Trang 1 Trờng đại học bách khoa hà nội ---Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: ĐIều khiển và tự động hóa Sử dụng bộ quan sát giảm bậc để quan sát từ thông rotor trong cấu trúc điều khiển có
Bộ Giáo dục Đào tạo Trờng đại học bách khoa hµ néi Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: ĐIều khiển tự động hóa Sử dụng quan sát giảm bậc để quan sát từ thông rotor cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp (Direct decoupling) cho động không đồng rotor lồng sóc phạm đình träng Hµ Néi - 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205244381000000 Lời cam đoan! Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cao học :"Sử Dụng Bộ Quan Sát Giảm Bậc Để Quan Sát Từ Thông Rotor Trong Cấu Trúc Điều Khiển Có Tách Kênh Trực Tiếp (Direct Decoupling) Cho Động Cơ Không Đồng Bộ Rotor Lång Sãc" t«i tù thùc hiƯn díi sù hớng dẫn thầy giáo pgs.tsKH nguyễn Phùng Quang Các số liệu, kết mô đợc trình bày hoàn toàn trung thực phần mềm Matlab & Simulink - Plecs Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu đà đợc ghi bảng tài liệu tham khảo có ghi đầy đủ trích dẫn mà không sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên Phạm Đình Trọng iv Mục lục Trang Lêi cam ®oan ii Lêi nãi ®Çu iii Môc lôc iv Danh mục bảng vi Danh mục hình vẽ, đồ thị vii Ch¬ng : Mô hình động không đồng (ĐCKĐB) Rotor lồng sóc 1.1 Hệ phơng trình mô tả §CK§B 1.1.1 Vector dòng điện 1.1.2 Vector kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng 1.1.3 Vector điện áp 1.1.4 Phơng trình mômen quay 1.1.5 Phơng trình chuyển động 1.2 Mô hình ĐCKĐB hệ toạ ®é tùa theo tõ th«ng Rotor 1.3 Đặc điểm phi tuyến mô hình 10 Chơng : Nguyên lý tuyến tính hóa xác (TTHCX) áp dụng TTHCX cho §CK§B 11 2.1 TuyÕn tÝnh hãa chÝnh x¸c hÖ phi tuyÕn MIMO 11 2.2 Vận dụng tuyến tính hóa xác vào mô hình ĐCKĐB 18 2.2.1 Tách mô hình ĐCKĐB thành phần: Mô hình dòng điện Mô hình tõ th«ng 18 2.2.2 Đa mô hình dòng điện vỊ d¹ng affine MIMO 20 2.2.3 Kiểm tra điều kiện tuyến tính hóa xác 23 2.2.4 Thùc hiÖn tuyÕn tÝnh hãa chÝnh x¸c 25 2.2.5 Bản chất phản hồi TTHCX mô hình dòng ĐCKĐB 29 2.2.6 Ghép điều khiển PH TTHCX vào MH dòng điện mô 30 Ch¬ng : CÊu tróc điều khiển phi tuyến có tách kênh trực tiếp (TKTT) động không đồng 31 3.1 ThiÕt kÕ c¸c điều chỉnh theo phơng pháp xấp xỉ liên tục 31 3.1.1 Thiết kế điều chỉnh dòng ®iÖn 31 3.1.2 ThiÕt kế điều chỉnh từ thông 32 3.1.3 ThiÕt kÕ bé ®iỊu chØnh tèc ®é 34 v 3.2 3.2.1 3.1.2 3.1.3 3.3 3.3.1 3.2.2 3.4 Trang Thiết kế điều chỉnh miền gián đoạn điều chỉnh dòng điện đợc thiết kế theo phơng pháp tối u cấu trúc 36 Thiết kế điều chỉnh dòng điện 36 Thiết kế điều chỉnh từ thông 37 ThiÕt kÕ bé ®iỊu chØnh tèc ®é 38 Thiết kế khâu hạn chế 39 H¹n chÕ dòng điện 39 Hạn chế điện áp 41 Khâu điều chế vector điện áp không gian (ĐCVTKG) 43 Chơng : Nguyên lý quan sát giảm bậc sử dụng quan sát giảm bậc để quan sát từ thông Rotor 47 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 Nguyên lý Quan Sát Đủ Bậc Quan Sát Giảm Bậc để quan sát từ thông Rotor 48 Nguyên lý Quan Sát Luenberger Đủ Bậc 48 Bé QS Luenberger ®đ bËc để quan sát từ thông Rotor 52 Xây dựng cấu trúc QSGB để quan sát từ thông Rotor 53 Mô hình gián đoạn Quan Sát Giảm Bậc (QSGB) 53 Sử dụng Bộ QSGB để quan sát từ thông Rotor 55 Gán điểm cực cho Bộ QSGB hệ tọa độ Stator 57 Xây dựng cấu trúc Bộ QSGB miền liên tục thực gán điểm cực 57 Gán điểm cực miền gián đoạn 65 Chơng : Mô hệ thống Bằng Matlab & Simulink Plecs 73 Mô hệ thống §iỊu khiĨn cã TKTT 74 Khi cha sử dụng khâu hạn chế dòng điện điện áp 74 Sử dụng khâu hạn chế điện áp 76 Sử dụng khâu hạn chế điện áp dòng điện 78 Mô hệ thèng §iỊu khiĨn cã QSGB 80 So sánh từ thông thực tế từ thông quan sát 80 Khi sử dụng QSGB để quan sát từ thông Rotor miền gián đoạn có hạn chế điện áp 81 5.2.3 Khi sư dơng QSGB để quan sát từ thông Rotor miền gián đoạn có hạn chế điện áp dòng điện 83 KÕt luËn ix 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 Tài liệu tham khảo x vi Danh mục bảng Trang Bảng 2.1: Các tín hiệu vào/ra biến trạng thái mô hình dòng điện 21 Bảng 2.2: Các tín hiệu vào/ra điều khiển phản hồi TTHCX 27 Bảng 2.3: Nguyên tắc bù điều khiĨn ph¶n håi TTHCX 29 B¶ng 3.1: Thuật toán quy đổi giới hạn điện áp 42 B¶ng 3.2: Các Vector tạo biến tần 43 B¶ng 3.3: Quy đổi điện áp sang vector 45 B¶ng 3.4: B¶ng tÝnh thời điểm đóng van Tpuls 45 Bảng 5.1: Các thông số §CK§B 73 vii Danh mục hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1: Hệ trục toạ độ riêng pha Hình 1.2: Mô hình trạng thái ĐCKĐB hệ dq H×nh 1.3: Mô hình Simulink ĐCKĐB hệ dq Hình 1.4: Đồ thị mô ĐCKĐB hệ tọa độ dq H×nh 2.1: HƯ thèng MIMO thùc hiÖn TTHCX 17 Hình 2.2: Mô hình dòng điện ĐCKĐB hệ tọa độ dq 19 Hình 2.3: Mô hình từ thông ĐCKĐB hƯ täa ®é dq 20 Hình 2.4: Mô hình dòng ĐCKĐB hệ tọa ®é dq coi ψ rd/ lµ nhiƠu 20 Hình 2.5: Mô hình Simulink ĐKTTHCX 28 H×nh 2.6: Bộ điều khiển phản hồi TTHCX mô hình dòng điện 29 Hình 2.7: Mô hình Simulink TTHCX mô hình dòng điện ĐCKĐB 30 Hình 2.8: Mô TTHCX mô hình dòng điện ĐCKĐB 30 Hình 3.1: Mạch vòng điều chỉnh isd 31 Hình 3.2: Mạch vòng điều chỉnh từ thông động 33 Hình 3.3: Mạch vòng điều chỉnh tốc độ động 34 Hình 3.4: Mạch vòng điều chỉnh dòng điện miền gián đoạn 36 Hình 3.5: Mạch vòng điều chỉnh tốc độ động 38 Hình 3.6: Khâu điều chỉnh R TT dạng PI số có hạn chế 41 Hình 3.7: Thực vector điện áp từ hai vector biên 43 H×nh 3.8: Mô hình ĐCVTKG Simulink 46 H×nh 3.9: Thêi gian t u ,t v ,t w tính đợc S- Function Xung më ®a tíi Van S 46 Hình 4.1: Hệ thống khiển phản hồi trạng thái 48 Hình 4.2: Điều khiển phản hồi đầu nhờ Bộ QS trạng thái 49 Hình 4.3: Bộ Quan Sát trạng thái Luenberger 50 H×nh 4.4: Bé Quan Sát trạng thái Luenberger không gian trạng thái 50 Hình 4.5: Bộ Quan Sát đủ bËc Tõ th«ng Rotor 52 Hình 4.6: Miền gán điểm cực mặt phẳng phức 60 viii Trang Hình 4.7: Quan hệ miền liên tục miền gián đoạn ĐCKĐB 66 Hình 4.8: Vùng gán điểm cực miền Laplace chun sang miỊn 66 H×nh 4.9: Quỹ đạo điểm cực miền Laplace miền Z cã nghiƯm kÐp 67 H×nh 4.10: Q đạo điểm cực miền Laplace miền Z có nghiệm phức liên hợp 67 Hình 4.11: Tính toán ma trận QSGB víi α = ( Rr Lr ) + ω , β = ω 71 Hình 4.12: Tính toán ma trận bé QSGB víi α = ( Rr Lr ) + ω , β = 71 H×nh 4.13: Cấu trúc QSGB để QS từ thông Rotot Simulink 72 Hình 5.1: Cấu trúc biến ĐCKĐB Plecs 73 Hình 5.2: ĐK có TKTT cha hạn chế dòng điện điện áp miền tơng tự 74 Hình 5.3: ĐK có TKTT cha hạn chế DĐ ĐA miền gián đoạn 74 Hình 5.4: ĐK có TKTT cha hạn chế DĐ ĐA miền gián đoạn Plecs 74 Hình 5.5: Kết mô cha hạn chế dòng điện điện áp 75 Hình 5.6: ĐK có TKTT có hạn chế điện áp miền liên tục 76 Hình 5.7: ĐK có TKTT có hạn chế điện áp miền gián đoạn 76 Hình 5.8: ĐK có TKTT có hạn chế điện áp miền gián đoạn Plecs 76 Hình 5.9: Kết mô hạn chế điện áp miền gián đoạn 77 Hình 5.10: ĐK có TKTT có hạn chế dòng điện điện áp miền gián đoạn 78 Hình 5.11: ĐK có TKTT có hạn chế dòng điện điện áp miền gián đoạn Plecs 78 Hình 5.12: Mô có hạn chế điện áp dòng điện miền gián đoạn 79 Hình 5.13: So sánh từ thông thực tế từ thông quan sát 80 Hình 5.14: ĐK có TKTT có hạn chế điện áp miền gián đoạn - QSGB 81 Hình 5.15: ĐK có TKTT có hạn chế điện áp miền gián đoạn - QSGB - Plecs 81 Hình 5.16: ĐK có TKTT có hạn chế điện áp sử dụng QSGB 82 Hình 5.17: ĐK có TKTT có hạn chế Dòng điện & Điện áp miền gián ®o¹n - QSGB 83 H×nh 5.18: ĐK có TKTT có hạn chế DĐ & ĐA miền gián đoạn-QSGB-Plecs 83 Hình 5.19: ĐK có TKTT có hạn chế Dòng điện & Điện áp sử dụng QSGB 84 Lời nói đầu Trong dây chuyền sản xuất, đặc biệt dây chuyền sản xuất công nghiệp, hệ truyền động điện đóng vai trò quan trọng thực nhiệm vụ biến đổi dòng điện thành vận hành máy sản xuất Yêu cầu đặt phải điều khiển đợc biến đổi dòng lợng để qua buộc máy sản xuất thực yêu cầu công nghệ Là thiết bị truyền năng, trực tiếp điều khiển máy sản xuất nên hệ truyền động chìa khóa thúc đẩy chất lợng sản phẩm, tăng suất, giảm tiêu hao lợng Với phát triển kỹ thuật ®iƯn tư, b¸n dÉn, vi xư lý, lý thut ®iỊu khiển hệ truyền động điện đại đà có bớc phát triển không ngừng chất, loạt phơng pháp điều khiển dựa tảng điều khiển số xuất đà giải đợc vấn đề hóc búa, làm thay đổi tơng quan truyền động điện Một bớc tiến rõ ràng mà dễ nhận thấy là: Động không đồng (ĐCKĐB) Rotor lồng sóc (một đối tợng mang nhiều u điểm vợt trội nh giá thành hạ, dễ chế tạo, vận hành tin cậy, an toàn, phải bảo trì, bảo dỡng) đà đợc sử dụng rộng rÃi ngày chiếm u hệ truyền động Tuy nhiên, ĐCKĐB có nhợc điểm khó chế ngự, vấn đề phức tạp gặp phải nỗ lực khống chế ĐCKĐB không chất phi tuyến cấu trúc (gây khó khăn cho việc xây dựng cấu trúc điều khiển) mà tính phi tuyến tham số (gây khó khăn việc xác định xác tham số động cơ) Luận văn giới thiệu hai nhiều cố gắng nhằm giải khó khăn gặp phải đà nêu bao gồm nội dung nh sau: - Phơng pháp tuyến tính hóa xác, phơng pháp lý thuyết điều khiển, nhằm xây dựng điều khiển phản hồi trạng thái để chuyển ĐCKĐB từ đối tợng phi tuyến thành đối tợng tuyến tính toàn không gian trạng thái - Sử dụng Bộ Quan Sát Giảm Bậc để quan sát từ thông, biến trạng thái quan trọng viƯc chÕ ngù §CK§B Ci cïng, em xin gưi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, ngời đà hớng dẫn em tìm hiểu lĩnh vực vô quan trọng lý thú công nghiệp để viết lên luận văn Chơng Mô hình động không đồng (ĐCKĐB) rotor lồng sóc Để chế ngự đợc ĐCKĐB yêu cầu đặt phải thành lập đợc mô hình ĐC xác cách tối đa, để mô hình xây dựng thuật toán điều khiển Vi xử lý Với mục đích đó, Tài liệu [5] đà trình bày phơng thức mô tả ĐCKĐB dới dạng đại lợng vector nh sau: 1.1 Hệ phơng trình mô tả ĐCKĐB: Nếu cho ĐCKĐB thoả mÃn giả thiết nh: độ từ thẩm lõi sắt vô hạn, động không bị bÃo hoà từ, khe hở không khí đều, bối dây đặt cách 1200, từ thông phân bố hình sin khe hở Rotor Stator, thông số pha giống hệt đối tợng gồm nhiều yếu tố đầu vào đầu (MIMO) Các đại lợng (biến trạng thái) kể nh sau : Ba dòng điện pha Stator: isa , isb , isc Ba dòng điện pha Rotor: ira , irb , irc TÇn số nguồn cấp: s Tần số trợt: r Các đại lợng có mối quan hệ khăng khít với làm cho momen động hàm số nhiều biến phụ thuộc Nếu điều khiển ĐC mô hình MIMO điều khiển đồng thời tất đại lợng đầu vào, điều dẫn tới việc phải loại bỏ lý tëng ho¸ mét sè c¸c tham sè ë chÕ độ động Đây phơng thức điều khiển ĐCKĐB kỹ thuật cha phát triển, ngày phơng thức điều khiển đà bộc lộ nhiều yếu điểm không đáp ứng đợc đòi hỏi công nghệ sản xuất đại Yêu cầu đặt phải có cách thức mô tả động vừa đạt độ xác cao, giảm bớt số lợng đầu vào đồng thời phù hợp với mục đích sử dụng vi xư lý cã tèc ®é cao ®Ĩ ®iỊu khiĨn, cách thức mô tả cách thức mô tả đại lợng vector 1.1.1 Vectơ dòng ®iƯn: Ba vector dßng ®iƯn Stator isa , isb , isc đợc tổng hợp lại đại diện vector quay i s gọi vector không gian dòng điện Stator, đại lợng sinh từ trờng từ trờng tổng hợp dòng điện Stator, hệ tọa độ Stator, i s đợc mô t¶ nh sau: i ss = isa ( t ) + isb ( t ) e jγ + isc ( t ) e j 2γ (0.1) Trong ®ã: e jγ ; e j 2γ víi γ = - ma trận chuyển hệ trục toạ độ từ pha riêng lẻ sang hệ trục tọa độ chuẩn Stator chứa i s , dòng ®iƯn pha Stator sinh mét tõ trêng cã híng trục cuộn dây, đồng thời trục thực hƯ täa ®é pha ®ã j is isβ Sb isb Sa is j Sc Hình 1.1: Hệ trục toạ độ riêng pha