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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM THÀNH NGỮ 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MẠNH TIẾN HÀ NỘI 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205245671000000 Lời cảm ơn Quyển luận văn hoàn thành nhờ có quan tâm, bảo tận tình thầy hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến, thầy cô mơn Tự Động Hóa XNCN, bạn đồng nghiệp động viên gia đình Qua xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐHBK Hà Nội, người truyền đạt, củng cố trí thức quan trọng suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn thầy cô mơn Tự Động Hóa XNCN giúp tơi nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết chuyên ngành học Đặc biệt, tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến, người khơng tận tình giúp tơi định hướng phương pháp nghiên cứu phù hợp mà dành thời gian đọc thảo sai sót để luận văn sớm hồn thành Cuối xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln động viên, khích lệ tơi suốt q trình làm luận văn Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008 Học viên Phạm Thành Ng i LờI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp đợc thực dới hớng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến với tài liệu tham khảo đà đợc trích dẫn cuối luận văn Số liệu kết đợc đa luận văn hoàn toàn trung thực, không chép công trình nghiên cứu khác Hà nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008 Học viên Phạm Thành Ngữ ii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt ĐCMC: Động chiều ĐCKĐB: Động không đồng KĐB: Không đồng ĐCXCBP: Động điện xoay chiều ba pha ĐCĐB: Động đồng LQR: Linear Quadratic Regulator TTHCX: Tuyến tính hoá xác ĐKPHTT: Điều khiển phản hồi trạng thái §TPT: §èi tỵng phi tun STR: Self-Tuning Regulator MRAS: Model Reference Adaptive System v Môc lôc MỤC LỤC Lời cảm ơn .i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt v Abstract vi Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan động không đồng 1.1 Ứng dụng lý thuyết véctơ để mô tả động KĐB 1.1.1 Vecto không gian hệ toạ độ từ thông roto .5 1.1.2 Mơ hình liên tục ĐCKĐB rơto lồng sóc 1.1.2.1 Hệ phương trình động 1.1.2.2 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ từ thông roto 10 1.2 Hệ thống điều khiển vecto ĐCKĐB .14 1.2.1 Tổng quan phương pháp điều khiển vectơ 14 1.2.2 Phương pháp điều khiển vectơ trực tiếp .16 1.2.3 Phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp 17 Chương 2: Các phương pháp điều khiển đại cho truyền động động KĐB 19 2.1 Tổng quan điều khiển phi tuyến 19 2.1.1 Phương pháp tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc 19 2.1.2 Phương pháp tuyến tính hố phạm vi chu kỳ trích mẫu 21 2.1.3 Phương pháp tuyến tính hố 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 mơ 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 đệ quy .41 iii Mơc lôc Chương Thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao cho truyền động động không đồng 44 3.1 Mơ hình tổng thể hệ thống 44 3.2 Tổng hợp điều chỉnh từ thơng dịng 45 3.2.1 Tổng hợp điều chỉnh từ thông .45 3.2.2 Tổng hợp điều chỉnh dòng 46 3.2.2.1 Tổng hợp khâu RId .49 3.2.2.2 Tổng hợp khâu RIq .49 3.3 Tổng hợp điều khiển vị trí .49 3.3.1 Tổng hợp PD tự chỉnh 51 3.3.2 Ước lượng momen tốc độ qua lọc Klman .53 3.3.3 Nhận dạng tham số momen quán tính J hệ số ma nhớt B ĐCKĐB qua nhận dạng tham số 58 Chương Mô hệ thống điều khiển Matlab .63 4.1 Mơ hình tổng thể 63 4.2 Mơ hình ĐCKĐB 64 4.3 Bộ điều khiển vịtrí .65 4.3.1 Khâu PD tự chỉnh 65 4.3.2 Bộ lọc Klman .66 4.3.3 Bộ nhận dạng tham số .66 4.4 Bộ điều chỉnh dòng 66 4.5 Bộ điều chỉnh từ thông .68 4.6 Kết mô 70 4.7 Nhận xét kết kết đạt 76 Kết luận 77 Tài liệu tham khảo 79 Phụ lục 82 Phụ lục 84 Tóm tắt luận văn iv lời nói đầu Ngày nay, động không đồng đợc sử dụng rộng rÃi phổ biến công nghiệp.So với động chiều, động không đồng có nhiều u điểm mặt cấu tạo, giá thành nh vận hành Tuy nhiên, có cấu trúc phi tuyến với đa thông số, nên việc điều khiển động không đồng gặp nhiều khó khăn Trong năm gần đây, với phát triển mạnh số nghành kỹ thuật nh điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý nhiều phơng pháp điều khiển đời thu đợc hiệu Chính vậy, động không đồng ngày đợc sử dụng rộng rÃi, dần thay cho động chiều hệ thống truyền động chất lợng cao Các điều khiển PI, PD, PID đà đợc sử dụng nhiều nhng chất lợng ®iỊu khiĨn nµy phơ thc vµo ®iỊu kiƯn lµm viƯc động Việc điều chỉnh tham số điều khiển phải ngời thiết kế chỉnh lại, điều gặp không khó khăn Tiếp lần lợt phơng pháp điều khiển trực tiếp gián tiếp từ trờng đời kèm theo việc sử dơng mét nhiỊu c¸c tht to¸n quan s¸t tõ thông roto r Tuy nhiên phơng pháp cổ truyền không đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ Bộ quan sát trạng thái thích nghi tự chỉnh dựa phơng pháp nhận dạng tham số bình phơng nhỏ mang lại chất lợng điều chỉnh tốt dải tèc ®é réng Nhng ë tèc ®é thÊp thêi gian lấy mẫu nhỏ sử dụng sensor tốc độ đo đợc tốc độ tức thời tốc độ bị sai, hệ thống không ổn định đạt đợc chất lợng mong muốn Để khắc phụ điều này, dùng quan sát trạng thái chất lợng cao Kalman Filter, với encoder vị trí xác định đợc tốc độ tức thời mômen nhiễu tải Điều làm cho hệ thống hoạt động với chất lợng tốt chí làm việc vùng tốc độ thấp Trong luận văn sâu vào Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động chất lợng cao với động không đồng sử dụng điều khiển thích nghi tự chỉnh.Một phơng pháp điều khiển thông minh phơng pháp điều khiển thích nghi Trọng tâm luận văn nghiên cứu phơng pháp điều khiển thích nghi tham số điều khiển vị trí cho truyền động động không đồng sử dụng quan sát trạng thái Kalman nhận dạng dùng thuật toán bình phơng nhỏ đệ quy Luận văn gồm chơng chính, nội dung chơng trình bày nh sau: Chơng 1: Tổng quan động không đồng Dựa khái niệm vectơ không gian, xây dựng hệ phơng trình mô tả động học động không động Nguyên lý phơng pháp điều khiển vectơ hệ thống truyền động điện điều khiển vectơ _động không đồng Chơng 2: Các phơng pháp điều khiển đại cho truyền động động không đồng Tổng quan phơng pháp điều khiển phi tuyến Tổng quan hệ điều khiển thích nghi Cơ sở lý thuyết lọc Klman phơng pháp bình phơng nhỏ đệ qui Chơng 3: Thiết kế điều khiển chuyển động chất lợng cao cho truyền động động không đồng Xây dựng điều khiển vị trí tự chỉnh tham số cho động không đồng Xây dựng thuật toán quan sát tốc độ mômen nhiễu tải động không đồng sử dụng Kalman Filter Xây dựng thuật toán nhận dạng mômen quán tính động không đồng sử dụng phơng pháp bình phơng nhỏ đệ quy Chơng : Mô hệ thống điều khiển Matlab Xây dựng mô hình mô cho hệ thống Trình bày kết mô đa nhận xét đánh giá kết Mặc dù qua thời gian làm việc cố gắng, nghiêm túc đà có số kết ban đầu, song hiểu biết hạn chế, luận văn có nhiều thiếu sót Tôi xin chân thành mong nhận đợc đóng góp thầy cô giáo bạn quan tâm để luận văn giúp ích cho nhng nghiên cứu sâu sau Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008 Học viên Phạm Thành Ngữ Chơng Tổng quan động không đồng Chơng tổng quan động KHÔNG ĐồNG Bộ 1.1 ứng dụng lý thuyết vectơ để mô tả động không đồng Nh ta đà biết, động chiều(ĐCMC) kích từ độc lập có hệ phơng trình sau: M = k2 ik  mM = k1ψ M iM Trong ®ã: mM - mômen quay động M - từ thông động iM - dòng phần ứng ik - dòng kích từ k1 , k2 - số động Dễ thấy từ thông động M phụ thuộc vào dòng kích thích ik Nói cách khác ta điều chỉnh khống chế đợc M cách dễ dàng, chắn Thông thờng, phạm vi giải tốc độ nhỏ tốc độ định mức, M đợc giữ ổn định giá trị định mức giải tốc độ lớn tốc độ định mức, tuỳ thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt M cách giảm i k để giữ cho sức từ động cảm ứng khỏi lớn Mặt khác, điểm công tác động cơ, từ thông đà đợc điều chỉnh ổn định giá trị không đổi nên mômen quay động tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng iM Tóm lại ĐCMC kích tõ ®éc lËp cã quan hƯ: ψ M ~ i k mM ~ iM Hai dòng i k iM đợc sử dụng trực tiếp làm đại lợng điều khiển cho từ thông mômen quay động nh ta thành công việc áp đặt nhanh hai dòng điện Hơn cấu trúc đơn giản mạch kích từ mạch phần ứng nên việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) vấn đề dễ dàng đà đợc giải từ lâu Tuy nhiên động điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) không quan hệ rõ ràng dòng với từ thông dòng với mômen nh động