1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Nghiên ứu hệ thống điều khiển huyển động hất lượng ao với động ơ không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển thíh nghi tự hỉnh

89 2 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Nghiên Cứu Hệ Thống Điều Khiển Chuyển Động Chất Lượng Cao Với Động Cơ Không Đồng Bộ Sử Dụng Bộ Điều Khiển Thích Nghi Tự Chỉnh
Tác giả Phạm Thành Ngữ
Người hướng dẫn TS. Nguyễn Mạnh Tiến
Trường học Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành Tự Động Hóa XNCN
Thể loại luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản 2008
Thành phố Hà Nội
Định dạng
Số trang 89
Dung lượng 4,93 MB

Nội dung

Phơng pháp mô tả ĐCXCBP trên hệ toạ độ từ thông rotor dựa trên nguyên lý tựa từ thông rotor T4R là phép mô tả dẫn tới các tơng quan dòng-từ thông và dòng mômen giống nh đối với động c

Trang 1

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

-

PHẠ M TH ÀNH NG Ữ

ĐỘ NG C KHÔNG Đ NG B S D NG Ơ Ồ Ộ Ử Ụ

LUẬ N VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C

Người hướ ng d n khoa h c: TS NGUYỄ ẫ ọ N M NH TI N Ạ Ế

HÀ NỘI 2008

Trang 2

i

Lờ ả ơ i c m n

Quyển luận v n này ă được hoàn thành là nhờ có sự quan tâm, chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Ti n, các th y cô trong bộ môn Tự ế ầĐộng Hóa XNCN, các bạn đồng nghiệp và sự động viên của gia ình đ

Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường

ĐHBK Hà N i, nh ng người ã truy n đạt, c ng c nh ng trí thức quan ộ ữ đ ề ủ ố ữtrọng trong suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn

T ự Động Hóa XNCN đã giúp tôi nâng cao kiến thức, mở ộ r ng hiểu biế ề t vchuyên ngành được học

Đặc biệt, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến th y giáo hướng d n ầ ẫ

TS Nguyễn Mạnh Tiến, người đã không chỉ ậ t n tình giúp tôi nh hđị ướng phương pháp nghiên c u phù h p mà còn dành th i gian ứ ợ ờ đọc bản thảo và chỉ ra các sai sót để luận văn sớm hoàn thành

Cuối cùng xin cảm ơn những ng i thân trong gia ình, b n bè và ườ đ ạ đồng nghi p ệ đã luôn ng viên, khích lđộ ệ tôi trong suốt quá trình làm lu n vậ ăn

Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008

Học viên

Phạm Thành Ngữ

Trang 3

LờI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này đợc thực hiện dới sự

hớng dẫn của TS Nguyễn Mạnh Tiến cùng với các tài liệu tham khảo đã

đợc trích dẫn ở cuối bản luận văn này

Số liệu và kết quả đợc đa ra trong luận văn này là hoàn toàn trung

thực, không sao chép bất cứ công trình nghiên cứu nào khác

Hà nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008

Học viên

Phạm Thành Ngữ

Trang 4

Danh môc c¸c ký hiÖu vµ c¸c ch÷ viÕt t¾t

§KPHTT: §iÒu khiÓn ph¶n håi tr¹ng th¸i

§TPT: §èi tîng phi tuyÕn

STR: Self Tuning Regulator

-MRAS: Model Reference Adaptive System

Trang 5

Môc lôc

MỤC LỤC

L cời ảm ơn i

L ời cam đoan ii

M lục ục iii

Danh mục c t ác ừ viết tắt v

Abstract vi

L n ời ói đầu 1

Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ 4

1.1 Ứng dụng lý thuyết véctơ để mô tả động cơ KĐB 4

1.1.1 Vecto kh ng gian vô à h ệ toạ độ t ôừ th ng roto 5

Mô h ê c CK B r s 9 1.1.2 ình li n tục ủa Đ Đ ôto lồng óc

1.1.2.1 Hệ phương trình c bản của động c 9 ơ ơ 1.1.2.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông roto 10

1.2 H ệ thống đ ều khiển vecto Đ i CK BĐ 14

1.2.1 Tổng quan về phương pháp iđ ều khiển vectơ 14

1.2.2 Phương pháp đ ều khiển vectơ trực tiếp 16 i 1.2.3 Phương pháp i đ ều khiển vectơ gián tiếp 17 Chương 2: Các phương pháp điều khiển hiện đại cho truyền động động cơ KĐB 19

2.1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến 19

2.1.1 Phương pháp tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc 19

2.1.2 Phương pháp tuyến tính hoá trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu 21

2.1.3 Phương pháp tuyến tính hoá chính xác 21

2.2 Hệ điều khiển thích nghi 26

2.2.1 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh 26

2.2.2 Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 30

2.2.3 Gain scheduling 32

2.2.4 Bộ lọc Klman 34 2.2.5 Nhận dạng tham số-cơ sở lý thuyết bình phương nhỏ nhất đệ quy 41

Trang 6

Môc lôc

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao cho

truyền động động cơ không đồng bộ 44

3.1 Mô hình tổng ể ệth h ống 44 th 3.2 Tổng ợp ộ đ ều chỉnh ừ th ng v h b i t ô à dòng 45

3.2.1 Tổng h b i ợp ộ đ ều chỉnh ừ th ng 45 t ô 3.2.2 Tổng h b i ợp ộ đ ều chỉnh òng 4 d 6 3.2.2.1 Tổng hợp khâu RId 49

3.2.2.2 Tổng hợp kh u RIâ q 49

3.3 Tổng h b i ợp ộ đ ều khiển ị trí v .49

3.3.1 Tổng h b ợp ộ PD tự chỉnh 51

3.3.2 Ước lượng momen và tốc độ qua bộ ọc l Klman 53

3.3.3 Nhận dạng tham số momen quán tính J và hệ số ma nhớt B của

ĐCKĐB qua bộ nhận dạng tham số 58 Chương 4 Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab 63

Mô h t 4.1 ình ổng thể 63

4.2 Mô hình ĐCKĐB 64

4.3 Bộ điều khiển vịtrí 65

4.3.1 Khâu PD tự chỉnh 65

4.3.2 Bộ l ọc Klman 66

4.3.3 Bộ nhận dạng tham số 66

4.4 Bộ đ iều chỉnh dòng 66 4.5 Bộ đ iều chỉnh t ôừth ng 68

4.6 Kết quả mô phỏng 70

4.7 Nhận x két ết quả kếtquả đạt được 76 Kết luận 77

T ài liệu tham khảo 79

Phụ lục 1 8 2

Phụ lục 2 84

Tóm ắt luận ă t v n

Trang 7

lời nói đầu

Ngày nay, động cơ không đồng bộ đợc sử dụng rộng rãi và phổ biến trong công nghiệp.So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có nhiều

u điểm hơn về mặt cấu tạo, giá thành cũng nh vận hành Tuy nhiên, do có cấu trúc phi tuyến với đa thông số, nên việc điều khiển động cơ không đồng

bộ gặp nhiều khó khăn

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của một số nghành kỹ thuật nh điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý… nhiều phơng pháp điều khiển

ra đời và thu đợc hiệu quả Chính vì vậy, động cơ không đồng bộ ngày càng

đợc sử dụng rộng rãi, dần thay thế cho động cơ một chiều trong các hệ thống truyền động chất lợng cao Các bộ điều khiển PI, PD, PID đã đợc sử dụng rất nhiều nhng chất lợng của các bộ điều khiển này phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ Việc điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển phải do ngời thiết kế chỉnh lại, điều này gặp không ít khó khăn Tiếp đó lần lợt các phơng pháp điều khiển trực tiếp và gián tiếp từ trờng ra đời kèm theo việc sử dụng một trong nhiều các thuật toán quan sát từ thông roto ψr

Tuy nhiên các phơng pháp cổ truyền không đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ Bộ quan sát trạng thái thích nghi và tự chỉnh dựa trên phơng pháp nhận dạng tham số bình phơng nhỏ nhất mang lại chất lợng điều chỉnh tốt trong dải tốc độ rộng Nhng ở tốc độ thấp thời gian lấy mẫu nhỏ nếu sử dụng sensor tốc độ thì không thể đo đợc tốc độ tức thời do đó tốc độ có thể bị sai,

hệ thống không ổn định và không thể đạt đợc chất lợng mong muốn Để khắc phụ điều này, dùng bộ quan sát trạng thái chất lợng cao là bộ Kalman Filter, với chỉ một encoder vị trí nó có thể xác định đợc tốc độ tức thời và mômen nhiễu của tải Điều này làm cho hệ thống hoạt động với chất lợng tốt hơn thậm chí có thể làm việc ở vùng tốc độ thấp

Trang 8

Trong luận văn sẽ đi sâu vào “Nghiên cứu hệ thống điều khiển

chuyển động chất lợng cao với động cơ không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh“.Một trong các phơng pháp điều khiển thông

minh là phơng pháp điều khiển thích nghi Trọng tâm của luận văn đi nghiên cứu phơng pháp điều khiển thích nghi tham số của bộ điều khiển vị trí cho truyền động động cơ không đồng bộ sử dụng bộ quan sát trạng thái Kalman và

bộ nhận dạng dùng thuật toán bình phơng nhỏ nhất đệ quy

Luận văn gồm 4 chơng chính, nội dung cơ bản của từng chơng trình bày nh sau:

Chơng 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ

Dựa trên khái niệm vectơ không gian, xây dựng hệ phơng trình mô tả

động học động cơ không động bộ

Nguyên lý của phơng pháp điều khiển vectơ và hệ thống truyền động

điện điều khiển vectơ _động cơ không đồng bộ

Chơng 2: Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động

động cơ không đồng bộ

Tổng quan các phơng pháp điều khiển phi tuyến

Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi

Cơ sở lý thuyết về bộ lọc Klman và phơng pháp bình phơng nhỏ nhất đệ qui

Chơng 3: Thiết kế bộ điều khiển chuyển động chất lợng cao cho truyền động động cơ không đồng bộ

Xây dựng bộ điều khiển vị trí tự chỉnh tham số cho động cơ không đồng bộ Xây dựng thuật toán của bộ quan sát tốc độ và mômen nhiễu của tải của

động cơ không đồng bộ sử dụng Kalman Filter

Xây dựng thuật toán của bộ nhận dạng mômen quán tính của động cơ không đồng bộ sử dụng phơng pháp bình phơng nhỏ nhất đệ quy

Trang 9

Chơng 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab

Xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống

Trình bày kết quả của mô phỏng và đa ra nhận xét đánh giá kết quả Mặc dù qua thời gian làm việc cố gắng, nghiêm túc và đã có một số kết quả ban đầu, song do hiểu biết còn hạn chế, luận văn chắc còn có nhiều thiếu sót Tôi xin chân thành mong nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn quan tâm để luận văn có thể giúp ích cho nhng nghiên cứu sâu hơn sau này

Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008

Học viên

Phạm Thành Ngữ

Trang 10

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Chơng 1 tổng quan về động cơ KHÔNG ĐồNG Bộ

1.1 ứng dụng lý thuyết vectơ để mô tả động cơ không đồng bộ

Nh ta đã biết, đối với động cơ một chiều(ĐCMC) kích từ độc lập thì có

hệ phơng trình sau:

2 1

đợc giữ ổn định ở giá trị định mức ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ định mức, tuỳ thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt ψM bằng cách giảm i k để giữ cho sức từ động cảm ứng khỏi quá lớn Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của

động cơ, do từ thông đã đợc điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi nên mômen quay của động cơ sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng iM

Tóm lại đối với ĐCMC kích từ độc lập có quan hệ: ψM ~ ikvà mM ~ iM

Hai dòng i k và i M có thể đợc sử dụng trực tiếp làm đại lợng điều khiển cho từ thông và mômen quay của động cơ nếu nh ta thành công trong việc áp

đặt nhanh hai dòng điện đó Hơn nữa do cấu trúc đơn giản của mạch kích từ

và mạch phần ứng nên việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là vấn đề dễ dàng và đã đợc giải quyết từ lâu

Tuy nhiên đối với động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) không còn các quan hệ rõ ràng giữa dòng với từ thông và dòng với mômen nh động

Trang 11

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

cơ một chiều mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và các đại lợng điện ba pha phức tạp Phơng pháp mô tả ĐCXCBP trên hệ toạ độ từ thông rotor dựa trên nguyên lý tựa từ thông rotor (T4R) là phép mô tả dẫn tới các tơng quan dòng-

từ thông và dòng mômen giống nh đối với động cơ một chiều (ĐCMC) nhằm

-đạt đợc các tính năng điều khiển tơng tự với ĐCMC Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu cụ thể phơng pháp trên

1.1.1 Vector không gian và hệ toạ độ từ thông rotor

ĐCXCBP dù là động cơ đồng bộ (ĐCĐB) hay động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) đều có ba cuộn dây bố trí không gian tổng quát nh hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ cuộn dây và dòng của ĐCXCBP

Ba dòng pha phía stator isu, isv, isw của ĐCXCBP không nối điểm trung tính thỏa mãn phơng trình:

i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (1.1)

Trong đó dòng điện các pha thỏa mãn:

( ) cos( ) ( ) cos( 120 ) ( ) cos( 240 )

Trang 12

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Về phơng diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt đứng), động cơ xoay chiều

ba pha(ĐCXCBP) có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120° Nếu trên mặt cắt đó

ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây của động cơ, ta u

có thể xây dựng vectơ không gian sau đây :

Vectơ is là một vectơ có môđun không đổi quay trên mặt phẳng phức(cơ

học) với tốc độ góc ω s và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một

góc γ

Hệ toạ độ stator ( hệ toạ độ cố định):

Lấy trục thực của mặt phẳng phức nói trên đi qua trục cuộn dây pha u

và đặt tên là trục α và trục ảo của nó là trục β Chiếu vectơ i s lên hai trục α và

β ta đợc 2 hình chiếu là isαvà isβ Nh vậy ta có thể coi động cơ điện xoay chiều nh động cơ điện 1 chiều với 2 cuộn cố định α và β thay thế cho 3 cuộn

Trang 13

Trong đó chỉ số r và s phía dới lần lợt cho mạch rotor và stator.

Hệ toạ độ từ thông rotor ( hệ toạ độ quay):

Giả sử ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ góc d

dt

ϑ

ω=

(hình 1.2) trong đó ϑ là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (quy ớc là trục

đi qua tâm cuộn dây pha u) Trong hình 2 còn biểu diễn cả hai vector dòng 1stator isvà từ thông rotor ψ với môđun và góc pha ngẫu nhiên nào đó Vector r

từ thông rotor ψ quay với tốc độ góc r 2 s

d f dt

ϑ

ω = π =

Trang 14

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Hình 1.2: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor (hệ tọa

độ dq)

Đối với ĐCĐB thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor và do

đó ω ω= s Đối với ĐCKĐB (đối tợng mà ta cần quan tâm) thì sự chênh lệch giữa ω và ωssẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số frvà vận tốc góc ωr = 2π fr

(trục thực) có hớng trùng với hớng của vector

r

ψ và gốc toạ độ trùng gốc toạ độ của hệ αβ Để phân biệt các vector đợc biểu diễn trong hệ toạ độ nào

ký hiệu phía trên bên phải của vector: chỉ số cho hệ toạ độ f dq và chỉ số s cho

hệ toạ độ αβ

Khi đó vector dòng điện stator đợc biểu diễn trong hệ toạ độ dq:

Trục từ thông roto

Trục roto Cuộn dây pha v

ψ

Cuộn dây pha u

Cuộn dây pha w

rotor

Trang 15

s sd sq f

r rd rq f

rd rq r

f

sd sq s

u u ju

i i ji

j j

ψ Tuy nhiên trong thực tế rất khó tính tuyệt đối chính xác góc ϑsdo

đó ta vẫn giữ ψrq để bảo đảm tính khách quan trong khi quan sát

1 .2 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ( ĐCKĐB) rotor lồng 1 sóc

Ngoài ĐCKĐB rotor lồng sóc còn có ĐCKĐB rotor dây quấn Tuy nhiên, loại rotor lồng sóc đã chiếm u thế tuyệt đối trên thị trờng vì các lý do: dễ chế tạo, không cần bảo dỡng, kích thớc nhỏ hơn Mặt khác, các u thế trớc kia của loại rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh không còn nữa vì sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc Do đó trong đồ án này ta chỉ đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc

Ta có hệ phơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ biểu diễn dới dạng vectơ trong hệ toạ độ cố định stator nh sau:

Trang 16

s s r m s

s m r r r

d

u R i

dt d

ψψ

Trong đó: chỉ số là vectơ quan sát trên hệ thống rotor lồng sóc r

R r điện trở rotor đã tính quy đổi về stator

0 vector 0 ( vector có môđun bằng 0)

Quan hệ giữa các vector trong hệ toạ độ αβvà các vector trong hệ toạ

độ dq nh sau:

Trang 17

Mặt khác các vector trong hệ toạ độ rotor có quan hệ với các vector

trong hệ toạ độ dq nh sau:

s m r r r

d

dt d

ω ψψ

Trang 18

r m

M c rd sq

r

L i pT L

sd

i và isqtrực tiếp làm đại lợng điều khiển cho từ thông và mômen quay của

động cơ nếu nh ta thành công trong việc áp đặt nhanh hai thành phần dòng

điện đó

Trang 20

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

1.2 Hệ thống điều khiển vectơ ĐCKĐB

1.2.1 Tổng quan về phơng pháp điều khiển véctơ

Nguyên lý điều khiển véctơ dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không

đồng bộ tơng tự nh điều khiển động cơ một chiều

Hình 1.4 mô tả sự tơng tự này: ở động cơ điện một chiều nếu ta bỏ qua phản ứng phần ứng, coi mạch từ cha bão hoà khi đó mômen của động cơ

một chiều đợc tính bởi công thức sau:

Cách điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu ta

sử dụng lý thuyết vectơ không gian để mô tả các trạng thái của động cơ không

đồng bộ Với ý tởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và

Hình 1.4 : Sự tơng tự giữa phơng pháp điều khiển động cơ một chiều và

điều khiển vectơ ĐCKĐB

Trang 21

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

mô tả động cơ trên hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ với từ trờng stator (ωs) Véctơ dòng điện stator Is đợc phân tích thành hai thành phần trên hai trục dq vuông góc với nhau: Isq , Isd Nếu chọn trục d trùng với trục của từ thông rôto thì phơng trình mômen của động cơ đợc biểu diễn nh sau:

Nh vậy nếu ta điều khiển độc lập các thành phần của dòng điện Stator trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trờng quay (hệ dq) thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ tơng đơng với việc điều khiển

động cơ một chiều Trong trờng hợp này thành phần Isd đóng vai trò tơng tự nh thành phần dòng kích từ, còn thành phần Isq đóng vai trò nh dòng điện phần ứng I

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng

bộ đợc mô ta ở hình 1.6 Trên hình 6 ta không vẽ bộ nghịch lu và coi 1.thành phần dòng điện ba pha chuẩn nhận đợc từ hệ thống điều khiển Bằng hai phép biến đổi tọa độ (abc/αβ) và (αβ/dq) cộng với việc xác định đợc góc quay của từ trờng θs ta nhận đợc hai thành phần: Isd, Isq, hai thành phần này

Trang 22

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Dựa vào nguyên tắc xác định góc θs của từ trờng quay ta có thể chia ra thành 2 phơng pháp điều khiển vectơ

1.2.2 Phơng pháp điều khiển vectơ trực tiếp

Coi góc θs là góc pha của vectơ từ thông roto, do đó tính góc θs từ các thành phần vectơ từ thông roto

ĐK

Tính : cosθ s , sinθ s

Mô hình

động cơ trong hệ tọa độ dq Phần điều khiển Phần chấp hành

Biến đổi ngợc tọa độ Biến đổi thuận tọa độ

Trang 23

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Phơng pháp này đợc đề xuất bởi F Blashke, nó dựa trên nguyên lý xác định trực tiếp góc quay của từ trờng θs từ các thành phần từ thông khe hở hoặc từ thông rôto trên hai trục d và q của hệ tọa độ dq Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông đợc trình bày ở hình 1.7

Các thành phần cosθs và sinθs đợc tính từ các thành phần từ thông khe

hở không khí trên hai trục tọa độ tĩnh đo đợc bằng cảm biến từ thông:

ΨΨ

q

2 d

Ψ

Ψθ

0

d s

cos = ,

Ψ

Ψθ

0

d s

Với ψ0d, ψ0q là các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục

1 .3 Phơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp 2

Coi θs là góc quay cùng trục d Nguyên lý của phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp có thể đợc trình bày thông qua đồ thị góc pha sau:

Trục của hệ tọa độ quay đồng bộ (dq) lệch với trục α của hệ trục tọa độ tĩnh αβ một góc là θs Ta có:

Trang 24

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

trong đó: θ0: vị trí ban đầu của Ψr thờng ta chọn bằng không

ωs: tốc độ quay của hệ trục tọa độ dq nó cũng chính là tốc độ quay của dòng điện stator, từ thông rôto với ωs = ωr + ωsl

Tốc độ trợt đợc xác định nh sau:

Ψ

ω

r r

sq m sl

T

iL

Mômen của động cơ sẽ đợc tính nh sau:

iL

L

sq r r

m

p 2

3

Hình 1 sau biểu diễn sơ đồ cấu trúc tính toán :9 θs

Hệ truyền động dùng phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp có thể làm việc ở 4 góc phần t và tốc độ có thể điều chỉnh từ 0 đến định mức Trong

hệ thống này cần thiết phải có tín hiệu về vị trí của rôto và chất lợng điều khiển phụ thuộc vào các thông số của máy điện Do đó để quá trình điều khiển

là độc lập thì các tham số cần phải điều chỉnh cho phù hợp với các tham số của động cơ, đây là một vấn đề khó khăn Thông số ảnh hởng đến đặc tính của hệ thống và cần phải tính toán trong quá trình làm việc của hệ thống chính

là điện trở của rôto Rr

(L / R )p 1

L

r r

m

+

r

r m

Trang 25

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

Chơng 2

truyền động động cơ không đồng bộ

2.1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến

Trong thực tế phần lớn các đối tợng đợc điều khiển mang tính động học phi tuyến (ví dụ đối với động cơ không đồng bộ đặc tính động học phi tuyến mạnh và nhiều tham số thay đổi theo thời gian và môi trờng làm việc)

Không phải đối tợng nào cũng có thể mô tả đợc bằng một mô hình tuyến tính, không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính đợc thoả mãn Hơn thế nữa việc tối u, tác động nhanh chỉ có

thể tổng hợp đợc nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến Các hạn chế này bắt

buộc phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học của đối tợng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến

Để nghiên cứu và nâng cao chất lợng hệ thống điều khiển phi tuyến cho truyền động động cơ không đồng bộ, chơng này sẽ tổng hợp và nêu lên một số phơng pháp điều khiển các hệ phi tuyến và ứng dụng có hiệu quả vào

hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ

2.1.1 Phơng pháp tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc.

Bản chất của phơng pháp này là sự xấp xỉ gần đúng hệ phi tuyến trong lân cận điểm cân bằng bằng một mô hình tuyến tính Về phơng diện hình học

là việc coi đờng cong trong một lân cận đủ nhỏ xung quanh điểm làm việc cân bằng là đờng thẳng tiếp xúc với đờng cong tại điểm đó Phơng pháp này có nhợc điểm là tại mỗi thời điểm nó chỉ tuyến tính hoá đợc trong phạm

vi một lân cận nhỏ xung quanh điểm làm việc nên khả năng chống nhiễu kém

và không đúng đợc trong toàn bộ không gian trạng thái, việc chuyển từ điểm làm việc cân bằng này sang điểm làm việc cân bằng khác có thể dẫn tới sự

Trang 26

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

mất ổn định của hệ thống Đặc biệt với các đối tợng phi tuyến mạnh nh

ĐCKĐB thì việc xác định các điểm làm việc cân bằng là hết sức khó khăn đặc biệt trong một số chế độ làm việc của động cơ hệ thống trở nên dao động mạnh và lân cận để tuyến tính hoá không còn chính xác nữa

Xét hệ phi tuyến có mô hình trạng thái:

),(uxgy

uxfdt

xd

uBxAdt

xd

Hệ (2.1) đợc chứng minh là ổn định (tiệm cận Lyapunov) tại xv khi hệ (2.2) là ổn định, khi và chỉ khi các giá trị riêng của ma trận A có phần thực

âm Trờng hợp hệ (2.2) không ổn định thì có thể áp dụng phơng pháp thiết

kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái R tĩnh để ổn định hệ (hình 2.1), tức là xác

định ma trận R sao cho ma trận (A – BR )có các ghiệm n nằm bên trái trục ảo Các phơng pháp thiết kế thờng hay đợc sử dụng nhất là bộ điều khiển

cho trớc điểm cực của Rosenbrock Ta cũng có thể sử dụng phơng pháp

u B x A x

Trang 27

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

thiết kế bộ điều khiển tối u của bài toán LQR (Linear Quadratic Regulator)

để tìm R

Bộ điều khiển R đợc thiết kế nhờ mô hình tuyến tính (2.2) song lại làm việc thực với mô hình phi tuyến (2.1), trong đó hai mô hình chỉ tơng đơng với nhau trong một lân cận đủ nhỏ nào đó xung quanh điểm làm việc L xv,

0

u Nếu nh R chỉ có thể đa lại cho hệ phi tuyến ổn định với miền ổn định O

nhỏ (giống nh ) thì điều đó hoàn toàn không có ý nghĩa ứng dụng trong L

thực tế Chỉ khi O tơng đối lớn (lớn hơn rất nhiều so với L) thì chất lợng ổn

định mà R mang lại mới có ý nghĩa Do vậy cần thiết phải kiểm tra lại chất lợng mà R đã thực sự mang đến cho hệ phi tuyến, trong đó u tiên hàng đầu

là chất lợng ổn định của hệ

2.1.2 Phơng pháp tuyến tính hoá trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu

Nội dung của phơng pháp là coi ωs(ωs = 2π fs với fs là tần số mạch stator) là hằng trong một chu kỳ trích mẫu đủ nhỏ Khi đã coi ωs là hằng ta có thể đa nó vào ma trận hệ thống A Giá trị ωs là hằng số trong mỗi chu kỳ trích mẫu và nhận các giá trị khác nhau trong các chu kỳ trích mẫu khác nhau, chính vì thế mô hình tuyến tính đó đợc gọi là mô hình tuyến tính tham số hàm Nhợc điểm của phơng pháp này là ta cũng không thể biết chính xác chu kỳ trích mẫu nhỏ bao nhiêu là đủ để ωs =const Nếu càng giảm nhỏ chu

kỳ trích mẫu thì độ chính xác của mô hình tuyến tính sẽ tăng lên nhng đồng thời giá thành và độ phức tạp của hệ thống cũng tăng theo Hơn nữa ở một số vùng giới hạn nh vùng suy giảm từ thông (vùng bị chặn) hệ thống trở nên nhạy cảm với nhiễu ở vùng này ωs có tính động cao, trở nên biến thiên nhanh

và giả thiết

s

ω =const không còn đứng vững nữa

2.1.3 Phơng pháp tuyến tính hoá chính xác

Nội dung của phơng pháp tuyến tính hoá chính xác (TTHCX) là thiết

kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho đối tợng phi tuyến

Trang 28

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

(ĐTPT) sao cho hệ kín trở thành tuyến tính Khác với việc tuyến tính hoá xấp

xỉ trong lân cận điểm làm việc, bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác đảm bảo tính chất tuyến tính cho hệ thống trong toàn bộ không gian trạng thái

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá chính xác hệ phi tuyến, hệ mới

có đặc điểm vào-ra tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái

Ta nhận thấy rằng với bộ ĐKPHTT, đối tợng phi tuyến với đầu vào u

trong không gian trạng thái sẽ trở thành hệ vào ra tuyến tính trong x - toàn bộ

không gian trạng thái mới z với đầu vào mới w

Ta có mô hình trạng thái của đối tợng phi tuyến MIMO (nhiều nhiều ra) có dạng nh sau:

vào-1

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

m

i i i

d x f x H x u f x h x udt

Trang 29

-Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

) (

) ( )

1

x g

x g

x g x g y

) (

) ( )

1

x f

x f

x f x f

n

Ma trận đầu vào:

H ( x ) =[h1( x ), h2( x ), , hm( x )] trong đó: hi(x )là các ma trận cột (i=1,…,n)

Nếu hệ phi tuyến trên có vectơ bậc tơng đối tối thiểu r

=(r 1 ,r 2 , …,r m ) thoả mãn: r 1 +r 2 + …+r m = n (n số biến trạng thái) trong toàn -

bộ không gian trạng thái thì ta có thể áp dụng phép chuyển hệ toạ độ: từ hệ toạ

độ trạng thái x x=( 1 ,x 2 , …,x n ) sang hệ toạ độ trạng thái mới z z=( 1 , z 2 , …, z n) qua phép đổi trục toạ độ:

2 1

) (

) (

) (

1

1 1

1 1

x m

x m

x m

x m

m r

m r

) (

) (

) (

1

1 1 1

x g L

x g

x g L

x g

m

r f m

r f

Trang 30

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

Θ Θ

Θ Θ

m

A

A A

Θ Θ

Θ Θ

m

b

b b

0

1 0

0

0 0

0

0 1

0

 thuộc kiểu rkì 1

Giữa vectơ tín hiệu ra và biến trạng thái mới có quan hệ:y z

) (

) (

2 1

x g

x g

x g

Θ Θ

Θ Θ

T m

T T

c

c c

) (x

(

) ( )

(

1 1

1

1 1

1

1

1 1

1

x g L L x

g L L

x g L L x

g L L

m

r f h m

r f h

r f h

r f h

m m m

Trang 31

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

) (

1

1

x g L

x g L

m

r f

r f

Nh vậy qua phép chuyển hệ toạ độ ta đã đa đối tợng phi tuyến ban

đầu trở thành hệ tuyến tính trên hệ toạ độ mới trong toàn bộ không gian trạng thái Thực chất đối tợng ta cần nghiên cứu vẫn là đối tợng phi tuyến nhng

đối tợng đó quy chiếu trên hệ toạ độ mới tạo thành một hệ tuyến tính mà ta không công nhận một điều kiện ràng buộc nào cả, chính vì vậy phơng pháp này đợc gọi là phơng pháp tuyến tính hoá chính xác, "chính xác" ở đây

đợc hiểu là mô hình đối tợng ban đầu không bị mất đi tính phi tuyến Tóm lại phơng pháp tuyến tính hoá chính xác thực chất là một phép chuyển hệ toạ

Đối tợng phi tuyến

Hình 2.3: Tuyến tính hoá chính xác vào-ra hệ phi tuyến MIMO

Trang 32

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

2.2 Hệ điều khiển thích nghi

2.2.1 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh

Một bộ điều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả năng

tự xác định lại mô hình toán học mô tả đối tợng để từ đó tự chỉnh định lại

bản thân nó cho phù hợp với sự thay đổi của đối tợng đợc gọi là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh (Self Tuning Regulator), viết tắt là STR Bộ điều -

khiển thích nghi tự chỉnh đơn giản nhất là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số, tức là nó không tự thay đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số ai, bj cho mô hình hàm truyền đạt của đối tợng từ đó tự chỉnh

định lại các tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp Nguyên tắc điều

khiển STR vẫn thờng đợc xếp vào nhóm điều khiển thích nghi gián tiếp, vì

tham số bộ điều khiển đợc hiệu chỉnh gián tiếp qua kết quả của cơ cấu nhận dạng

Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số (Self

-Tuning Regulator):

Bộ chỉnh định tham số

điều khiển

Tham số a i , b j của S(s)

Vòng lặp ngoài

Hình 2.4: Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh

Trang 33

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

Đặc điểm nổi bật, dễ nhận biết nhất của một bộ điều khiển STR là trong

nó có các cơ cấu:

− Cơ cấu nhận dạng (tham số) mô hình hàm truyền đạt S(s) của đối tợng

− Cơ cấu xác định tham số điều khiển dựa trên hàm truyền đạt của đối tợng

a) Tổng quát về cơ cấu nhận dạng tham số mô hình, phơng pháp bình phơng nhỏ nhất và mô hình hồi quy

Phơng pháp bình phơng nhỏ nhất:

Giả sử rằng có một hàm nhiều biến y ( x ) ∈ Cvới:

C)x,

x,x

n 2 1

Nhiệm vụ đặt ra cho bài toán là từ N cặp giá trị (xk ,yk) đã có:

)(xy

yk= , k = 1, 2, 3, , N… (2 3)1 của hàm y ( x ), ta phải xác định véctơ tham số p để tổng bình phơng các sai lệch giữa mô hình (2 ) và giá trị y12 k

pxy

ek = k− Tk , k = 1, 2, 3,… , N

là nhỏ nhất, tức là phải tìm nghiệm p*

của bài toán tối u tĩnh:

) ( )

(

*

.minargmin

arg

p Q T p

Q

T k

Trang 34

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

và T là ký hiệu chỉ phép tính chuyển vị và lấy giá trị phức liên hợp các phần tử của một vectơ hay ma trận phức

Sau khi biến đổi ta đợc:

N

::

xX

T N

T

::

Nhận dạng tham số mô hình không liên tục:

Việc xác định các tham số của mô hình hàm truyền đạt không liên tuc

đối tợng SISO tuyến tính:

zaz

a

zbz

b

b)z(

)z(

n n

1 1

m m

1 1 0 1

+ + +

=

trên cơ sở dãy các giá trị tín hiệu vào/ra tiền định:

Trang 35

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

uk = u(kT), yk = y(kT), k = 0, 1, 2, …,N

đã quan sát đợc với chu kỳ lấy mẫu T Từ hàm truyền đạt (2.16) ta xây dựng mô hình hồi quy theo công thức dự báo tuyến tính:

pxyau

b

k n

,y,u,

u,u(

x

T N

T 0

))T)nk((

r), ,T)1k((

r),T)mk((

r), ,kT(r

) MT ( y , X

r

rx

x

uy

uy

T M

T M

Nhận dạng tham số mô hình liên tục:

Công thức (2 ) cũng đợc sử dụng để xác định vectơ tham số:15

Trang 36

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

)a,,a,a,b,,b,b

Cho hàm truyền đạt mô tả hệ tuyến tính, liên tục:

m n ,

s 1

s )

s

(

G

saa

sbb

b

n n 1

m m 1

+ + +

+ + +

=

Từ dãy các giá trị mật độ phổ tín hiệu vào ra u(t), y(t), đợc ký hiệu là:

) k (S

)S)jk(,S)jk(,S)jk(, ,S)jk(,S

x

uy M 2

uy 0

T M 2

T 0

y ,

b) Cơ cấu xác định tham số bộ điều khiển từ mô hình đối tợng.

Khi đã có đợc mô hình toán học cụ thể là hàm truyền đạt S(s) của đối tợng điều khiển nhờ cơ cấu nhận dạng, để xác định bộ điều khiển R(s) ta có thể áp dụng một phơng pháp thiết kế bất kỳ nào đó đã biết của lý thuyết điều khiển:

- Bộ điều khiển PID có tham số xác định theo nguyên lý tối u độ lớn hay tối u đối xứng

- Bộ điều khiển tối u LQR hay LQG

- Bộ điều khiển điểm cực đặt trớc

- Bộ điều khiển tách kênh có chất lợng từng kênh đợc định trớc

2.2.2 Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)

Bản chất của việc áp dụng MRAS là thiết kế bộ điều khiển sao cho hệ thống đạt đợc những đặc tính mong muốn đợc đa ra bởi một mô hình toán

Trang 37

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

(mô hình mẫu) Khi đặc tính của hệ thống thực khác so với đặc tính lý tởng của mô hình mẫu, hệ thống đợc thay đổi bằng cách điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển (hình 2 ) hoặc tạo thêm tín hiệu phụ (hình 2.5a 5b) Điều này có thể đợc chuyển sang bài toán tối u với hàm mục tiêu:

C

0

0 )

với P là một ma trận xác định dơng Cấu trúc hệ thống nh trên hình 2.5a và hình 2.5b đợc hiểu là MRAS trực tiếp

Trang 38

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

) , ( u x g y

u x f

x ( ) = ( 1, 2, , ) là vectơ biến trạng thái

T m

u u u t

u ( ) = ( 1, 2, , ) là vectơ các tín hiệu đầu vào

Quá Trình BĐK Thích Nghi

Trang 39

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

T r

y y y t

y ( ) = ( 1, 2, , ) là vectơ các tín hiệu đầu ra

T

n x u f u

x f u x f u x

f ( , ) = (1 ( , ),2 ( , ), , ( , ))và

r x u g u

x g u x g u x

g ( , ) = (1 ( , ), 2 ( , ), , ( , ))là các vectơ hệ thống Bằng phơng pháp tuyến tính hoá xấp xỉ hệ (2.2 ) trong lân cận điểm 3

u B x A dt

x d

tơng đơng trong một lân cận ου đủ nhỏ của điểm làm việc 

x

nên khi

áp dụng cho đối tợng phi tuyến gốc (2.23) thì chất lợng của hệ thống cũng chỉ đảm bảo trong lân cận đó Điều này nói rằng ở những điểm làm việc khác nhau 

điểm làm việc đó ta phải ghép chung lại với nhau nhờ khoá chuyển đổi (hình 2.6.b) để có đợc một bộ điều khiển thống nhất

Trang 40

Chơng 2 Các phơng pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

e u y

Tuy nhiên việc sử dụng khoá chuyển đổi nh trên cũng có nhợc điểm của nó:

- Thứ nhất là khoá chuyển đổi phải làm việc cùng với trạng thái thực để xác

định điểm làm việc tức thời hiện có của đối tợng nên trong nó phải có bộ quan sát trạng thái Điều này làm cho cấu trúc bộ điều khiển trở nên phức tạp

- Thứ hai là không thể áp dụng đợc cho trờng hợp đối tợng có rất nhiều

2.2.4 Bộ lọc Klman

ếNăm 1960, R.E.Kalman đã đa ra bài vi t nổi tiếng mô tả phơng pháp

đệ quy nhằm giải quyết bài toán về lọc tuyến tính các d li u r i r c K t đó, ữ ệ ờ ạ ể ừ

do những thu n l i và sự phát triển ngày càng rõ nét củậ ợ a các công c tính toán ụ

R

y~

2 υ

R

.

2 υ

R

Đối tợng

điều khiển

Khoá chuyển đổi

e

-

Hình2.6 : Ghép nhiều bộ điều khiển lại thành một bộ điều khiển thống

nhất nhờ khoá chuyển đổi

Ngày đăng: 22/01/2024, 17:03

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w