng Mai
CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
ROTOR LỒNG SÓC
Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011.
Chuyên ngành: Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2011
1
2
- 3 - - 4 -
ñiện trở rotor mà chưa xét ñến ảnh hưởng của cả ñiện trở và ñiện cảm
rotor trong một mối liên hệ tổng thể.
MỞ ĐẦU 4. Phương pháp nghiên cứu
1. Tính cấp thiết của ñề tài Nghiên cứu, xây dựng các phương án và thiết kế trên lý thuyết.
Với sự tiện dụng, kết cấu vững chắc của ĐCKĐB rotor lồng sóc Xây dựng mô hình mô phỏng ñể kiểm chứng trên phần mềm
và sự hấp dẫn về giá thành sản phẩm này, ĐCKĐB rotor lồng sóc Matlab-Simulink.
ñược sử dụng ngày càng rộng rãi. Một mặt, nhu cầu về việc ñiều 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
khiển chính xác ñể ñưa ñến hệ truyền ñộng có chất lượng cao ñã ñòi Kết quả nghiên cứu sẽ ñược áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác
hỏi việc xây dựng hệ ñiều khiển truyền ñộng ñáp ứng ñược yêu cầu nhau vì hiện nay rất nhều hệ truyền ñộng, dây chuyền sản xuất sử
thực tiễn. dụng ĐCKĐB rotor lồng sóc vì sự hấp dẫn về kết cấu và giá thành
Với bản chất là phi tuyến của ĐCKĐB rotor lồng sóc, bài toán của ñộng cơ nhưng lại ñòi hỏi ñộ chính xác cao.
kinh tế kỹ thuật ñược ñặt ra giữa một bên là nỗ lực nghiên cứu vật 6. Cấu trúc luận văn
liệu chế tạo rotor và một bên là ñầu tư hệ thống ñiều khiển, cần xem Cấu trúc luận văn gồm phần Mở ñầu và 4 chương:
xét ñến giá thành tổng thể của hệ thống ñã ñược các nhà chế tạo ñầu Chương 1: Tổng quan về ñộng cơ không ñồng bộ.
tư nhiều công sức nghiên cứu. Vấn ñề ñặt ra là làm sao ñể sử dụng Chương 2: Phương pháp ñiều khiển vector tựa theo từ thông
ĐCKĐB với chất lượng hiện có mà vẫn ñáp ứng ñược yêu cầu về rotor ĐCKĐB.
chất lượng hệ thống. Các thông số ñộng cơ mà ñiển hình là các tham Chương 3: Điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor.
số của rotor - làm việc trong chế ñộ ngắn mạch bị biến ñổi theo nhiệt Chương 4: Tổng hợp hệ thống ñiều khiển thích nghi hằng số thời
ñộ làm việc. Việc xây dựng hệ thống ñiều khiển cần thiết phải tính gian rotor ĐCKĐB.
ñến việc bù ñắp các thay ñổi này ñể ñảm bảo chất lượng ñiều khiển.
2. Mục ñích nghiên cứu CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Xây dựng bộ ñiều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc có khả năng tự 1.1. Khái quát chung thích nghi theo sự thay ñổi hằng số thời gian rotor của ñộng cơ. Ngày nay kỹ thuật ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha ñã 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc.
3
4
Phạm vi nghiên cứu chính của ñề tài này là xây dựng ñược hệ phát triển ñến mức gần như hoàn thiện. Cấu trúc ñiều khiển theo nguyên lý ñiều khiển T4R thường ñược sử dụng là ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ cũng như áp ñặt nhanh mômen quay. Hai mạch vòng thống ñiều khiển thích nghi theo hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB ñiều khiển tốc ñộ và từ trường quay ñược tổng hợp riêng biệt. rotor lồng sóc. Trong ñề tài này, tác giả chỉ ñi vào xét ảnh hưởng của
w
=
+
- 5 - - 6 -
u
sq
sd
sd
sd
+ w
=
+
u
y s y s
sd
iR s iR s
- 1.2. Mô hình của ĐCKĐB
sq w
sq =
sq +
0
rd
rd
rq
=
+
+ w
1.2.1. Mô hình 3 pha của ĐCKĐB - (1.7) Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sóc có 3 pha ñối xứng, khe hở
y r y r =
y p y p y p y p +
iR r iR r =
+
=
+
0 y
y
rq iL
iL
sd
sd
rdM
sd
mdM
sd
md
=
+
=
+
=
+
y
y
iL
không khí là ñều và phân bố từ thông theo khe hở không khí là Sin.
sq
sq
mqM
iL s s iL s s
sq
mq
=
+
=
+
y
iL y
rqM iL
rd
rd
sdM
rd
md
Theo [1], hệ phương trình của ĐCKĐB rotor lồng sóc viết trong
=
+
=
+
y
y
=
+
rd iL s s iL s s sq iL s r iL s r
rq
rq
sqM
rq iL s iL s iL r iL r
rq
mq
s
s
U
s
hệ toạ ñộ 3 pha dạng thu gọn như sau:
=
+
+
r
r
r
)
iL ( y
=
+
y
r
m
z
i
i
M
p
rd
sq
rq
sd
3 2
L M L
r
U y
=
+
e =
+
s
s
s
=
+
y
=
+
r
[ ] iR s [ ] iR r [ ] iL s s [ ] iL s r
y p y p [ ] iL mm [ ] iL mm
r
[ ] iL s [ ] iL sm
[ ] iL rm [ ] r iL r
(1.4)
a. Mô hình trạng thái liên tục 1.2.2. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ αβ
]
=
=
,
i
y ,
y ,
] ;
[ i
u
u
,
sd
sq
| rd
| rq
sq
i
a
a
a
s
s
s
[ R
p
s
i
b
b
b
s
y y
]
+
=
f
f
f
+
+
=
w
e
a
a
a
r
r
r
f uB
f xA
Nx
f s
s
[ R
p
r
b
b
b
r
r
=
s +
y y
s
s
s
1
w
+
0
i
a
a
a
a m
a s
s
r
s
s
1 s
1 s
s
1 T
i ] i [ L
[ L
[ L
[ L s
s
T r
M
M
s
s
i
b
b
b
b s
r
s
s
T r s
s
1
w
+
0
s i
b m i
a
a
a
a m
a r
r
s
r
s
1 s
s
1 s
f
1 T
=
=
s
T r
T r
A
;
[ L
[ L
[ L s
[ L r
M
M
r
i
i
b
b
b
b m
b r
r
s
r
f A 11 f A 21
f A 12 f A 22
(1.20) Theo [2], nếu ñặt các vector trạng thái và ñầu vào: [ fT fT x u sd Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB ñược viết dưới dạng: dx dt - - - - - (1.6) - - - - -
- e i ] i i ] i
= =
+ +
+ +
i ] i ]
i ] i ]
w
0
1 T r
1 T r
s + ] i ] i ( y
=
y
m
z
i
i
r = = )a
b
M
p
s
a r
s
b r
3 2
L M L
w
r
0
1 T r
1 T r
0
1
0
0
0
Hệ phương trình của ñộng cơ trên hệ trục toạ ñộ trực giao αβ: u u 0 0 y y y y - - - -
s
1 L
s
f
=
f
N
=
=
0
B
;
s
s
B 1 B
f 2
1.2.3. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq Hệ phương trình của ñộng cơ trong hệ trục toạ ñộ dq: (1.21) -
01 0 0 0 0
0 0 0 1 01
0
1 L 0
0
0
-
) F=+ 1 =
( ) ( ) kxkC
( kx ( ) ky
5
6
(1.23) b. Mô hình trạng thái gián ñoạn Theo [2], mô hình trạng thái gián ñoạn của ĐCKĐB: ( ) ( ) ( ) ( ) + kukHkxk
- 7 - - 8 -
s
s
s
1
1
1
+
w
w
T
T
s
T s
s
s
1 T
s
T r
T T r
- - - -
s
s
s
1
1
1
w
w
+
T
T
1
s
T s
s
s
f
1 T
T
=
=
s
r
r
;
f 12 f 22
f 11 f 21
w
( w
0
1
T T ) T
s
T T r
ñồng bộ nên góc g i biến thiên rất chậm, các thành phần chiếu của vector dòng ñiện lên các trục sẽ giống như các ñại lượng một chiều, - - - - - - F F F cho phép có thể tổng hợp các bộ ñiều khiển vô hướng cho từng thành F F - - phần. Trong phương pháp này cần phải xác ñịnh ñược vị trí góc của
T T r w
( w
0
) T
1
s
1
T T r
T T r
0
s
T L
s
vector từ thông rotor ñể có thể tựa hệ trục dq vào ñó. - - -
H
f
=
=
0
H
s
H
s
f 1 f 2
0
T L 0
0
0
(1.26)
1.3. Hệ thống ñiều khiển vector ĐCKĐB
1.3.1. Phương pháp ñiều khiển vector trực tiếp
1.3.2. Phương pháp ñiều khiển vector gián tiếp
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR
TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐCKĐB
2.1. Điều khiển T4R của ĐCKĐB nghịch lưu nguồn áp (FOC)
Nguyên lý ñiều khiển vector tựa từ thông rotor: Để diển giải
phương pháp này, quan sát trên Hình 2.1, trong ñó hệ trục tọa ñộ dq
jq
ωs
ñược tựa vào vector từ thông roto. Hình 2.2 - Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển vector tựa từ thông rotor. 2.2. Các phương pháp thiết kế bộ ñiều khiển dòng ñiện trong hệ
ωs
ωs
d
is
us
r
ω
g
uqs
J r
i
ids
iqs
thống ñiều khiển T4R. 2.2.1. Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq tựa y từ thông rotor:
s
J
α=as
J Hình 2.1 - Đồ thị vector trường hợp tựa hệ dq từ thông rotor.
7
8
Ở chế ñộ tựa xác lập, các vector không gian ñều quay với tốc ñộ
1
+
w
L
L
s
s
s
Ti .s+1
- 9 - - 10 -
C
1 i_sd
R
R
11
12
1
1 pT s
LM
1/Rs
R
R
=
21
22
1 KKT 2 nl
i
i
i_sd
w
+
Tr .s+1
Ts.s+1
L
L
1
1 u_sd
s
nm
nm
1 pT
esd
nm
mC 4
Ls
zp
(2.9)
J.s
w
Nếu xem tất cả các sức ñiện ñộng ñều là nhiễu biến thiên chậm
mM 3
ws
wr
thì có thể thực hiện việc tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và
3*zp*Lm /(2*Lr)
Lnm
w
=
)
s
sau ñó thực hiện việc tách kênh bằng các mạch bù sức ñiện ñộng như
LM
);
)
=
( ' pR 11
( pR 11
esq
;
( ' pR 12
Tr
nl
1/Rnm
1
i_sq
w
w
Tnm .s+1
Ti .s+1
)
=
nm
r
2 u_sq
2 i_sq
);
)
)
=
=
( ' pR 22
L s KK i ( pR 22
;
( ' pR 21
( pR bu
K
L s KK i
nl
nl
3
e_rq
trên Hình 2.7 với các bộ ñiều khiển xác ñịnh ñược như sau:
Một phương pháp khác cũng hay ñược sử dụng là dòng ñiện riêng
Hình 2.5 - Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trong hệ tọa ñộ dq tựa từ thông rotor.
t
a
a
s
s
a s
Rs
∫
i
u
b
b
b
s
s
s
=
i
-
0
2.2.2. Điều khiển dòng ñiện riêng rẽ (2.10) rẽ có bù sức ñiện ñộng như trên Hình 2.8. Các bộ ñiều khiển R11, R12 ñược lấy theo biểu thức (2.9) và từ thông Ψsα và Ψsβ xác ñịnh theo (2.10) ( theo tài liệu [1]). u dt
Coi nghịch lưu ñiện áp là bộ khếch ñại công suất có hệ số khếch ñại Knl, thời gian thực hiện của nó là Tnl và xem ωs và ω biến thiên khá chậm hơn các ñại lượng ñiện từ. Ta thực hiện ñược mô hình sau:
Hình 2.6 - Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ.
y y
Hình 2.8 - Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức ñiện ñộng. Hình 2.7 - Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù tách kênh bằng dòng ñiện. Các bộ ñiều khiển dòng ñiện trên Hình 2.6 ñược xác ñịnh:
Từ ưu ñiểm của cấu trúc ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức
9
10
ñiện ñộng là hạn chế sai số, tác giả ñã sử dụng cấu trúc này kết hợp
- 11 - - 12 -
với các bộ ñiều khiển tốc ñộ và từ thông bằng PI kinh ñiển. Từ ñó hưởng xấu ñối với các hệ truyền ñộng chất lượng cao.
nghiên cứu và giải quyết bài toán thích nghi trên nền của phương 2.4.2. Quan sát ảnh hưởng của Tr ñến các trạng thái và
pháp ñiều khiển này. ñáp ứng
2.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức ñiện Từ kết quả thiết kế các bộ ñiều khiển ở trên và sử dụng ñộng cơ
ñộng cho ĐCKĐB mẫu 10HP trong thư viện SimPowerSystems của phần mềm Matlab
2.3.1. Tổng hợp các bộ ñiều khiển dòng ñiện Simulink ñể thực hiện mô phỏng. Kết quả mô phỏng và quan sát các
Trong cấu trúc ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức ñiện ñáp ứng ñối với các trường hợp chưa có sự biến ñộng ñiện trở rotor
0.9
ñộng, bộ ñiều khiển dòng ñiện ñược sử dụng theo kết quả ñã phân và khi có sự thay ñổi ñiện trở rotor như sau:
0.8
0.7
=
+
=
+
R
L
;
R
L
s
nm
11
22
0.6
1 pT
1
1
1 KKT 2 nl
i
i
1 pT s
1 KKT 2 nl
i
i
nm
0.5
Wb)
tích ở trên. Theo ñó, bộ ñiều khiển dòng:
0.4
( d r si P
0.3
2.3.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông
0.2
K
y
)
=
+
K
( pR y
y p
0.1
i p
Psird-150 Psird-100 Psird-Ref
0
0
3
0.5
1
2
2.5
1.5 Time (s)
K
=y
K
;
=y
i
p
2
4
1 TL iM
T r TL iM
Bộ ñiều khiển là khâu PI, xác ñịnh theo chuẩn tối ưu mô ñun: (2.12)
)
=
+
K
( pR w
w p
K w i p
K
Hình 2.16 - Đáp ứng từ thông rotor khi biến ñộng tăng ñiện trở rotor. Kết quả quan sát cho thấy, ở giai ñoạn khởi ñộng ban ñầu và chưa 2.3.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ mang tải thì từ thông ít bị ảnh hưởng bởi sự biến ñộng của ñiện trở (2.13)
K
;
K
=w
w =
p
i
w p T 4 a
J 2 1KKT a
2
rotor Rr. Khi ñộng cơ mang tải ñịnh mức và ñiện trở rotor bị biến ñộng ñã làm xấu ñặc tính của ñáp ứng từ thông rotor. Trong trường
hợp cực hạn, ñiện trở rotor tăng thêm 50% (thể hiện ở ñường Psird- 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của Tr ñến chất lượng ñiều khiển 1.5Rr) thì từ thông rotor, khi ñã ñến vùng ổn ñịnh vẫn dao ñộng và
J~ j s
= ˆ J
J
i
~ J s
s
s
s
ˆ= ei s
lệch biên ñộ với biên ñộ sai khác khoảng ± 0.6% so với giá trị ổn 2.4.1. Phân tích ảnh hưởng của Tr ñến chất lượng truyền ñộng Hằng số thời gian rotor thiếu chính xác sẽ gây sai số góc pha của ñịnh như thể hiện trong Hình 2.17. vector từ thông và lệch pha giữa dòng mô hình và dòng ñộng cơ: - , (2.15)
Hậu quả này sẽ dẫn ñến sai lệch tĩnh của mômen và module từ
thông. Tùy theo thực trạng kỹ thuật và ñòi hỏi về chất lượng truyền
ñộng, các sai số trên trong nhiều trường hợp là không chấp nhận
12
ñược. Ngoài ra, sai số xác lập của mômen và từ thông sẽ có ảnh 11
0.825
0.82
350
) b W
(
300
0.815
d r i
mM-150 mM-100 mC
250
s P
0.81
200
150
Psird-150
Psird-100
0.805
Psird-150 Psird-100 Psird-Ref
(
100
m) N. M m
2.91
2.99
2.97
2.93
2.94
2.96
2.98
2.92
3
50
0
2.95 Time (s) Hình 2.17 - Hiện tượng sai lệch từ thông rotor khi tăng ñiện trở rotor.
-50
-100
2500
-150
0.5
1
2
2.5
3
0
n-Ref n-100 n-150
1.5 Time (s)
2000
1500
- 13 - - 14 -
p) V/ ( n
65
1000
mM-150 mM-100 mC
60
500
55
0
0
0.5
1
2
2.5
3
50
(
1.5 Time (s)
m) N. M m
45
Hình 2.20 - Đáp ứng mômen ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện trở rotor.
mM-100
40
Hình 2.18 - Đáp ứng tốc ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện trở rotor.
35
Quan sát ñáp ứng tốc ñộ thấy rằng, trường hợp ñiện trở rotor tăng
2.82
2.84
2.86
2.88
2.92
2.94
2.96
2.98
3
mM-150
2.9 Time (s)
lên 1.5 lần ngoài việc ảnh hưởng ñến ñộ quá ñiều chỉnh khi khởi
ñộng còn ảnh hưởng ñến biên ñộ tuyệt ñối của tốc ñộ trong vùng ổn
1460
ñịnh khi mang tải ñịnh mức. Khi ñộng cơ mang tải ñịnh mức ñồng Hình 2.21 - Hiện tượng dao ñộng mômen ñộ ñộng cơ khi tăng ñiện trở rotor. Kết quả cho thấy, khi ñiện trở rotor bị thay ñổi tăng lên 150% so thời với sự biến ñổi tăng lên 150% của ñiện trở rotor, tốc ñộ ñộng cơ với giá trị nguội thì ñáp ứng mômen của ñộng cơ bị ngược (âm) khi nằm trong vùng ổn ñịnh mới với biên ñộ trung bình sai khác so với khởi ñộng và dao ñộng mạnh khi mang tải ñịnh mức với biên ñộ dao giá trị mong muốn là 15v/p (1.04%). ñộng ±27.6%.
1450
) p /
2.4.3. Kết luận
V
( n
1440
Từ kết quả quan sát cho thấy khi ñiện ñiện trở rotor thay ñổi tăng
n-150
n-100
n-Ref n-100 n-150
1430
lên trong quá trình làm việc ảnh hưởng ñến việc ổn ñịnh ñặc tính từ
2.905
2.91
2.915
2.92
2.93
2.935
2.94
2.945
2.925 Time (s)
thông và mômen, ñặc biệt là biên ñộ của tốc ñộ ñộng cơ không còn
13
14
bám theo chính xác giá trị tốc ñộ mong muốn. Vấn ñề này sẽ ñược
Hình 2.19 - Hiện tượng lệch biên ñộ tốc ñộ ñộng cơ trong vùng ổn ñịnh khi tăng ñiện trở rotor.
- 15 - - 16 -
giải quyết theo hướng thích nghi với sự thay ñổi của ñiện trở rotor. tắt như sau: Để hệ kín, bao gồm ñối tượng ñiều khiển và bộ ñiều
khiển, luôn có ñược chất lượng mong muốn ứng với hàm truyền ñạt CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HẰNG SỐ mẫu mong muốn thì bộ ñiều khiển cần phải ñược thiết kế và hiệu THỜI GIAN ROTOR chỉnh thường xuyên sao cho tín hiệu ñầu ra y(t) của hệ kín luôn như
=
ty )(
ty )(
t )(
t )(
0
y
y
m
m
3.1. Tổng quan về ñiều khiển thích nghi » - (cid:219) » (3.1) ñầu ra ym(t) của mô hình tham chiếu. Mục tiêu là: te )( Một hệ thống mà bộ ñiều khiển có khả năng tự thay ñổi thông số Như vậy vấn ñề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay ñổi hay cấu trúc của bộ ñiều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của tham số bộ ñiều khiển ñể luôn có ñược sai số e(t) ≈ 0 và ñiều này bộ ñiều khiển dựa trên chu trình làm việc ñịnh trước hoặc các thông phải không ñược phụ thuộc vào sự thay ñổi bên trong ñối tượng. số, cấu trúc của ñối tượng ñược quan sát thực tế trong quá trình Để thực hiện việc hiệu chỉnh tham số p cho bộ ñiều khiển với cấu làm việc ñược gọi là hệ thống ñiều khiển thích nghi. trúc xác ñịnh, cho trước, ñiển hình là mô hình ñiều chỉnh theo luật Ứng dụng trong ñề tài nghiên cứu của mình, tác giả chỉ trình bày MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác ñịnh dương phương pháp thích nghi sử dụng bộ ñiều khiển có cấu trúc cố ñịnh và ñặt trước. thông số ñược cập nhật trực tiếp. 3.2.2. Luật hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển MIT 3.2. Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (MRAS) (Massachusetts Institude Technology) 3.2.1. Tổng quan về hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu Theo [3], nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay ñổi vector Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (Model reference thông số p sao cho ñảm bảo mục tiêu (3.1). Tức là cần có: adaptive system) ñược viết tắt là MRAS có sử dụng bộ ñiều khiển
e
0<
( ) tde dt
(3.2) thích nghi có mô hình theo dõi (Model reference adaptive control)
T
T
pd
pd
-=
-= g
g
sgn
dt
e p
dt
e p
e
( ) e
ñược viết tắt là MRAC, nguyên lý cơ bản của hệ ñược thể hiện bằng Và ñể ñạt ñược (3.2) ta chỉ cần thay ñổi p sao cho: sơ ñồ tổng quát như sau: ¶ ¶ hoặc có thể viết (3.3) ¶ ¶
Trong ñó γ là hằng số dương tùy ý và ñược gọi là hệ số khuếch
( ) 0 = te
lim >- t 0
ñại thích nghi, tốc ñộ ñể phụ thuộc theo ñộ lớn của γ. Hình 3.2 - Cấu trúc chung của bộ ñiều khiển thích nghi có mô hình theo dõi.
3.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển nhờ cực tiểu hóa hàm
15
16
mục tiêu hợp thức (xác ñịnh dương) Theo [3], nguyên tắc làm việc của bộ ĐKTN MRAC ñược tóm Cũng theo [3], phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm
- 17 - - 18 -
mục tiêu xác ñịnh dương V(e) của các vector sai lệch e. „ và
( ) eV
"> ,0
e
0
V
( ) 0 0 =
( ) dV e dt
Và chỉ cần xác ñịnh bộ ñiều khiển sao cho xác ñịnh âm Hình 3.4 - Cấu trúc ñiều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp.
0
fi . theo e. Theo lý thuyết Lyapunov, ñiều kiện này cũng ñảm bảo ñể ( ) te
3.4. Điều chỉnh tự ñộng và lịch trình ñộ lợi 3.3. Hệ thích nghi sử dụng bộ ñiều khiển tự chỉnh ñịnh (STR) Trong nhiều trường hợp, có thể biết ñược sự thay ñổi ñộng học Một bộ ñiều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả của quá trình theo các ñiều kiện vận hành. Nguồn gốc của sự thay năng tự xác ñịnh lại mô hình toán học mô tả ñối tượng ñể từ ñó tự ñổi ñộng học có thể là tính phi tuyến. Có thể thay ñổi tham số của bộ chỉnh ñịnh lại bản thân nó cho phù hợp vói sự thay ñổi của ñối tượng ñiều khiển bằng cách giám sát các ñiều kiện vận hành của quá trình. là bộ ĐKTN tự chỉnh (Self tuning regulator), viết tắt là STR. Bộ Phương pháp này ñược gọi là lịch trình ñộ lợi. ĐKTN tự chỉnh ñơn giản nhất là bộ ĐKTN tự chỉnh tham số, tức là 3.5. Điều khiển mờ thích nghi nó không tự thay ñổi cấu trúc bộ ñiều khiển mà chỉ xác ñịnh lại các Kỹ thuật ñiều khiển mờ ñã ñược phát triển thêm tính thích nghi tham số ñối tượng ñể từ ñó tự chỉnh ñịnh lại các tham số ñiều khiển ñể tạo nên một hệ thống ñiều khiển trong ñó thông số và cấu trúc của của chính mình cho phù hợp. bộ ñiều khiển thay ñổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất
lượng ñiều khiển của hệ thống khi có sự hiện diện của các yếu tố
bất ñịnh cũng như sự thay ñổi thông số trong hệ thống.
3.6. Ứng dụng ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển ĐCKĐB Hình 3.3 - Cấu trúc chung của bộ ñiều khiển thích nghi tự chỉnh.
Một hướng giải quyết bài toán khác khi sử dụng phương pháp Như ñã phân tích trong Chương 2, sự thay ñổi hằng số thời gian rotor Tr làm ảnh hưởng ñến tốc ñộ ñồng bộ của ñộng cơ. Các bộ ñiều khiển và mô hình từ thông ñược xây dựng trên cơ sở hằng số thời thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp như ñược ñề cập
ñến trong [9]. Mô hình này sử dụng cơ cấu nhận dạng tham số ñối gian Tr xác ñịnh dẫn ñến thông số bộ ñiều khiển không còn là tối ưu và kéo dài thời gian quá ñộ, tựa sai hướng từ thông rotor khi mà tượng kết hợp thuật toán xác ñịnh tham số ñiều khiển thành bộ quan Tr bị biến ñổi. sát trực tiếp tham số ñối tượng ñể cập nhật cho bộ ñiều khiển. Sơ ñồ Xem xét các phương pháp thích nghi ñược trình bày trong 3.2 và trên Hình 3.3 có thể viết lại như sau: xét về giới hạn phạm vi cần thích nghi theo yêu cầu nghiên cứu (thích
17
18
nghi theo Tr), ñối với hệ thống này chúng ta chỉ cần sử dụng một bộ
- 19 - - 20 -
4.1.2. Ứng dụng lọc Kalman quan sát trạng thái của ĐCKĐB
ñiều khiển thích nghi có khả năng tự chỉnh ñịnh thông số theo Tr. Để giải quyết vấn ñề này, một bộ ñiều khiển PI ñược thiết kế theo Theo [5], thuật toán lọc Kalman ñược xây dựng ñể ứng dụng
+
Bu
Ax
k
k
quan sát trạng thái ĐCKĐB rotor lồng sóc như sau:
=+ x 1 k = y
Cx
k
k
(4.5) phương pháp truyền thống có các thông số phụ thuộc vào hằng số thời gian rotor Tr kết hợp với việc quan sát trạng thái có thể ñáp ứng ñược. Trên cơ sở ñó ñưa ñến cấu trúc cho hệ ĐKTN theo hằng số Mô hình gián ñoạn của ĐCKĐB trên hệ dq (1.23) ñược viết lại: thời gian rotor như sau:
s
s
1
1
1
+
w
w
T
T
s
T s
s
s
T
1 T s
r
T T r
s
s
s
1
1
1
w
w
+
1
T
T
s
T s
s
s
1 T
=
s
T r
A
;
w
( w
- - - - Các ma trận trọng số trong (4.5): s - - - - - -
0
1
T T r ) T
s
T T
r
T T r w
( w
- -
0
) T
1
s
1
T T r
T T r
T
01
- - -
10
=
=
C
B
;
s
00
T sL
00
01 10 00 00
(4.6)
+
x
t
k
k
k
Đặt t = 1/Tr, và xem như một hằng số ngẫu nhiên có dạng: t
=+1 Trong ñó { }
k
h
k
( x
=
)
3.7. Nhận xét Hình 3.5 - Cấu trúc tổng thể bộ ñiều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor. (4.7) x là nhiễu ồn trắng phân bố chuẩn Gaussian không Để thực hiện cấu trúc này tác giả thực hiện việc thiết kế các bộ và có phương sai là một ma trận
S
k
k
x
)
x
+ 1
k
A k
k
k
k
k
. Mô hình ñộng cơ (4.5) với giả thiết tương quan với nhiễu ño lường { } Var dương cho trước
( t t
uB k 0
+
G k x
=
x t
+ 1
k
k
k
k
ñiều khiển từ thông và tốc ñộ có thông số hiệu chỉnh ñược theo tham số Tr. Quan sát từ thông rotor và hằng số thời gian rotor ñể tính toán lại tốc ñộ ñồng bộ ωs phục vụ cho các khâu chuyển ñổi hệ trục tọa ñộ. (4.8) (4.7) có thể ñược viết lại thành hệ phi tuyến như sau: +
h
=
[ C
y
0
k
k
k
+
x ] t
k
CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR Trong ñó:
4.1. Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng
19
20
4.1.1. Thuật toán lọc Kalman
s
- 21 - - 22 -
1
st
w
)
T
T
T
k
s
k
T s
s t s
1 w s
1 + - (1 T s
- - trạng thái như Hình 4.5. -
s
=
w
st
s 1 t
4.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển thích nghi ĐCKĐB - - - - -
A
t (
)
T
1
(1
)
T
T
k
k
s
k
k
T s
1 w s
s
1 + - T s
t
t
T
w (
T )
k
k
T 0
0 t T
1 w (
T )
w s t 1
T
k
w s
k
=
1 CB
B
= ,
C
k
k
7
9
=
+
=
+
+
;
K
K
pw
iw
Từ kết quả Chương 2 ta có ñược các bộ ñiều khiển tốc ñộ và - - từ thông và có các tham số ñộng ñược xác ñịnh như sau: - - -
K 10 2 T r
K 11 3 T r
K 8 2 T r
K T r
h
x
4.2.1. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ K T r
k
=
=
)
)
k phân bố chuẩn Gaussian, kỳ vọng bằng 0 và với mọi k, j, ta có: =
( x
( h
=
x
d
d
Gk là ma trận trọng số nhiễu. Các vector nhiễu và ñược giả thiết là các nhiễu trắng
K
K
;
y
y
Cov
,
Q
,
Cov
R
h ,
p
i
k
j
k
kj
k
kj
k
j
Tr 4 LT Mi
(4.9) Các hệ số K7, K8, K9, K10, K11 không phụ thuộc vào Tr. 4.2.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông 1 LT 2 Mi Các bước thực hiện sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng ñể 4.3. Mô phỏng và kiểm chứng
4.3.1. Các thông số của ñộng cơ
1
kk ,
1
1
1
A k
k
k
1
k
( t ˆ t ˆ
+
1
k
1
kk ,
ˆ x t ˆ
T
)
[
)
[
( t ˆ
( t ˆ
) ˆ x
) ˆ x
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
A k
k
A k
( t ˆ k
k
A k
k
A k
( t ˆ k
k
=
+
P
t
t
1
,1
1
kk ,
P k
k
0
0
]
]
0
Các thông số của ĐCKĐB rotor lồng sóc sử dụng cho việc - - - - - - (4.10) mô phỏng như ñã trình bày trong Chương 2 của luận văn. - - nhận dạng biến trạng thái mới t như sau: • Dự báo (Predict): ) ˆ x uB = k 1 0 ¶ ¶ - - - - - - - - - - ¶ ¶ - - - (4.11) I I
1
1
1
k
T k
+
S
GQG k 0
k
s
1
(
)
T
x
3
x 1
k
k
s
s
1
(
[
]
=
x
( t ˆ
) ˆ x
2
4
k
k
1
1
1
A k
k
k
t
x
k
k
x ) )
3 x
1 T
)
2
4
k
k
- - - - - - (4.12) - ¶ 4.3.2. Các sơ ñồ mô phỏng và kết quả mô phỏng - - - - ¶ - -
T
T
s ( xT 1 ( xT • Hiệu chỉnh (Correction): +
]
]
=
] 1
] P
0
[ C
0
P
K
0
R
k
kk ,
1
k
1
k
k
k
1
[ C (4.14) )
[ [ C ( yK k
k
ˆ xC k
kk ,
1
=
k ˆ x t ˆ
k
kk , ˆ x kk , t ,ˆ kk
1
[ I=
0
P kk ,
+ [ CK k
k
] ] P kk ,
1
- (4.13) - - - - - - - (4.15) -
21
22
Sơ ñồ cấu trúc hệ thống với bộ lọc Kalman ñể nhận dạng các biến
R_psi
us_abc
R_11
Psir*
1 Psir*
isd*
isd*
Psir^
mC
mC
is_abc
usd*
usd*
7 Psird^
Tr
isd
w*
w(rad/s)
usd
Psird_fix
2 w*
usd
Psird_fix
isq*
w^
isq*
Psird*
usq*
usq*
Psir*
3 w^
isq
Tr
w^
usq
mW
8 Tr ^
Xung_dk
R_w
R_22
Xung_dk
wN
w*
1 Xung _dk
ws
Udc
4 is_dq
is_alp
w^
Gia tri dat
6 is_alp
Chap hanh
Udc
10 Udc
is_dq
SVPWM
us_alp
usq
us_alp
5 us_alp
Discrete , Ts = 2e-006 s. powergui
Xung_dk
is_alp
ws
Psird^
Bu _SDD
Tr^
9 ws^
ws^
- 23 - - 24 -
Udc
Dieu khien
1
e_Psi
Adaptive PID
1
Psir*
Tr
isd*
EKF
R_Psi_A
w^
Tr^
2 Psir^
us_dq^
us_dq
ws^
ws^
is_dq^
is_dq
Psird^
3 Tr
is_abc
is_alp
Hình 4.6 - Sơ ñồ tổng thể khối ñiều khiển thích nghi.
us_abc
us_alp
Bo quan sat va chuyen doi
e_w
1 w*
Adaptive PID
Km
1 isq*
Tr
G
R_w_A
2 w^
Hình 4.7 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển từ thông thích nghi theo Tr.
3 Tr
Hình 4.2 - Mô hình tổng thể hệ thống ñiều khiển.
2
us_dq ^
2500
is_d
1
zp
is_q
n-Ref n-Nm n-Adc
w^
2000
Ex_Kalman
Lm
3 Psird^
S-Function
1500
Psirq^
3 is_dq ^
1/u
1 Tr ^
p) V/ ( n
1000
500
2 ws^
0
0
0.5
1
2
2.5
3
1.5 Time (s)
Hình 4.8 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển tốc ñộ nghi theo Tr.
23
24
Hình 4.5 - Sơ ñồ khối lọc Kalman mở rộng. Hình 4.9 - Đáp ứng tốc ñộ với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
0.9
0.8
- 25 - - 26 -
0.7
Kết quả cho thấy, sử dụng ĐKTN ñã làm giảm ñáng kể ñộ quá
0.6
0.5
Wb)
ñiều chỉnh khi khởi ñộng (ñặc tính n-Adc). Giải quyết ñược hiện
0.4
( d r Psi
1460
0.3
0.2
1440
p) V/ ( n
0.1
1420
Psird Psird-Nm Psird-Adc
0
n-Nm
n-Adc
0.5
1
2
2.5
3
0
n-Ref n-Nm n-Adc
1.5 Time (s)
1400
2.91
2.92
2.93
2.94
2.96
2.97
2.98
2.99
3
2.95 Time (s)
tượng sai lệch về biên ñộ tốc ñộ như thể hiện trong Hình 4.10.
Hình 4.13 - Từ thông rotor với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
0.83
400
0.825
mC mM-Nm mM-Adc
300
Wb)
0.82
200
( d r Psi
0.815
100
m) (N. M m
0.81
0
Psird-Nm
Psird-Adc
Psird Psird-Nm Psird-Adc
2.91
2.92
2.93
2.94
2.96
2.97
2.98
2.99
3
-100
2.95 Time (s)
-200
0
0.5
1
2
2.5
3
1.5 Time (s)
Hình 4.10 - Tốc ñộ ñộng cơ vùng tải ñịnh mức với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
0.18
Trx Tr^
65
0.17
mC mM-Nm mM-Adc
60
0.16
0.15
55
(
0.14
50
s) ( Tr
m) N. M m
0.13
45
0.12
mM-Adc
40
0.11
35
0.1
2.82
2.84
2.86
2.88
2.92
2.94
2.96
2.98
3
0.5
1
2
2.5
3
0
mM-Nm
2.9 Time (s)
1.5 Time (s)
Hình 4.14 - Khắc phục hiện tượng sai lệch từ thông rotor khi sử dụng ĐKTN với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Hình 4.11 - Đáp ứng mômen với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
^ với Trx = Tr/1.5.
Hình 4.15 - Quan sát hằng số thời gian rotor Tr
4.4. Nhận xét
Hình 4.12 - Khắc phục dao ñộng mômen khi sử dụng bộ ĐNTN với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Quan sát các ñặc tính mM-Adc và Psird-Adc trên Hình 4.11 và
25
Hình 4.13, mômen và từ thông rotor của ñộng cơ trong trường hợp
sử dụng bộ ĐKTN ñã khắc phục ñược các ảnh hưởng do ñiện trở 26
- 27 -
rotor thay ñổi, dẫn ñến thay ñổi hằng số thời gian rotor. So với trường
hợp bình thường (Normal) chỉ sử dụng các bộ ñiều khiển PI không
thích nghi kết hợp với mô hình từ thông rotor như các ñặc tính mM-
Nm và Psird-Nm, thì việc sử dụng ĐKTN kết hợp với việc quan sát
trạng thái ñã ñáp ứng ñược theo chất lượng thiết kế ban ñầu.
KẾT LUẬN
Luận văn ñã giải quyết thành công vấn ñề ĐKTN hằng số thời
gian rotor của ĐCKĐB rotor lồng sóc, trong ñó sử dụng bộ lọc
Kalman mở rộng ñể nhận dạng hằng số thời gian rotor.
Các kết quả mô phỏng ñã cho thấy bộ ĐKTN hằng số thời gian
rotor của ĐCKĐB rotor lồng sóc ñã giải quyết ñược vấn ñề ñặt ra của
ñề tài: loại bỏ ñược ảnh hưởng của hằng số thời gian rotor ñến chất
lượng của hệ thống. Kết quả mô phỏng ñã khẳng ñịnh tính ñúng ñắn
của các giải pháp ñề xuất và cho thấy triển vọng sử dụng trong
thực tiễn.
Luận văn ñã ñưa ra cách giải quyết vấn ñề trên lý thuyết và kiểm
nghiệm bằng mô phỏng. Từ ñây, có thể cho phép nghiên cứu ñể triển
khai mô hình thực nghiệm, ứng dụng vào thực tiễn và ñó cũng là một
27
hướng ñể một lần nữa khẳng ñịnh và phát triển ñề tài./.
