Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2014 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 tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Các số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình Tác giả luận án Phạm Tâm Thành LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn thầy GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngoài dẫn mặt khoa học, động viên lòng tin tưởng thầy dành cho tác giả động lực lớn giúp tác giả tự tin say mê nghiên cứu Qua tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc lòng quý mến thầy Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo, thầy, đồng nghiệp Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao (Hitech) Viện Kỹ thuật Điều khiển&Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường học tập nghiên cứu thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận án Tại tác giả nhận nhiều dẫn, góp ý môi trường khoa học nghiêm túc thân thiện, điều khơng thể thiếu q trình nghiên cứu, hồn thành luận án tác giả Tác giả xin cảm ơn Thầy, anh chị, bạn đồng nghiệp cơng tác Bộ mơn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, người có góp ý q báu giúp tác giả hồn thiện luận án Tác giả xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Ban lãnh đạo, chuyên viên Viện Đào tạo Sau đại học Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện hỗ trợ tác giả trình nghiên cứu, hoàn thiện luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Ban chủ nhiệm Khoa Điện-Điện tử, Ban chủ nhiệm Bộ môn, anh chị đồng nghiệp công tác Bộ môn Điện tự động công nghiệpKhoa Điện-Điện tử, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi trình tác giả học tập, cơng tác hồn thành luận án Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bố mẹ, vợ trai, người cảm thông động viên tác giả q trình hồn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, bạn bè nguồn động viên to lớn tác giả Tác giả MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 12 TỔNG QUAN 16 1.1 Đặt vấn đề 16 1.2 Tổng quan phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều ba pha .17 1.3 Điều khiển thời gian thực (realtime control, digital control) cho máy điện xoay chiều ba pha 23 1.3.1 Bộ điều khiển thời gian thực tuyến tính cho máy điện xoay chiều ba pha 23 1.3.2 Bộ điều khiển thời gian thực phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha 23 1.4 Tình hình định hướng nghiên cứu 24 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước 24 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước ngồi .24 1.4.3 Định hướng nghiên cứu luận án 25 MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA THÍCH HỢP CHO THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 26 2.1 Mô hình tốn học máy điện khơng đồng rotor lồng sóc .26 2.2 Mơ hình dịng phi tuyến dạng affine máy điện khơng đồng rotor lồng sóc .30 2.3 Mơ hình gián đoạn bilinear máy điện khơng đồng rotor lồng sóc thích hợp với điều khiển thời gian thực 31 2.3.1 Nghiệm phương trình vi phân dạng ma trận 32 2.3.2 Nghiệm phương trình bilinear .32 2.3.3 Mơ hình trạng thái gián đoạn máy điện khơng đồng rotor lồng sóc sử dụng phương pháp Taylor 34 2.4 Kết luận chương 36 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 37 3.1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện khơng đồng rotor lồng sóc sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xác 37 3.1.1 Khái quát phương pháp tuyến tính hố xác .37 3.1.2 Cấu trúc điều khiển 39 3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng rotor lồng sóc theo nguyên lý hệ phẳng 40 3.2.1 Khái quát nguyên lý hệ phẳng 40 3.2.2 Cấu trúc điều khiển 42 3.3 Cấu trúc điều khiển cho máy điện khơng đồng rotor lồng sóc sử dụng phương pháp backstepping 45 3.3.1 Khái quát phương pháp backstepping .45 3.3.2 Cấu trúc điều khiển 46 3.4 Kết luận chương 48 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THỜI GIAN THỰC CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 49 4.1 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng rotor lồng sóc thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác 49 4.2 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng rotor lồng sóc thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng .55 4.3 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng rotor lồng sóc thiết kế theo phương pháp backstepping 57 4.4 Kết luận chương 61 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 62 5.1 Kết mô cho máy điện không đồng rotor lồng sóc 62 5.1.1 Mơ cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác 62 5.1.2 Mô cấu trúc điều khiển thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng 79 5.1.3 Mô cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp backstepping 85 5.1.4 Đánh giá kết mô cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp khác 88 5.2 Kết thí nghiệm 93 5.2.1 Cấu trúc thực nghiệm ưu 93 5.2.2 Kết thí nghiệm động khơng đồng rotor lồng sóc 95 5.3 Kết luận chương 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 PHỤ LỤC 114 Phụ lục A: Mơ hình máy điện đồng kích thích vĩnh cửu 114 A1: Mơ hình trạng thái máy điện đồng kích thích vĩnh cửu tựa theo từ thông cực 114 A2: Mơ hình dịng affine .115 A3: Mơ hình trạng thái gián đoạn bilinear 116 Phụ lục B: Mơ hình máy điện khơng đồng nguồn kép 117 B1: Mơ hình trạng thái máy điện không đồng nguồn kép tựa theo vector điện áp lưới 117 B2: Mơ hình dịng affine .120 B3: Mơ hình trạng thái gián đoạn bilinear 121 Phụ lục C: Các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến liên tục cho máy điện đồng kích thích vĩnh cửu khơng đồng nguồn kép 122 C1: Máy điện đồng kích thích vĩnh cửu 122 C2: Máy điện không đồng nguồn kép 126 Phụ lục D: Các cấu trúc điều khiển phi tuyến thời gian thực máy điện đồng kích thích vĩnh cửu khơng đồng nguồn kép 131 D1: Máy điện đồng kích thích vĩnh cửu 131 D2: Máy điện không đồng nguồn kép 144 Phụ lục E: Thông số máy điện sử dụng q trình mơ thực nghiệm 154 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ws , wr Tốc độ góc vector thuộc mạch điện stator, rotor w Tốc độ góc học rotor is Vector dòng stator isd , isq , is , is ir Các thành phần vector dòng stator hệ tọa độ dq β Vector dòng rotor ird , irq , ir , ir  Các thành phần vector dòng rotor hệ tọa độ dq β Ys Vector từ thông stator ysd , ysq Các thành phần vector từ thông stator hệ tọa độ dq Ψr Vector từ thông rotor yrd , yrq Các thành phần vector từ thông stator hệ tọa độ dq us Vector điện áp stator usd , usq Các thành phần vector điện áp stator hệ tọa độ dq A Ma trận hệ thống B Ma trận đầu vào N Ma trận tương tác phi tuyến u Vector biến đầu vào x y Vector biến trạng thái r L( x) Vector bậc tương đối Lm Hỗ cảm stator rotor Ls , Lr Điện cảm stator rotor L s , L r Điện cảm tản phía stator rotor Rs , Rr Điện trở stator rotor  zp Hệ số từ tản tồn phần mM , mW Mơmen quay động cơ, mơmen tải J Mơmen qn tính KĐB Khơng đồng KĐB-NK Không đồng nguồn kép Vector biến đầu Ma trận tách kênh Số cặp cực KĐB-RLS Khơng đồng rotor lồng sóc TTHCX TKTT ĐB ĐB-KTVC ĐB-KTĐL MĐXCBP ĐCVTKG ĐCD ĐC TTR T4R TTGĐ ĐLĐK ĐK QS DFIM IM PI PMSM PWM FRT RTI RFO SFO NFO GAS MIMO MOSFET PC ISA DSP IGBT Tuyến tính hóa xác Tách kênh trực tiếp Đồng Đồng kích thích vĩnh cửu Đồng kích thích độc lập Máy điện xoay chiều ba pha Điều chế vector khơng gian Điều chỉnh dịng Điều chỉnh Từ thơng rotor Tựa từ thông rotor Trạng thái gián đoạn Đại lượng điều khiển Điều khiển Quan sát Doubly-Fed Induction Machine Induction Motor Proportional–integral controller Permanent Magnet Synchronous Motor Pulse Width Modulation Finite respone time Real time interface Rotor Flux Orientation Statator Flux Orientation Natural Field Orientation Globally asymptotically stable Multi-Input – Multi-Output Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor Personal computer Integrated Systems Architecture Digital Signal Processor Insulated Gate Bipolar Tranzitor DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Các loại máy điện xoay chiều ba pha 16 Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển đối tượng MĐXCBP 17 Hình 1.3 Hệ thống hóa phương pháp điều khiển MĐXCBP 18 Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển vector phi tuyến cho 19 MĐXCBP Hình 2.1 Đặc điểm phi tuyến bilinear mơ hình máy điện KĐB 27 hệ tọa độ tựa từ thơng rotor Hình 2.2 Đặc điểm phi tuyến bilinear mơ hình dịng máy điện 29 KĐB-RLS hệ tọa độ tựa từ thơng rotor Hình 2.3 Các phương án tìm mơ hình trạng thái gián đoạn 31 Hình 3.1 Cấu trúc đối tượng phi tuyến sau TTHCX 38 (chuyển tọa độ trạng thái) Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 40 kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác [62] Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng [83] 41 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [83] 42 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng 43 rotor lồng sóc thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [19] Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 43 kế theo nguyên lý hệ phẳng (có bổ sung thêm khâu thiết lập quỹ đạo phẳng cho mạch vịng dịng) Hình 3.7 Cấu trúc hệ “dạng tam giác dưới” phương pháp đệ 46 quy (backstepping) tìm hàm điều khiển Lyapunov Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 47 kế theo phương pháp backstepping [20] Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 47 kế theo phương pháp backstepping Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 55 kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác [62] Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển máy điện KĐB-RLS thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng 57 w uDC Backstepping-based Controller * R usd usα usq e js usβ tu tv tw NL ĐCVTKG Js i isd  j sα s isβ isq e isu isv isw Js 3~ MĐĐB_KTVC Đo tốc độ w w IE Hình PL.15 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện ĐB-KTVC thiết kế theo phương pháp backstepping Các bước thiết kế: Bước 1: Xuất phát từ mục tiêu điều chỉnh tốc độ, ta định nghĩa đại lượng sai lệch tốc độ: ew (k ) = wref (k ) - w (k ) (6.103) Tính d sai lệch tốc độ: dew (k ) = dwref (k ) - dw ( k ) = -dw ( k ) = k f w (k ) k f w (k ) J 3z p + mW z p (ypisq (k ) + ( Lsd - Lsq )isd (k )isq (k )) 2J J mT z p ( Lsd - Lsq )isd (k )isq (k ) (6.104) y p isq (k ) J J 2J 2J 3z Từ (6.104) ta coi isd , p y p isq (k ) biến điều khiển ảo (lưu ý 2J chọn isd , isq biến điều khiển ảo), hàm ổn định đề nghị: dew (k ) = + a1 = isd* (k ) = (6.105) * æ 3z ö k w (k ) mW b1 = çç p y p isq (k )÷÷÷ = k1ew + f + ữứ ỗố J J J a1 , b1 hàm ổn định để triệt tiêu sai lệch ew Chọn hàm Lyapunov xác định dương: V1 = ew2 ta tính d V1, ta có: dV1 (k ) = d (ew2 ) Khi ta tính được: ỉ T T dV1 = d (ew2 ) = ew dew + (dew ) = -ỗỗk1 - k12 ữữữ ew2 ỗố 2 ø 141 (6.106) (6.107) (6.108) Từ (6.106) (6.108) ta có: (6.109) dV1 (k ) £ -c1V1 (k ) Theo [85] hệ ổn định mũ điều kiện (6.109) thỏa mãn Với ü T ï ïì c1 £ -2 ớk1 - k12 ý ùợù ù ỵù (6.110) Điểm cân ew = điểm ổn định mũ hệ thỏa mãn : (6.111) < k1 < T ổ 3z Vỡ ỗỗisd , p y p isq (k )÷÷÷ khơng phải biến điều khiển thực, ta định nghĩa ÷ø çè J biến sai lệch: e2 (k ) = a1 - isd (k ) z2 (k ) = b1 - 3z p (6.112) y p isq (k ) 2J Ta viết lại: 3z dew = -k1ew + b - p y p isq = -k1ew + z2 2J Bước 2: Tính tốn tử de2 , d z2 (6.113) de2 = da1 - disd (k ) = - disd (k ) = -disd (k ) = = (6.114) L 1 isd (k ) - z p w (k ) sq isq (k ) usd (k ) Tsd Lsd Lsd Đặt : L isd (k ) - z p w (k ) sq isq (k ) T Lsd N (k ) = usd (k ) Lsd (6.115) M (k ) = (6.116) Vậy ta có: de2 (k ) = M (k ) + N (k )usd (k ) Một cách tương tự ta tính d z2 (k ) : ỉ 3z 3z d z2 (k ) = db1 - d ỗỗ p y p isq (k )÷÷÷ = db1 - p y p disq (k ) ỗố J 2J ứữ (6.117) Trong đó: ỉ k w (k ) mW ư÷ k ÷÷ = k1dew + f dw (k ) + d mW db1 = d ỗỗk1ew + f + ỗố J J ÷ø J T db1 = k1 (-k1ew + z2 ) + ù k f é k f w (k ) mW z p êy p isq (k ) + ( Lsd - Lsq )isd (k )isq (k ))ú (6.118) + ( ú J êë J J 2J û 142 Thay vào (6.117) ta có: é ù 3z 3z y L 1 d z2 (k ) = db1 - p y p disq (k ) = db1 - p y p êê-z p w (k ) sd isd (k ) - isq (k ) + usq (k ) - p z p w (k )úú 2J 2J Lsq Tsq Lsq Lsq êë úû (6.119) ù k f é k f w (k ) mW z p ê+ y p isq (k ) + ( Lsd - Lsq )isd (k )isq (k ))ú ( ú J êë J J 2J û é ù 3z 3z y L 1 - p y p êê-z p w (k ) sd isd (k ) - isq (k ) - p z p w (k )úú - p y p usq (k ) 2J Lsq Tsq Lsq Lsq êë úû J d z2 (k ) = k1 (-k1ew + z2 ) + Và cuối cùng: d z2 (k ) = M ' (k ) + N ' (k )u sq (k ) (6.120) Với: ù k f é k f w (k ) mW z p ê+ y p isq (k ) + ( Lsd - Lsq )isd (k )isq (k ))ú ( ú 2J J êë J J û é ù y 3z L - p y p êê-z p w (k ) sd isd (k ) - isq (k ) - p z p w (k )úú 2J Lsq Tsq Lsq ëê ûú (6.121) M ' (k ) = k1 (-k1ew + z2 ) + N ' (k ) = - 3z p 2J yp usq (k ) Lsq (6.122) Để hệ thống ổn định tiệm cận toàn cục ta chọn hàm Lyapunov: 1 (6.123) V = V1 + e22 + z22 2 Ta xác định T 2 dV = dV1 + e2de2 + z2d z2 + éê(de2 ) + (d z2 ) ùú ë û T T 2 = ew dew + (dew ) + e2 [ M (k ) + N (k )usd (k ) ] + z2 éë M ' (k ) + N ' (k )usq (k )ùû + éê(de2 ) + (d z2 ) ùú ë û 2 (6.124) Sau biến đổi : dV = -k1ew2 + e2 { z2 + [ M (k ) + N (k )usd (k )]} + z2 éë M ' ( k ) + N ' ( k )usq ( k )ùû + (6.125) T 2 + éê(dew ) + (de2 ) + (d z2 ) ùú û 2ë Ta chọn biến điều khiển: usd (k ) = (-k2 e2 - M - z2 ) N usq (k ) = ' (-k3 z2 - M ' ) N Kết cuối : (6.126) (6.127) 143 ì ï ï ïusd (k ) = ï í ï ï usq (k ) = ï ï ï ỵ (-k2 e2 - M - z2 ) N -k3 z2 - M ' ) ' ( N (6.128) Từ : Té 2 (dew ) + (de2 ) + (d z2 ) ùûú ê ë T 2 dV = ew (-k1ew + z2 ) - k2 e22 - k3 z22 + éê(-k1ew + z2 ) + (-k2 e2 - z2 ) + (-k3 z2 ) ùú û 2ë Từ ta chọn hệ số k1 , k2 , k3 hợp lý dV = -k1ew2 - k2 e22 - k3 z22 + (6.129) (6.130) D2: Máy điện không đồng nguồn kép a Cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác Trong phần Phụ lục A ta có mơ hình trạng thái gián đoạn máy điện không đồng nguồn kép Từ mơ hình (6.46) ta viết lại: ìïi (k + 1) = (1- a T ) i (k ) + T {e y ' (k ) - b wy ' (k ) + c u (k ) - d u (k )} + Ti (k )w (k ) rd sq rq r 2 sd 2 rd sd ïï rd ïï ' ' íirq (k + 1) = (1- a2T ) irq (k ) + T {b2 wysd (k ) + e2 ysq (k ) + c2urq (k ) - d 2usq (k )} - Tird (k )wr ïï ïïJr (k + 1) = Jr (k ) + T wr (k ) ïỵ (6.131) Chuyển hệ sang khơng gian trạng thái với biến đầu vào: ▪ Vector đầu vào : ïìïu1 (k ) = e2 ysd' (k ) - b2 wysq' (k ) + c2urd (k ) - d 2usd (k ) ïï ' ' íu2 (k ) = b2 wysd ( k ) + e2 ysq (k ) + c2urq (k ) - d 2usq (k ) ïï ïïu3 (k ) = ws (k ) î ▪ Vector trạng thái : x1 (k )  i rd (k ), x2 ( k )  irq (k ), x3 (k )  r ( k ) ▪ Vector đầu : y1 (k )  ird (k ), y2 (k )  irq (k ), y3 (k )  r (k ) Ta được:  x1 (k  1)  (1  a2T ) x1 (k )  Tu1 (k )  Tx2 (k )u3 (k )   x2 (k  1)  (1  a2T ) x2 (k )  Tu2 (k )  Tx1 (k )u3 (k )  x (k  1)  x (k )  Tu (k ) 3  (6.132) Ta có mơ hình phi tuyến (mơ hình dịng) máy điện khơng đồng nguồn kép biểu diễn theo quan hệ vào – MIMO: 144   x1 (k  1)   (1  a2T ) x1 (k )  T  0  Tx2 (k )              x2 (k  1)   (1  a2T ) x2 (k )     u1 (k )  T  u2 (k )   Tx1 (k )  u3 (k )   x3 (k  1)   x3 (k )       T    y1 (k )  1 0   x1 (k )    y (k )   0   x (k )          y3 (k )  0   x3 (k )   (6.133) Hệ viết lại sau: x(k  1)  f (x)  H (x).u  f (x)  h1 (x)u1 (k )  h (x)u2 (k )  h3 (x)u3 (k )  y (k  1)  g (x) (6.134) Trong đó: H (x)  h1 (x) h (x) h3 (x)   (1  a2T ) x1 (k )  T  0  Tx2 (k )  f (x)  (1  a2T ) x2 (k )  , h1 (x)    , h (x)  T  , h3 (x)   Tx1 (k )         T  x3 (k ) (6.135)  x1 (k )  g (x)   x2 (k )   x3 (k )  Thực tuyến tính hóa theo bước sau: Bước Xác định véc tơ bậc tương đối tối thiểu Đối tượng bậc (n = 3) có tín hiệu vào/ra (m = 3) ▪ Trường hợp j = Lh1 g1  x   1 T      T    (6.136) Lh g1  x   1 0   T     (6.137) Lh g1  x   1  Tx ( k )    Tx1 ( k )   Tx ( k )   T  (6.138) Do r1 = 145 ▪ Trường hợp j =2 T  Lh1 g  x          (6.139)   Lh g  x      a 2T   T    (6.140)  Tx ( k )  Lh g  x      Tx1 ( k )   Tx1 ( k )   T  (6.141) Vậy r2 = ▪ Trường hợp j =3 Lh1 g  x    T  1      (6.142) Lh g  x    0  1 T     (6.143) Lh g  x     Tx1  1  Tx2   T   T  (6.144) r3 = Bước Tính tốn ma trận L  Lh g1  x  Lh2 g1  x  Lh3 g1  x   T   L  x    Lh1 g  x  Lh2 g  x  Lh3 g  x     T    0  Lh1 g3  x  Lh2 g3  x  Lh3 g3  x    Tx2  Tx1  T  (6.145) Có thể dễ dàng nhận thấy det [L(x)] = T  ma trận L(x) nghịch đảo Các điều kiện cần đủ tóm tắt sau : det[L(x)]  T    r1  r2  r3   n (6.146)  Hệ có tính điều khiển 146 Ta có vector bậc tương đối tối thiểu đối tượng là: [r1,r2,r3]= [1,1,1] Bước Thực việc chuyển đổi tọa độ ▪ Tính chất khơng gian trạng thái x chuyển thành không gian trạng thái z:  g1  x    x1   z1      z   z2   m  x    g  x     x2   g3  x    x3   z3  (6.147) ▪ Tính chất mơ hình trạng thái tính sau :   z1  Lf g1 (x)  Lh1 g1 (x)u1  Lh2 g1 (x)u2  Lh3 g1 (x)u3   z2  Lf g (x)  Lh1 g (x)u1  Lh2 g (x)u2  Lh3 g (x)u3    z3  Lf g3 (x)  Lh1 g3 (x)u1  Lh2 g3 (x)u2  Lh3 g3 (x)u3 (6.148) Phương trình (6.148) tính cụ thể sau :  (1  a2T ) x1 (k )  T    z1  1 0 (1  a2T ) x2 (k )   1 0  T    0 x3 (k ) u1 (k )   (1  a2T ) x1 (k )  T Tx2 (k )  u2 (k )  u3 (k )  =(1- a2T ) x1 (k )  Tu1 (k )  Tx2 (k )u3 (k ) Tx2 (k )  Tx1 (k )  u(k ) T   (1  a2T ) x1 (k )  T  z2   0 (1  a2T ) x2 (k )    0  T    0 x3 (k ) u1 (k )   (1  a2T ) x2 (k )   T Tx1 (k ) u2 (k )  u3 (k )   (1  a2T ) x2 (k )  Tu2 (k )  Tx1 (k )u3 (k ) Tx2 (k )  Tx1 (k )  u(k ) T  147 (6.149) (6.150)  (1  a2T ) x1 (k )  T    z3   0 1 (1  a2T ) x2 (k )    0 1  T    0 x3 (k ) u1 (k )   x3 (k )   0 T  u2 (k )   x3 (k )  Tu3 (k ) u3 (k )  Tx2  Tx1  u T  (6.151) Kết việc chuyển đổi tọa độ :  z1  (1- a2T ) x1 (k )  Tu1 (k )  Tx2 (k )u3 (k )  w1   z2  (1  a2T ) x2 (k )  Tu2 (k )  Tx1 (k )u3 (k )  w2  z  x (k )  Tu (k )  w 3  (6.152) Phương trình sau rút từ:  w1   (1  a2T ) x1  T w   w2   (1  a2T ) x2    T  w3     0 x3 Tx2  Tx1  u T  (6.153) (6.154) w  p(x)  L(x)u Bước Tìm khâu chuyển tọa độ trạng thái (6.155) u  L1 (x).p(x)  L1 (x).w Ta tính tốn ma trận L(x) từ (6.145): T L(x)   T  0 Tx2  Tx1  T  (6.156) Tính tốn ma trận nghịch đảo ma trận L(x) ta thu kết : 1 T  1 L ( x)     0  T  x2 T    x1  T  T   (6.157) Ta có điều khiển phản hồi trạng thái: 148 1   (1  a2T ) x1  x2 x3   T u  (1  a2T ) x2  x1 x3     T    x3 0  T  x2 T    x1 w  T  T   (6.158)  u1  T  (1  a2T ) x1  x2 x3  w1  x2 w3    u2   (1  a2T ) x2  x1 x3  w2  x1w3  T   u3  T ( x3  w3 )  (6.159) ìï ïïurd (k ) = é(1- a2T ) ird (k ) - irq (k )Js (k ) + w1 (k ) - irq (k ) w3 (k )ù û ïï Të ïï ïíu (k ) = é(1- a T ) i (k ) + i (k )J (k ) + w (k ) + i (k ) w (k )ù rq rd s rd û ïï rq Të ïï ïïw (k ) = [J (k ) + w (k ) ] r ïïỵ r T (6.160) Đây điều khiển tuyến tính hóa xác cho đối tượng máy điện không đồng nguồn kép Sau thực tuyến tính hóa xác cho đối tượng máy điện KĐB-NK ta tiến hành thiết kế điều chỉnh dòng, điều chỉnh mạch vịng ngồi từ đưa cấu trúc điều khiển cho máy điện KĐB-NK Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng nguồn kép thiết kế trực tiếp từ mơ hình trạng thái gián đoạn theo phương pháp tuyến tính hóa xác Hình PL.16 149 u v w Từ mạch chiều trung gian tới Rird * rd i mG TSP i * rq j Khâu ĐCφ ysq' w1 w2 j* uDC Chuyển tọa độ trạng thái Khâu ĐCMM mG* urd ura PHTT urq e jr urb ĐCVTKG Rirq isd isq Jr j mG ysq' wr ird  jr irq e ira isd ira irb 3~ MP NL Jr Jr r s t tr ts tt irr irs irt isu isv isw IE n GTT isq TSP: Tính giá trị đặt e  jN ĐCVTKG: Điều chế vector không gian irb JN PLL: Đo góc pha, tần số điện áp lưới GTT: Tính giá trị thực PHTT: Phản hồi trạng thái wN uNu PLL uNv U Nd  u s Hình PL.16 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy phát hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng MĐ KĐBNK thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa xác b Cấu trúc điều khiển thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng Dựa phương trình mô men máy điện không đồng nguồn kép: mG = - z p (1- s ) Lr ysq' ird (6.161) Ta thiết lập mạch vòng điều chỉnh công suất hữu công (điều chỉnh mô men): 2mG (k ) (6.162) ird* _ ff (k ) = z p (1- s ) Lr ysq' (k ) Bổ sung thêm điều chỉnh feedback: ird* _ fb (k ) = ird* _ fb (k -1) + r0 m éë mG* (k ) - mG (k )ùû + r0 m éë mG* (k -1) - mG (k -1)ùû (6.163) Vậy: ird* (k ) = 2mG (k ) + ird* _ fb (k -1) + r0 m éë mG* (k ) - mG (k )ùû + z p (1- s ) Lr ysq' (k ) (6.164) +r0 m éë m (k -1) - m (k -1)ùû * G * G Ta tiếp tục thiết lập mạch vòng điều chỉnh cụng sut vụ cụng: ổỗ 2mG (k )ws (k ) ửữữ 1- cosj (k ) ỗ (6.165) irq* _ ff = ysd' (k ) + ÷÷ usd (k ) ỗốỗ 3z p cos j (k ) ứ irq* _ fb (k ) = irq* _ fb (k -1) + r0 cos j éëcos j* (k ) - cos j (k )ùû + r0 cos j éë cos j* (k -1) - cos j (k -1)ùû (6.166) Từ ta tính được: irq* (k ) = irq* _ ff (k ) + irq* _ fb (k ) (6.167) 150 Cuối ta tiến hành thiết lập mạch vòng dòng theo ngun lý hệ phẳng Xuất phát từ mơ hình dịng gián đoạn máy điện khơng đồng nguồn kép (6.47) ta có: urd _ ff (k ) = ird* (k + 1) - (1- aT )ird* (k ) - eT ysd' (k ) + bT w (k )ysq' (k ) + dTusd (k ) - Tirq* (k )wr (k ) urq _ ff (k ) = irq* (k + 1) - (1- aT )irq* (k ) - bT w (k )ysd' (k ) - eT ysq' (k ) + dTusq (k ) + Tird* (k )wr (k ) (6.168) Và: urd _ fb (k ) = urd _ fb (k -1) + r0 ir éëird* (k ) - ird (k )ùû + r1ir éëird* (k -1) - ird (k -1)ùû urq _ fb (k ) = urq _ fb (k -1) + r0 ir éëirq* (k ) - irq (k )ùû + r1ir éëirq* (k -1) - irq (k -1)ùû Cuối ta tính được: urd (k ) = urd _ ff (k ) + urd _ fb (k ) (6.169) (6.170) urq (k ) = urd _ ff (k ) + urd _ fb (k ) Cấu trúc điều khiển: mG _ ref cos j _ ref mG* ird* _ fb (k ) cos j* irq* _ fb (k ) ird* _ ref irq* _ ref ird* (k ) e jr irq* (k ) ird* _ ff (k ) Jr irq* _ ff (k ) wr U Nd ws ysq' ysq' e  jr Jr cos j e jN mG ysq' wr JN JN wN U Nd  u s Hình PL.17 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng nguồn kép thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng c Cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp backstepping Ở phần này, ta thiết kế điều chỉnh dòng rotor máy điện không đồng nguồn kép Cấu trúc điều khiển sử dụng để thiết kế Hình PL.18 151 mG* ird* mG e jr irq* Q* ysq' ysq' Q r w Jr e  jr Q mG ysq' wr e  jN JN wN U Nd  u s Hình PL.18 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện khơng đồng nguồn kép điều chỉnh dịng thiết kế theo phương pháp backstepping Từ mơ hình dịng máy điện KĐB-NK (6.47) ta viết lại sau: ' ' ì ï ïdird (k ) = aird (k ) + eysd (k ) - bw (k )ysq (k ) + curd (k ) - dusd (k ) + irq (k )wr (k ) í ' ' ï ï îdirq (k ) = airq (k ) + bw (k )ysd (k ) + eysq (k ) + curq (k ) - dusq (k ) - ird (k )wr (k ) Tổng hợp điều chỉnh dòng ird (k ) miền gián đoạn: (6.171) Chọn ird (k ) biến điều khiển, giá trị mong muốn ird* (k ) , lấy từ điều chỉnh mơ-men thơng qua khâu tính tốn giá trị đặt TSP Gọi sai lệch giá trị đặt giá trị thực erd (k ) (6.172) erd (k ) = ird* (k ) - ird ( k ) Ta tính derd (k ) : derd (k ) = dird* (k ) - dird (k ) = = dird* (k ) - aird (k ) - eysd' (k ) + bw (k )ysq' (k ) - curd (k ) + dusd (k ) - irq (k )wr (k ) (6.173) Ta chọn hàm ổn định curd (k ) = -k1erd + dird* (k ) - aird (k ) - eysd' (k ) + bw (k )ysq' (k ) + dusd (k ) - irq (k )wr (k ) (6.174) Chọn hàm điều khiển Lyapunov là: V1 = erd2 Từ ta tính dV1 : (6.175) é T T T ù 2 dV1 = erd derd + (derd ) = -k1erd2 + (-k1erd ) = - ê k1 - k12 ú erd2 êë 2 úû Theo [85] hệ ổn định mũ điều kiện (6.177) thỏa mãn: dV1 £ -c1V1 152 (6.176) (6.177) æ T c1 = ỗỗk1 - k12 ữữữ ỗố ø (6.178) T Tổng hợp điều chỉnh dịng irq (k ) miền gián đoạn: Từ ta chọn k1 < (6.179) Chọn irq (k ) biến điều khiển, giá trị mong muốn irq* (k ) , lấy từ điều chỉnh mơ-men thơng qua khâu tính tốn giá trị đặt TSP Gọi sai lệch giá trị đặt giá trị thực erq (k ) (6.180) erq (k ) = irq* (k ) - irq (k ) Ta tính derq (k ) : derq (k ) = dirq* (k ) - dirq (k ) = = dirq* (k ) - dirq (k ) = dirq* (k ) - airq (k ) - bw ( k )ysd' ( k ) - eysq' ( k ) - curq ( k ) + dusq ( k ) + ird ( k )wr (k ) (6.181) Ta chọn hàm ổn định curq (k ) = -k2 erq (k ) + dirq* ( k ) - airq (k ) - bw (k )ysd' (k ) - eysq' (k ) + dusq (k ) + ird (k )wr (k ) (6.182) Chọn hàm điều khiển Lyapunov là: V2 = erq2 Từ ta tính dV2 : dV2 = erq derq + (6.183) 2 é T T T ù derq ) = -k2 erq2 + (-k2 erq ) = - ê k2 - k22 ú erq2 ( 2 ûú ëê dV2 Ê -c2V2 ổ T c2 = ỗỗk2 - k22 ữữữ ỗố ứ (6.184) (6.185) (6.186) (6.187) T Ta viết lại đại lượng điều khiển sau: ì ï ï urd (k ) = (-k1erd + dird* (k ) - aird (k ) - eysd' (k ) + bw (k )ysq' (k ) + dusd (k ) - irq (k )wr (k )) ï ï c í ï ï urq (k ) = (-k2 erq (k ) + dirq* (k ) - airq (k ) - bw (k )ysd' (k ) - eysq' (k ) + dusq (k ) + ird (k )wr (k )) ï ï c ï ỵ (6.188) 2 Và thông số chọn k1 < ; k2 < (6.189) T T Như điều chỉnh dòng rotor thiết kế theo phương pháp backstepping Từ ta chọn k2 < 153 Phụ lục E: Thông số máy điện sử dụng q trình mơ thực nghiệm Động khơng đồng rotor lồng sóc 3.0 kW (chỉ sử dụng mơ phỏng) có thơng số sau: - Cơng suất định mức: PN= 3,0 kW - Dòng điện định mức: IN=7,4 A - Tần số định mức: fN =50 Hz - Hệ số công suất: cosφ = 0,9 - Số đôi cực: zp=1 - Tốc độ định mức: nN= 3000 vòng/phút - Điện áp định mức: UN= 400 V - Điện trở stator: Rs=0,37  - Điện trở Rotor: Rr=0,42  - Điện cảm stator: Ls=0,03441 H - Điện cảm Rotor: Lr=0,03425 H - Hỗ cảm Stator Rotor: Lm=0,0331 H - Mơ-men qn tính: J=0.00095kgm2 Động khơng đồng rotor lồng sóc Marathon (sử dụng mơ thực nghiệm) có thơng số sau: - Cơng suất định mức: PN= 0,18 kW - Dịng điện định mức: IN=1,0 A - Tần số định mức: fN =60 Hz - Số đôi cực: zp=2 - Tốc độ định mức: nN= 1800 vòng/phút - Điện áp định mức: UN= 220 V - Điện trở stator: Rs=11,05  - Điện trở Rotor: Rr=6,11  - Điện cảm stator: Ls=0,316423 H - Điện cảm Rotor: Lr=0,316423 H - Hỗ cảm Stator Rotor: Lm=0,293939 H 154 Hình PL.19 Hình ảnh hệ thống thí nghiệm 155