-1-
-2-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐHBK, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HOÀNG ĐỨC HÙNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh
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
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
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.
Đà Nẵng - Năm 2011
1
2
-3-
-4ñiện 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
kinh tế kỹ thuật ñược ñặt ra giữa một bên là nỗ lực nghiên cứu vật
của ñộng cơ nhưng lại ñòi hỏi ñộ chính xác cao.
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
phát triển ñến mức gần như hoàn thiện. Cấu trúc ñiều khiển theo
Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc.
nguyên lý ñiều khiển T4R thường ñược sử dụng là ñiều khiển dòng
Phạm vi nghiên cứu chính của ñề tài này là xây dựng ñược hệ
thống ñiều khiển thích nghi theo hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB
ñiện riêng rẽ cũng như áp ñặt nhanh mômen quay. Hai mạch vòng
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
3
4
-6-
-5u sd = Rs i sd + pψ sd − ω sψ sq
1.2. Mô hình của ĐCKĐB
u sq = Rs isq + pψ sq + ω sψ sd
1.2.1. Mô hình 3 pha của ĐCKĐB
0 = Rr ird + pψ rd − ω rψ rq
Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sóc có 3 pha ñối xứng, khe hở
không khí là ñều và phân bố từ thông theo khe hở không khí là Sin.
ψ sd = Ls i sd + LM ird = Lσs i sd + LM imd = Lσs isd + ψ md
ψ sq = Ls isq + LM irq = Lσs isq + LM imq = Lσs i sq + ψ mq
Theo [1], hệ phương trình của ĐCKĐB rotor lồng sóc viết trong
ψ rd = Lr ird + LM i sd = Lσr ird + ψ md
ψ rq = Lr irq + LM i sq = Lσr irq + ψ mq
hệ toạ ñộ 3 pha dạng thu gọn như sau:
U s = [Rs ]i s + pψ s
U r = [Rr ]i r + pψ r + e r
(1.4)
mM =
ψ s = [Lσs ]i s + [Lm ]i m = [Ls ]i s + [Lm ]i r
ψ r = [Lσr ]i r + [Lm ]i m = [Lm ]i s + [Lr ]i r
3 LM
(ψ rd isq + ψ rq isd )
zp
2
Lr
a. Mô hình trạng thái liên tục
1.2.2. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ αβ
Theo [2], nếu ñặt các vector trạng thái và ñầu vào:
x fT = [i sd , i sq ,ψ rd| ,ψ rq| ]; u fT = [u sd , u sq ]
Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB ñược viết dưới dạng:
dx f
(1.20)
= A f x f + B f u f + Nx f ω
Hệ phương trình của ñộng cơ trên hệ trục toạ ñộ trực giao αβ:
u sα
i s α
ψ sα
u = [Rs ]i + p ψ
sβ
sβ
sβ
i rα
ψ rα − erα
0
0 = [Rr ]i + p ψ + e
rβ
rβ rβ
ψ sα
i sα
irα
i sα
imα
ψ = [Ls ]i + [LM ]i = [Lσs ]i + [LM ]i
sβ
sβ
rβ
sβ
mβ
ψ rα
i rα
i sα
i r α
imα
ψ = [Lr ]i + [LM ]i = [Lσr ]i + [LM ]i
rβ
rβ
sβ
rβ
mβ
3 LM
(ψ rα isβ −ψ rβ isα )
mM = z p
2
Lr
(1.7)
0 = Rr irq + pψ rq + ω rψ rd
dt
s
1 1−σ
+
−
σTs σTr
0
Af =
1
Tr
0
(1.6)
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
σL
s
Bf = 0
0
0
s
0
1 B1f
=
σLs B2f
0
0
1−σ
σTr
1−σ
0
1 1−σ
−
+
σTs σTr
0
−
ω
σ
1
−
Tr
1
Tr
;
0
− 1
N=
0
0
ω
−
1−σ
σ
1−σ
σTr
−ω
−
1
Tr
ω
A f
= 11f
A21
0
0 0 0
0 0 1
0 − 1 0
1
0
A12f
;
A22f
(1.21)
b. Mô hình trạng thái gián ñoạn
Theo [2], mô hình trạng thái gián ñoạn của ĐCKĐB:
x(k + 1) = Φ (k )x(k ) + H (k )u (k )
y (k ) = C (k )x(k )
5
6
(1.23)
-7 T 1 1−σ
ω sT
1 − +
Tr
σ Ts
T 1 1−σ
− ωsT
1 − +
f
σ
Tr
Ts
Φ =
T
0
Tr
T
0
Tr
T
0
σL
s
T H 1f
Hf = 0
=
σLs H 2f
0
0
0
0
-81−σ T
σ Tr
−
1−σ
σ
ωT
T
1−
Tr
− (ω s − ω )T
1−σ
σ
ñồng bộ nên góc γi biến thiên rất chậm, các thành phần chiếu của
ωT
1−σ T
f
σ Tr = Φ 11
f
Φ
(ω s − ω )T 21
T
1−
Tr
vector dòng ñiện lên các trục sẽ giống như các ñại lượng một chiều,
Φ
;
Φ
f
12
f
22
cho phép có thể tổng hợp các bộ ñiều khiển vô hướng cho từng thành
phần. Trong phương pháp này cần phải xác ñịnh ñược vị trí góc của
vector từ thông rotor ñể có thể tựa hệ trục dq vào ñó.
(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
Hình 2.2 - Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển vector tựa từ thông rotor.
phương pháp này, quan sát trên Hình 2.1, trong ñó hệ trục tọa ñộ dq
2.2. Các phương pháp thiết kế bộ ñiều khiển dòng ñiện trong hệ
ñược tựa vào vector từ thông roto.
jq
thống ñiều khiển T4R.
ωs
us ωs
is
ψr
d
2.2.1. Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq tựa
ωs
từ thông rotor:
ω
γi
uqs
ϑr
ids
iqs
ϑs
ϑ
α=as
Hình 2.1 - Đồ thị
vector trường hợp
tựa hệ dq từ thông
rotor.
Ở chế ñộ tựa xác lập, các vector không gian ñều quay với tốc ñộ
7
8
-91
Ti .s+1
1/Rs
1
u_sd
Ts.s+1
- 10 -
1
i_sd
R11
R
21
C
LM
i_sd
Tr .s+1
mC 4
esd
Ls
1
Ls 1 +
R12
pT
1
s
=
R22 2Ti K nl K i
ω s Lnm
1
Lnm 1 +
pTnm
ω s Ls
(2.9)
Nếu xem tất cả các sức ñiện ñộng ñều là nhiễu biến thiên chậm
zp
J.s
thì có thể thực hiện việc tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và
w
mM 3
ws
Lnm
wr
sau ñó thực hiện việc tách kênh bằng các mạch bù sức ñiện ñộng như
trên Hình 2.7 với các bộ ñiều khiển xác ñịnh ñược như sau:
R11' ( p ) = R11 ( p ); R ' ( p ) = ω s Ls ;
12
3*zp*Lm /(2*Lr)
LM
esq
K i K nl
Tr
1/Rnm
2
u_sq
Tnm .s+1
1
i_sq
Ti .s+1
'
ωL
ω
R ( p ) = s nm ; R22 ( p ) = R22 ( p ); Rbu ( p ) = r
2
i_sq
'
21
3 e_rq
Hình 2.5 - Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trong hệ tọa ñộ dq tựa từ
thông rotor.
K i K nl
K nl
Một phương pháp khác cũng hay ñược sử dụng là dòng ñiện riêng
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]).
2.2.2. Điều khiển dòng ñiện riêng rẽ
ψ sα t u sα
i sα
ψ = ∫ u − Rs i dt
sβ 0 sβ
sβ
Coi nghịch lưu ñiện áp là bộ khếch ñại công suất có hệ số khếch
(2.10)
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 2.7 - Cấu trúc bộ ñiều
khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù
tách kênh bằng dòng ñiện.
Hình 2.6 - Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ.
Các bộ ñiều khiển dòng ñiện trên Hình 2.6 ñược xác ñịnh:
Hình 2.8 - Cấu trúc bộ ñiều
khiển dòng ñiện riêng rẽ có
bù sức ñiện ñộng.
Từ ưu ñiểm của cấu trúc ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức
ñiện ñộng là hạn chế sai số, tác giả ñã sử dụng cấu trúc này kết hợp
9
10
- 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
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:
0.9
tích ở trên. Theo ñó, bộ ñiều khiển dòng:
1
1
R22 =
Lnm 1 +
2Ti K nl K i
pT
nm
0.8
0.7
0.6
Psird(Wb)
1
1
;
R11 =
Ls 1 +
2Ti K nl K i
pTs
2.3.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông
Bộ ñiều khiển là khâu PI, xác ñịnh theo chuẩn tối ưu mô ñun:
K iψ
(2.12)
R ( p) = K +
ψ
pψ
K pψ =
K iψ =
K pω
0.2
2J
=
;
Ta K1 K 2
K iω =
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
Hình
Đápsát
ứngcho
từ thấy,
thôngởrotor
khi biến
rotor.
Kết2.16
quả -quan
giai ñoạn
khởiñộng
ñộngtăng
banñiện
ñầu trở
và chưa
(2.13)
K iω
p
Psird-150
Psird-100
Psird-Ref
0.1
0
1
2 LM Ti
2.3.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ
Rω ( p ) = K pω +
0.4
0.3
p
Tr
;
4 LM Ti
0.5
K pω
mang tải thì từ thông ít bị ảnh hưởng bởi sự biến ñộng của ñiện trở
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
4Ta
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
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
vector từ thông và lệch pha giữa dòng mô hình và dòng ñộng cơ:
~
~
(2.15)
i s = iˆs e jϑ , ϑ s = ϑˆs − ϑ s
1.5Rr) thì từ thông rotor, khi ñã ñến vùng ổn ñịnh vẫn dao ñộng và
lệch biên ñộ với biên ñộ sai khác khoảng ± 0.6% so với giá trị ổn
ñịnh như thể hiện trong Hình 2.17.
s
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
ñược. Ngoài ra, sai số xác lập của mômen và từ thông sẽ có ảnh
11
12
- 13 -
- 14 -
0.82
350
mM-150
mM-100
mC
300
0.815
250
0.81
Psird-150
0.805
2.91
2.92
Psird-150
Psird-100
Psird-Ref
Psird-100
2.93
2.94
2.95
2.96
Time (s)
2.97
2.98
2.99
200
mM(N.m)
Psird (Wb)
0.825
3
150
100
50
0
Hình 2.17 - Hiện tượng sai lệch từ thông rotor khi tăng ñiện trở rotor.
-50
-100
2500
n-Ref
n-100
n-150
2000
-150
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
Hình 2.20 - Đáp ứng mômen ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện
trở rotor.
n (V/p)
1500
1000
65
mM-150
mM-100
mC
60
500
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
mM(N.m)
55
0
3
Hình 2.18 - Đáp ứng tốc ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện trở rotor.
45
mM-100
Quan sát ñáp ứng tốc ñộ thấy rằng, trường hợp ñiện trở rotor tăng
lên 1.5 lần ngoài việc ảnh hưởng ñến ñộ quá ñiều chỉnh khi khởi
giá trị mong muốn là 15v/p (1.04%).
2.84
2.86
2.88
2.9
2.92
Time (s)
2.94
2.96
2.98
3
với giá trị nguội thì ñáp ứng mômen của ñộng cơ bị ngược (âm) khi
khởi ñộng và dao ñộng mạnh khi mang tải ñịnh mức với biên ñộ dao
ñộng ±27.6%.
1460
n (V/p)
2.82
Hình 2.21 - Hiện tượng dao ñộng mômen ñộ ñộng cơ khi tăng
ñiệntrở
trởrotor
rotor.bị thay ñổi tăng lên 150% so
Kết quả cho thấy, khi ñiện
ñịnh khi mang tải ñịnh mức. Khi ñộng cơ mang tải ñịnh mức ñồng
nằm trong vùng ổn ñịnh mới với biên ñộ trung bình sai khác so với
40
35
mM-150
ñộng còn ảnh hưởng ñến biên ñộ tuyệt ñối của tốc ñộ trong vùng ổn
thời với sự biến ñổi tăng lên 150% của ñiện trở rotor, tốc ñộ ñộng cơ
50
2.4.3. Kết luận
Từ kết quả quan sát cho thấy khi ñiện ñiện trở rotor thay ñổi tăng
1450
1440
n-150
1430
2.905
2.91
n-Ref
n-100
n-150
n-100
2.915
2.92
2.925 2.93
Time (s)
2.935
2.94
2.945
Hình 2.19 - Hiện tượng lệch biên ñộ tốc ñộ ñộng cơ trong vùng
13
ổn ñịnh khi tăng ñiện trở rotor.
lên trong quá trình làm việc ảnh hưởng ñến việc ổn ñịnh ñặc tính từ
thông và mômen, ñặc biệt là biên ñộ của tốc ñộ ñộng cơ không còn
bám theo chính xác giá trị tốc ñộ mong muốn. Vấn ñề này sẽ ñược
14
- 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
ñầu ra ym(t) của mô hình tham chiếu. Mục tiêu là:
3.1. Tổng quan về ñiều khiển thích nghi
y m (t ) ≈ y (t ) ⇔ e(t ) = y (t ) − y m (t ) ≈ 0
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
bộ ñiều khiển dựa trên chu trình làm việc ñịnh trước hoặc các thông
số, cấu trúc của ñối tượng ñược quan sát thực tế trong quá trình
(3.1)
tham số bộ ñiều khiển ñể luôn có ñược sai số e(t) ≈ 0 và ñiều này
phải không ñược phụ thuộc vào sự thay ñổi bên trong ñối tượng.
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.
Ứng dụng trong ñề tài nghiên cứu của mình, tác giả chỉ trình bày
phương pháp thích nghi sử dụng bộ ñiều khiển có cấu trúc cố ñịnh và
trúc xác ñịnh, cho trước, ñiển hình là mô hình ñiều chỉnh theo luật
MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác ñịnh dương
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
adaptive system) ñược viết tắt là MRAS có sử dụng bộ ñiều khiển
thông số p sao cho ñảm bảo mục tiêu (3.1). Tức là cần có:
e
thích nghi có mô hình theo dõi (Model reference adaptive control)
ñược viết tắt là MRAC, nguyên lý cơ bản của hệ ñược thể hiện bằng
de(t )
<0
dt
Và ñể ñạt ñược (3.2) ta chỉ cần thay ñổi p sao cho:
sơ ñồ tổng quát như sau:
T
T
∂e
∂e
dp
hoặc có thể viết
(3.3)
= −γe
= −γ sgn (e )
∂p
∂p
dt
dt
dp
Hình 3.2 - Cấu trúc
chung của bộ ñiều
khiển thích nghi có mô
hình theo dõi.
(3.2)
Trong ñó γ là hằng số dương tùy ý và ñược gọi là hệ số khuếch
ñại thích nghi, tốc ñộ ñể lim e(t ) = 0 phụ thuộc theo ñộ lớn của γ.
t −>0
3.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển nhờ cực tiểu hóa hàm
mục tiêu hợp thức (xác ñịnh dương)
Theo [3], nguyên tắc làm việc của bộ ĐKTN MRAC ñược tóm
15
Cũng theo [3], phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm
16
- 17 -
- 18 -
mục tiêu xác ñịnh dương V(e) của các vector sai lệch e.
V (e ) > 0, ∀e ≠ 0 và V (0) = 0
Và chỉ cần xác ñịnh bộ ñiều khiển sao cho
Hình 3.4 - Cấu trúc
ñiều khiển thích nghi
tự chỉnh trực tiếp.
dV (e )
xác ñịnh âm
dt
theo e. Theo lý thuyết Lyapunov, ñiều kiện này cũng ñảm bảo ñể
e(t ) → 0 .
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)
Một bộ ñiều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả
Trong nhiều trường hợp, có thể biết ñược sự thay ñổi ñộng học
năng tự xác ñịnh lại mô hình toán học mô tả ñối tượng ñể từ ñó tự
của quá trình theo các ñiều kiện vận hành. Nguồn gốc của sự thay
chỉnh ñịnh lại bản thân nó cho phù hợp vói sự thay ñổi của ñối tượng
ñổi ñộng học có thể là tính phi tuyến. Có thể thay ñổi tham số của bộ
là bộ ĐKTN tự chỉnh (Self tuning regulator), viết tắt là STR. Bộ
ñiều khiển bằng cách giám sát các ñiều kiện vận hành của quá trình.
ĐKTN tự chỉnh ñơn giản nhất là bộ ĐKTN tự chỉnh tham số, tức là
Phương pháp này ñược gọi là lịch trình ñộ lợi.
nó không tự thay ñổi cấu trúc bộ ñiều khiển mà chỉ xác ñịnh lại các
3.5. Điều khiển mờ thích nghi
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
Hình 3.3 - Cấu trúc
chung của bộ ñiều
khiển thích nghi tự
chỉnh.
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
Như ñã phân tích trong Chương 2, sự thay ñổi hằng số thời gian
Một hướng giải quyết bài toán khác khi sử dụng phương pháp
rotor Tr làm ảnh hưởng ñến tốc ñộ ñồng bộ của ñộng cơ. Các bộ ñiều
thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp như ñược ñề cập
khiển và mô hình từ thông ñược xây dựng trên cơ sở hằng số thời
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
tượng kết hợp thuật toán xác ñịnh tham số ñiều khiển thành bộ quan
và kéo dài thời gian quá ñộ, tựa sai hướng từ thông rotor khi mà
sát trực tiếp tham số ñối tượng ñể cập nhật cho bộ ñiều khiển. Sơ ñồ
Tr bị biến ñổi.
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
nghi theo Tr), ñối với hệ thống này chúng ta chỉ cần sử dụng một bộ
17
18
- 19 -
- 20 -
ñiều khiển thích nghi có khả năng tự chỉnh ñịnh thông số theo Tr. Để
4.1.2. Ứng dụng lọc Kalman quan sát trạng thái của ĐCKĐB
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
phương pháp truyền thống có các thông số phụ thuộc vào hằng số
quan sát trạng thái ĐCKĐB rotor lồng sóc như sau:
thời gian rotor Tr kết hợp với việc quan sát trạng thái có thể ñáp ứng
Mô hình gián ñoạn của ĐCKĐB trên hệ dq (1.23) ñược viết lại:
x k +1 = Axk + Bu k
(4.5)
ñược. Trên cơ sở ñó ñưa ñến cấu trúc cho hệ ĐKTN theo hằng số
y k = Cxk
thời gian rotor như sau:
Các ma trận trọng số trong (4.5):
T
1 −
σ
A=
1 1−σ
+
Tr
Ts
ωsT
− ω sT
T 1 1−σ
1 − +
σ Ts
Tr
T
Tr
0
0
T
Tr
1
T 0
B=
σLs 0
0
0
1
0
1
; C=
0
0
0
0
0
1
0
0
1−σ T
σ Tr
−
1−σ
σ
1−
ωT
T
Tr
− (ω s − ω )T
1−σ
σ
ωT
1−σ T
σ Tr ;
(ω s − ω )T
T
1−
Tr
T
(4.6)
Đặt τ = 1/Tr, và xem như một hằng số ngẫu nhiên có dạng:
Hình 3.5 - Cấu trúc tổng thể bộ ñiều khiển thích nghi hằng số
3.7. Nhận xét
τ k +1 = τ k + ξ k
(4.7)
Trong ñó {ξ k } là nhiễu ồn trắng phân bố chuẩn Gaussian không
thời gian rotor.
Để thực hiện cấu trúc này tác giả thực hiện việc thiết kế các bộ
tương quan với nhiễu ño lường {η k } và có phương sai là một ma trận
ñiều khiển từ thông và tốc ñộ có thông số hiệu chỉnh ñược theo tham
dương cho trước Var (ξ k ) = S k . Mô hình ñộng cơ (4.5) với giả thiết
số Tr. Quan sát từ thông rotor và hằng số thời gian rotor ñể tính toán
(4.7) có thể ñược viết lại thành hệ phi tuyến như sau:
x k +1 Ak (τ k )x k Bk u k Gk ξ k
lại tốc ñộ ñồng bộ ωs phục vụ cho các khâu chuyển ñổi hệ trục tọa ñộ.
=
+ 0 + ξ
k
τ k +1 τ k
x
k
y = [C 0]
k
τ + η k
k
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
4.1.1. Thuật toán lọc Kalman
19
20
(4.8)
- 21 T1
1− σ
Tτ k
ωsT
1 − + (1 − σ )τ k
T
σ
σ
s
1− σ
T1
A k (τ k ) =
−ωsT
1 − + (1 − σ )τ k −
ωT
σ Ts
σ
Tτ k
0
1 − Tτ k
0
Tτ k
−(ωs − ω )T
Bk = B, C k = C
- 22 1− σ
σ
trạng thái như Hình 4.5.
ωT
1− σ
Tτ k
σ
(ωs − ω )T
1 − Tτ k
4.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển thích nghi ĐCKĐB
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:
4.2.1. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ
K pw =
Gk là ma trận trọng số nhiễu.
Các vector nhiễu ξ k và η k ñược giả thiết là các nhiễu trắng
Các hệ số K7, K8, K9, K10, K11 không phụ thuộc vào Tr.
4.2.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông
phân bố chuẩn Gaussian, kỳ vọng bằng 0 và với mọi k, j, ta có:
Cov(ξ k , ξ j ) = Qk δ kj , Cov(η k ,η j ) = Rk δ kj
(4.9)
Các bước thực hiện sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng ñể
nhận dạng biến trạng thái mới τ như sau:
τˆk −1
+
0
K pψ =
Tr
1
; K iψ =
4Ti LM
2Ti LM
4.3. Mô phỏng và kiểm chứng
4.3.1. Các thông số của ñộng cơ
• Dự báo (Predict):
xˆ k ,k −1 Ak −1 (τˆk −1 )xˆ k −1 Bk −1u k −1
=
τˆk ,k −1
K 7 K8
K
K
K
; K iw = 9 + 102 + 113
+
Tr Tr2
Tr
Tr
Tr
(4.10)
∂
∂
[A (τˆ )xˆ ]
[A (τˆ )xˆ ]
A (τˆ )
A (τˆ )
= k −1 k −1 ∂τ k −1 k −1 k −1 Pk −1,k −1 k −1 k −1 ∂τ k −1 k −1 k −1 +
Ι
Ι
0
0
Các thông số của ĐCKĐB rotor lồng sóc sử dụng cho việc
mô phỏng như ñã trình bày trong Chương 2 của luận văn.
T
Pk ,k −1
0
S k −1
1−σ
T σ (x3k − x1k )
1−σ
∂
[Ak −1 (τˆk −1 )xˆ k −1 ] = T σ (x 4k − x2 k )
∂τ
T (x1k − x3k )
T (x − x )
2k
4k
(4.11)
G Q G T
+ k −1 k −1 k −1
0
• Hiệu chỉnh (Correction):
−1
T
T
0] [[C k 0]Pk ,k −1 [C k 0] + Rk ]
(4.12)
K k = Pk ,k −1 [C k
(4.13)
xˆ k xˆ k ,k −1
τˆ = τˆ , + K k ( y k − C k xˆ k ,k −1 )
k k k −1
(4.14)
Pk ,k = [Ι − K k [C k
(4.15)
0]]Pk ,k −1
4.3.2. Các sơ ñồ mô phỏng và kết quả mô phỏng
Sơ ñồ cấu trúc hệ thống với bộ lọc Kalman ñể nhận dạng các biến
21
22
- 24 -
- 23 R_psi
us_abc
mC
mC
Psird_fix
is_abc
Psird_fix
Psird*
w(rad/s)
2
w*
mW
8
Tr ^
Udc
4
is_dq
Xung_dk
w*
w^
Gia tri dat
R_11
Psir*
7
Psird^
isd*
Psir^
isd*
Tr
3
w^
isq*
w^
Discrete ,
Ts = 2e-006 s.
powergui
us_alp
Xung_dk
usd*
usq*
usq*
usd
isq*
usd
isq
Tr
R_w
usq
R_22
Xung_dk
ws
6
is_alp
Chap hanh
is_dq
usd*
isd
w*
Psir*
w^
wN
1
Psir*
1
Xung _dk
is_alp
10
Udc
Udc
SVPWM
5
us_alp
us_alp
usq
is_alp
ws
Psird^
Bu _SDD
9
ws^
Tr^
Hình 4.6 - Sơ ñồ tổng thể khối ñiều khiển thích nghi.
ws^
Udc
Dieu khien
1
e_Psi
Adaptive PID
Tr
Psir*
1
isd*
EKF
Tr^
ws^
Psird^
R_Psi_A
2
Psir^
w^
us_dq^
us_dq
is_dq^
is_dq
ws^
3
Tr
is_abc
Hình 4.7 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển từ thông thích nghi theo Tr.
is_alp
us_abc
us_alp
Bo quan sat va chuyen doi
e_w
1
w*
Adaptive PID
Km
1
isq*
Tr
2
w^
Hình 4.2 - Mô hình tổng thể hệ thống ñiều khiển.
G
R_w_A
3
Tr
Hình 4.8 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển tốc ñộ nghi theo Tr.
2
us_dq ^
2500
is_d
w^
zp
Ex_Kalman
Lm
S-Function
3
is_dq ^
n-Ref
n-Nm
n-Adc
is_q
2000
3
Psird^
1500
Psirq^
1/u
n(V/p)
1
1
Tr ^
1000
500
2
ws^
0
Hình 4.5 - Sơ ñồ khối lọc Kalman mở rộng.
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
Hình 4.9 - Đáp ứng tốc ñộ với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
23
24
- 25 -
- 26 0.9
Kết quả cho thấy, sử dụng ĐKTN ñã làm giảm ñáng kể ñộ quá
0.8
0.7
ñiều chỉnh khi khởi ñộng (ñặc tính n-Adc). Giải quyết ñược hiện
Psird(W
b)
0.6
tượng sai lệch về biên ñộ tốc ñộ như thể hiện trong Hình 4.10.
n(V/p)
1460
0.5
0.4
0.3
0.2
1440
Psird
Psird-Nm
Psird-Adc
0.1
1420
n-Nm
n-Ref
n-Nm
n-Adc
n-Adc
1400
2.91
2.92
2.93
2.94
2.95
2.96
Time (s)
2.97
2.98
2.99
0
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
3
Hình 4.13 - Từ thông rotor với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
Hình 4.10 - Tốc ñộ ñộng cơ vùng tải ñịnh mức với hằng số
thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
0.83
400
mC
mM-Nm
mM-Adc
0.825
Psird(W
b)
300
m
M(N
.m
)
200
0.82
0.815
100
Psird-Nm
0.81
0
2.91
2.92
2.93
2.94
-100
-200
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
Hình 4.11 - Đáp ứng mômen với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
Psird
Psird-Nm
Psird-Adc
Psird-Adc
2.95
2.96
Time (s)
2.97
2.98
2.99
3
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.
0.18
mC
mM-Nm
mM-Adc
60
0.16
55
0.15
50
0.14
0.13
45
mM-Adc
Trx
Tr^
0.17
Tr (s)
m
M(N
.m
)
65
0.12
40
0.11
35
mM-Nm
2.82
2.84
2.86
2.88
2.9
2.92
Time (s)
2.94
2.96
2.98
0.1
3
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
Hình 4.15 - Quan sát hằng số thời gian rotor Tr^ với Trx = Tr/1.5.
Hình 4.12 - Khắc phục dao ñộng mômen khi sử dụng bộ ĐNTN
với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5.
4.4. Nhận xét
Quan sát các ñặc tính mM-Adc và Psird-Adc trên Hình 4.11 và
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
25
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 mMNm 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
hướng ñể một lần nữa khẳng ñịnh và phát triển ñề tài./.
27
- Xem thêm -
.PDF 
14 
216 
95 
