Về triển vọng ủa phương pháp tuyến tính hoá hính xá để điều khiển động ơ không đồng bộ rotor lồng só

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội khoa sau đại học ******************* luận văn thạc sỹ chuyên ngành Tự động hóa Đề tài: triển vọng phơng pháp tuyến tính hoá xác ®Ĩ ®iỊu khiĨn §CK§B rotor lång sãc gvhd hvth líp : : : Tskh nguyễn phùng quang dơng hoài nam cao học tđh k2002-2004 Hà Nội - 20 2004 04 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131422571000000 Mơc lơc Mơc lơc Danh mơc c¸c ký hiƯu, c¸c chữ viết tắt .i Lời nói đầu Ch¬ng I: Tỉng quan phơng pháp tuyến tính hóa xác 1.1 phi tuyÕn 1.2 Mơc ®Ých tuyÕn tÝnh hãa hÖ phi tuyÕn 1.3 Tuyến tính hóa đối tợng phi tuyÕn 1.4 Tun tÝnh hãa chÝnh x¸c hƯ phi tun SISO 1.4.1 BËc tơng đối 1.4.2.Tun tÝnh hãa chÝnh x¸c quan hƯ vµo-ra hƯ phi tun SISO 1.5.Tun tÝnh hãa chÝnh x¸c hƯ phi tun MIMO 11 1.5 Vector bậc tơng đối tối thiểu 11 1.5.2.TuyÕn tÝnh hóa xác quan hệ vào-ra hệ phi tuyến MIMO 14 1.6 VÝ dô minh häa 18 1.6.1.TuyÕn tÝnh hóa xác quan hệ vào-ra hệ phi tuyến SISO 18 1.6.2.Tuyến tính hóa xác quan hệ vào-ra hƯ phi tun MIMO 19 Ch¬ng II : Tun tính hóa xác mô hình dòng ĐCDB 23 2.1 Đặt vấn đề 23 2.2 BiĨu diƠn đại lợng ba pha ĐCDB dới dạng vector 23 2.3 Mô hình trạng thái liên tục §CDB trªn hƯ d-q 28 2.4 Đặc điểm phi tuyến mô hình dòng 33 2.5 Kh¶ tuyến tính hóa xác mô hình dòng ĐCDB 34 2.6 KiĨm tra ®iỊu kiƯn tun tÝnh hãa chÝnh x¸c 36 2.7 Thùc hiƯn tun tÝnh hãa chÝnh x¸c 38 Dơng Hoài Nam iii Mục lục ChơngIII : Đề xuất cấu trúc điều khiển 42 3.1 §Ị xt cÊu tróc ®iỊu khiĨn 42 3.2 Thiết kế điều chỉnh 44 3.2.1 ThiÕt kế điều chỉnh dòng isd 44 3.2.2.Thiết kế điều chỉnh dòng isq 45 3.2.3 Thiết kế điều chỉnh từ thông 46 3.2.4 ThiÕt kÕ bé ®iỊu chØnh tèc ®é 47 Chơng IV: Thực mô 50 4.1 Thông số động dùng mô 51 4.2 M« pháng quan hƯ phi tun mô hình dòng 51 4.3 Mô quan hệ tuyến tính tách kênh 56 4.3.1 KiÓm tra tính tuyến tính đà tuyến tính hóa xác mô hình dòng 56 4.3.2 Kiểm tra tính tách kênh đà tuyến tính hóa xác mô hình dòng 60 4.4 Mô đáp ứng đà thiết kế điều khiển 67 4.4.1 Các đáp ứng động hoạt động từ thông danh định, tốc độ đặt =100rad/s sau 5[s] đóng tải 68 4.4.2 Các đáp ứng động hoạt động từ thông danh định, tốc độ đặt =300rad/s sau 5[s] đóng tải 71 Ch¬ng V: KÕt luËn 75 Tài liệu tham khảo 76 Dơng Hoài Nam iv Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết thu đợc từ luận văn đợc thực tự thân dới hớng dẫn TSKH Nguyễn Phùng Quang thuộc môn Điều khiển tự động - Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội với tài liệu đà đợc trích dẫn phần tài liệu tham khảo phần cuối luận văn Lời nói đầu Lời nói đầu Trong trình sản xuất hệ truyền động đóng phần quan trọng, động lực thúc đẩy suất, chất lợng thành phẩm Hiện hệ truyền động dây chuyền công nghệ đại, ĐCDB đợc ứng dụng rộng rÃi phát huy nhiều u điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy an toàn điều có ý nghĩa đặc biệt hệ truyền động công suất lớn.Với phát triển lý thuyết điều khiển nghành liên quan làm cho ĐCDB dần chiếm u hệ truyền động Từ trớc tới có nhiều công trình nghiên cứu khác điều khiển ĐCDB Phơng pháp phổ biến để điều khiển ĐCDB sử dụng biến tần hoạt động nguyên tắc điều chế vector không gian Việc thực điều khiển ĐCDB vấn đề phức tạp ĐCDB đối tợng phi tuyến Xây dựng điều chỉnh cho đối tợng phi tuyến thờng đề cập đến phơng pháp tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc mô hình đối tợng hay tuyến tính hóa gần chu kỳ trích mẫu cho mô hình gián đoạn, phơng pháp đáp ứng đợc số điểm trạng thái hữu hạn Với tinh thần thực tuyến tính hóa đối tợng phi tuyến toàn không gian trạng thái, phơng pháp tuyến tính hóa xác đợc đề cập, cho phép thực chuyển tọa độ cho mô hình trạng thái đối tợng phi tuyến, cụ thể luận văn mô hình dòng ĐCDB, trở thành đối tợng tuyến tính toàn không gian trạng thái Theo tinh thần phơng pháp tuyến tính hóa xác, đề tài luận văn điều khiển ĐCDB: Về triển vọng phơng pháp tuyến tính hoá xác điều khiển ĐCDB, nuôi nghịch lu nguồn áp nhằm mục đích mong muốn tìm đợc phơng pháp để điều khiển ĐCDB Luận văn bao gồm phần nh sau: Chơng I Tổng quan phơng pháp tuyến tính hóa xác Trong chơng này, ®Ị cËp vỊ kh¸i niƯm tun tÝnh hãa chÝnh x¸c, khái niệm bậc tơng đối tối thiểu đối tợng phi tuyến đầu vào-một đầu SISO, khái niệm vector bậc tơng đối tối thiểu đối tợng phi tuyến nhiều đầu vàonhiều đầu MIMO Qua thực việc tuyến tính hóa xác quan hệ vào-ra cho đối tợng phi tuyến SISO đối tợng phi tuyến MIMO Đa nhận xét thuận lợi, u điểm sau tuyến tính hóa xác Dơng Hoài Nam Lời nói đầu Chơng II Tuyến tính hóa xác mô hình dòng ĐCDB Trong chơng này, đề cập vấn đề sau: Đặt vấn đề cho phơng hớng triển khai để đề tài gần với mức thực tế Xây dựng mô hình trạng thái động không đồng rotor lồng sóc hệ tọa độ d-q Nhận xét phi tuyến mô hình dòng Kiểm tra khả tồn phép tuyến tính hóa xác cho mô hình dòng, từ thực tuyến tính hóa xác mô hình dòng Đa sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái cấu trúc mô hình hệ tuyến tính kết hợp điều khiển phản hồi trạng thái với mô hình dòng Chơng III Đề xuất cấu trúc điều khiển ĐCDB đà tuyến tính hóa xác mô hình dòng Đề xuất cấu trúc điều khiển ĐCDB sau đà tuyến tính hóa xác mô hình dòng Xây dựng điều chỉnh vòng (bộ điều chỉnh dòng điện) điều chỉnh vòng (bộ điều chỉnh từ thông, điều chỉnh tốc độ) dựa phơng pháp tổng hợp đối tợng phi tuyến Chơng IV Kết mô Sử dụng công cụ Matlab\Simulink để mô Mô quan hệ phi tuyến mô hình dòng ĐCDB Mô quan hệ tuyến tính tách kênh mô hình tuyến tính hóa xác mô hình dòng Mô đáp ứng (dòng, từ thông, tốc độ) ®· thiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn cho cÊu tróc ®ỵc đề xuất chơng III Đánh giá kết mô Chơng V Kết luận Các kết thu đợc luận văn kiến nghị để hoàn thiện đề tài Sau nội dung chi tiết luận văn Dơng Hoài Nam Tổng quan phơng pháp tuyến tính hóa xác Chơng I: Tổng quan phơng pháp tuyến tính hoá xác 1.1 Hệ phi tuyến Phần lớn đối tợng điều khiĨn tù nhiªn mang tÝnh phi tun VÝ dơ nh rơ-le, hệ sinh học, hệ thuỷ khí, hệ vật lý có cấu trúc hỗn hợp, hay hệ thống nhiệt động học Đặc điểm hệ phi tuyến không thỏa mÃn nguyên lý xếp chồng u(t) Hệ phi tuyến y( t ) Hình 1.1 Mô tả hệ phi tuyến Có nhiều dạng mô hình toán học cho đối tợng, song mô hình đợc dùng mang lại nhiều thành công ĐKPT mô hình trạng thái Từ mô hình trạng thái ta xây dựng điều khiển phản hồi trạng thái cho đối tợng phi tuyến (bộ ĐKPHTT) Do việc xây dựng ĐKPHTT nhằm đảm bảo chất lợng hệ thống khó khăn Vì điều khiển đối tợng phi tuyến vấn đề ổn định hệ đợc đặt lên hàng đầu Theo [3], tổng hợp ĐKPHTT cho hệ phi tuyến tối thiểu phải quan tâm đến vấn đề sau: ã Sự phân bố điểm cân hệ thống ã Tính ổn định hệ thống điểm cân cho trớc ã Tính điều khiển đợc hệ thống điểm trạng thái cho trớc ã Tính quan sát đợc hệ thống thời điểm ã Khả tồn dao động heternom autonom hệ ã Khả có hay không tợng hỗn loạn hệ ã Khả phân nhánh hệ Dơng Hoài Nam Tổng quan phơng pháp tuyến tính hóa xác 1.2 Mục đích tuyến tÝnh ho¸ hƯ phi tun Do tÝnh phi tun cđa hệ phi tuyến nên việc xây dựng điều khiển cho hệ phi tuyến khó liên quan đến nhiều vấn đề khác khó giải đợc Chính với phơng pháp tuyến tính hoá nhằm đa hệ phi tuyến thành hệ tuyến tính (thỏa mÃn nguyên lý xếp chồng) Dựa vào phơng pháp khảo sát, phân tích, tổng hợp hệ tuyến tính ta xây dựng đợc điều chỉnh tuyến tính phù hợp với yêu cầu chất lợng hệ thống Gồm có phơng pháp tuyến tính hoá sau: Phơng pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc, phơng pháp tuyến tính hóa xác phạm vi chu kỳ trích mẫu phơng pháp tuyến tính hoá xác >>Phơng pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc: Phơng pháp nhằm đa mô hình phi tuyến thành mô hình tuyến tính xấp xỉ tơng đơng lân cận điểm làm việc >>Phơng pháp tuyÕn tÝnh hãa ph¹m vi mét chu kú trÝch mẫu: Phơng pháp nhằm xây dựng đối tợng phi tuyến thành mô hình gián đoạn tuyến tính có hệ số hàm >>Phơng pháp tuyến tính hoá xác: Với ý tởng thực việc chuyển tọa độ cho mô hình trạng thái đối tợng phi tuyến thông qua khả thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái phản hồi tín hiệu đối tợng phi tuyến cho hệ kín trở thành tuyến tính Khác với phơng pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc phơng pháp tuyến tính hóa phạm vi chu kỳ trích mẫu, phơng pháp tuyến tính hoá xác đảm bảo hệ tuyến tính toàn không gian trạng thái áp dụng đợc với lớp đối tợng phi tuyến định 1.3 Tuyến tính hoá xác đối tợng phi tuyến Theo tinh thần phơng pháp tuyến tính hoá xác cần phải thực việc chuyển tọa độ cho mô hình trạng thái thông qua khả thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho hệ kín thu đợc trở thành tuyến tính toàn không gian trạng thái Sơ đồ cấu trúc hệ phi tuyến sau đà tuyến tính hoá xác nh sau: Dơng Hoài Nam Tổng quan phơng pháp tuyến tính hóa xác Hệ vào-ra tuyến tính y w x ĐKPHTT u ĐTPT x Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lý tuyến tính ho¸ chÝnh x¸c hƯ phi tun Ta nhËn thÊy r»ng với ĐKPHTT, ĐTPT có đầu vào cũ u tơng øng víi hƯ phi tun sÏ trë thµnh hƯ tun tính toàn không gian trạng thái với đầu vào w Việc thiết kế ĐKPHTT đợc thực nhờ phép đổi trục toạ độ cho đối tợng phi tuyến phẳng (xác định điều khiển thực phép đổi trục đó) nhằm đa toàn bé hƯ thèng trë thµnh tun tÝnh Theo tµi liƯu [3]: Điều kiện tồn phép tuyến tính hoá xác hệ phi tuyến điều khiển đợc có bậc tơng đối số biến trạng thái Khái niệm bậc tơng đối đà quen biết hệ tuyến tính từ xây dựng, xác định bậc tơng đối cho hệ phi tuyến Để cụ thể hoá nội dung phơng pháp tuyến tính hoá xác ta đa quy ớc, ký hiệu (cho đầu vào-ra, trạng thái) cho hệ phi tuyến: Hệ phi tuyến SISO hệ phi tuyến MIMO >>Đối tợng phi tuyến đợc trình bày theo mô hình trạng thái Hệ phi tuyến MIMO m • = +∑ i  = ( )+ i x f x H( x )u f ( x ) i =1 h ( x )u  y = g( x )  (1.1) Trong ®ã: HƯ cã m tÝn hiƯu vµo: u1( x ) , u ( x ) u m ( x ) cã r tÝn hiÖu y1 ( x ) , y ( x ) y r ( x ) vµ n biến trạng thái: x1 , x x n ThĨ hiƯn díi d¹ng vector R R R R R R nh sau: Dơng Hoài Nam Tổng quan phơng pháp tuyến tính hóa xác x1  x  x= 2     x n   u1   g 1(x)  u  g ( x )  , u =   , y = g(x) =             u m  g r (x)  (1.2) Ma trËn hệ thống f ( x ) ma trận đầu vµo H( x ) :  f (x)   f ( x ) f (x) =         f n ( x ) ; H( x ) = [h ( x ), h ( x ), , h m ( x )] (1.3) HÖ phi tuyÕn SISO Tõ hÖ MIMO (1.1) nÕu thay m = vµ r = (hệ có đầu vào-1 đầu ra) ta thu đợc mô hình trạng thái cho hệ phi tuyến SISO nh sau: x• f x h ( x )u = ( )+   y = g( x ) (1.4) Từ (1.1) (1.4) Mô hình trạng thái cho hệ phi tuyến thể tín hiệu vào tín hiệu Khi sử dụng phơng pháp tuyến tính hoá xác đợc gọi tuyến tính hoá xác quan hệ vào - Ngoài có phơng pháp tuyến tính hoá xác quan hệ vào trạng thái đối tợng phi tuyến Mục đích luận văn tuyến tính hoá ĐCDB nên ta xét trờng hợp tuyến tính hoá xác quan hệ vào - 1.4 Tun tÝnh ho¸ chÝnh x¸c hƯ phi tuyến SISO 1.4.1.Bậc tơng đối Để tiếp cận tới khái niệm bậc tơng đối hệ phi tuyến SISO, ta xét đến khái niệm bậc tơng đối hệ tuyến tính SISO giả sử đối tợng tuyến tính đợc mô tả hàm truyền đạt hợp thức chặt: b + b 1s +  + b ms m G (s) = a + a 1s +  + a n s n ®ã m < n (1.5) Có mô hình không gian trạng thái là: Dơng Hoài Nam