nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển phi tuyến cuốn chiếu (backstepping)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn NGUYỄN THỊ TÂM ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TỰ ĐỘ NG HÓ A NGÀNH: TỰ ĐỘ NG HÓ A NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂ N PHI TUYẾN CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING) NGUYỄN THỊ TÂM TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂN CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING) Ngành: TỰ ĐỘ NG HÓ A Học Viên: NGUYỄN THỊ TÂM Người HD Khoa học: PGS.TS. NGUYỄ N NHƯ HIỂ N THÁI NGUYÊN – 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Nguyễn Thị Tâm Ngày tháng năm sinh : Ngày 08 tháng 05 năm 1984 Nơi sinh : Huyện Phú Bình – Tỉnh Thái Nguyên Nơi công tác : Trường Đại Học Sao Đỏ Cơ sở đào tạo : Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành : Tự động hóa Khóa học : K12- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂ N CUỐN CHIẾU (Backstepping) Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Ngày giao đề tài: / / Ngày hoàn thành: / / GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Như Hiển HỌC VIÊN Nguyễn Thị Tâm BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dưới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Người cam đoan Nguyễn Thị Tâm Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ và đồ thị Nội dung Trang Mở đầu 1 Chƣơng 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCĐBKTVC) 4 1.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển phi tuyến 4 1.1.1. Phương pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha 5 1.1.2. Kỹ thuật Gain scheduling 6 1.1.3. phương pháp tuyến tính hóa trong lân cận điểm làm việc 6 1.1.4. Điều khiển tuyến tính hình thức 8 1.1.5. Điều khiển bù phi tuyến 9 1.1.6. Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động (PBC) 10 1.1.7. Phương pháp Backstepping 11 1.2. Mô hình hệ thống của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 21 1.2.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 21 1.2.2. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển 25 1.2.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 33 Chƣơng 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống 34 2.1. Khái quát về ngành sản xuất xi măng lò đứng 34 2.1.1 Sơ lược về ngành sản xuất xi măng 34 2.1.1.1 Sản xuất theo công nghệ lò đứng thủ công 35 2.1.1.2 Sản xuất theo công nghệ lò đứng cơ giới hóa 36 2.1.1.3 Các phương án lò quay 36 Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.2 Nguyên liệu và nhiên liệu để sản xuất xi măng 37 2.1.2.1. Nguyên liệu để sản xuất xi măng. 37 2.1.2.2. Nhiên liệu để sản xuất xi măng 42 2.2 Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hóa 42 2.2.1 Chế tạo phối liệu 44 2.2.1.1 Chế biến sơ bộ và đồng nhất nguyên liệu 45 2.2.1.2 Cân định lượng 45 2.2.1.3 Nghiền bi 45 2.2.1.4 Trộn ẩm và vê viên 46 2.2.2 Nung clinker 46 2.2.3 Nghiền xi măng. 48 2.3 Tìm hiểu công nghệ hệ thống cân băng định lƣợng đƣợc dùng trong nhà máy xi măng 48 2.3.1 Hệ thống cân băng định lượng 49 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý kết cấu băng tải cân băng 50 2.3.3 Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống cân băng định lượng 52 2.4 Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng dùng ĐCĐB KTVC với bộ điều khiển phi tuyến 53 2.4.1 Sơ đồ khối và nguyên lí điều khiển 53 2.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu với bộ điều khiển phi tuyến. 57 CHƢƠNG 3: Áp dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến Backstepping cho hệ thống. 58 3.1. Điều khiển Backstepping đối với động cơ ĐB KTVC 58 3.1.1 Cấu trúc điều khiển 58 3.1.2 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển 59 3.1.2.1 Phát biểu bài toán 59 3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng 59 3.2 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping trên hệ tọa độ từ thông roto 62 Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cơ bản thành phần i sd 62 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cơ bản thành phần i sq 65 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác và tách kênh trực tiếp 67 3.2.4. Thiết kế bộ điều khiển i sd 68 3.2.5. Thiết kế bộ điều khiển i sq 69 3.2.6. Thiết kế bộ điều khiển i sd và i sq có đưa thêm khâu tích phân 69 CHƢƠNG 4: Mô phỏng và đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển 77 4.1 Sơ đồ điều khiển trong mô hình Matlab - Simulink 77 4.1.1 Sơ đồ của bộ điều khiển BPC trong mô hình Matlab-Simulink 78 4.1.1.1 Khối bộ điều khiển dòng 78 4.1.1.2 Các khâu tính toán giá trị đặt 78 4.2 Tham số của động cơ và bộ điều khiển 79 4.2.1 Tham số của động cơ 79 4.2.2 Tham số của bộ điều khiển 79 4.3 Kết quả mô phỏng 80 4.3.1 Kết quả mô phỏng tốc độ 80 4.3.2. Kết quả mô phỏng sản lượng Q 82 4.4 Kết luận 84 Tài liệu tham khảo 85 Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các bảng Bảng 1. Thành phần đá vôi đất sét ở một số cơ sở sản xuất xi măng ở nước ta 39 Bảng 2. Thành phần hoá học phụ gia điều chỉnh. 42 Danh mục các hình vẽ và đồ thị ĐKPHTT Điều khiển phản hồi trạng thái ĐTPT Đối tượng phi tuyến ĐB KTNCVC Đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu BPC Điều khiển Backstepping (Backstepping Control) KTVC Kích thích vĩnh cửu Hệ EL Hệ Euler-Lagrange MĐĐB Máy điện đồng bộ ĐCXCBP Động cơ xoay chiều ba pha v Tín hiệu đầu vào  Là góc vận tốc giữa véc tơ từ thông stator và từ thông nam châm i su , i sv và i sw Dòng điện ba pha của pha U, pha V và pha W ω Vận tốc góc (tốc độ đầu ra được điều khiển) ω * Tốc độ điều khiển mong muốn (giá trị tốc độ đặt) f s U Điện áp Stator f s  Từ thông Stator f s Là tần số mạch điện Stator u sd Điện áp Stator đo ở vị trí đỉnh cực (dọc theo trục d) u sq Điện áp Stator đo ở vị trí ngang cực (dọc theo trục q) i sd Dòng điện Stator đo ở vị trí đỉnh cực (dọc theo trục d) i sq Dòng điện Stator đo ở vị trí ngang cực (dọc theo trục q) L sd Điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực L sq Điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực Ψ P Từ thông cực (từ thông rotor vĩnh cửu). Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn sd T Hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực (trục d) sq T Hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực (trục q) m M Mô men của động cơ đồng bộ KTVC m * Mô men mong muốn của động cơ đồng bộ KTVC m G Mômen quay m W Moomen tải  * Góc lệch pha giữa của hai hệ tọa độ xy và x * y *  Là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đi qua trục cuộn dây pha u) i s Vector dòng Stator i r Vector dòng Rotor  r Vector từ thông Rotor H Hàm tổng năng lượng của động cơ H e Hàm năng lượng của phần điện H m Hàm năng lượng của phần cơ * e H Hàm năng lượng mong muốn của hệ kín   )(  LM eig Giá trị riêng lớn nhất của ma trận )(  L ))((  Lm eg Giá trị riêng nhỏ nhất của ma trận )(  L * ( ) || ||t   * r ψ Biên độ từ thông rotor yêu cầu )( * t   Đạo hàm bậc nhất của biên độ từ thông rotor yêu cầu d  Là góc trượt (góc giữa từ thông stator và trục rotor) U BPC Là điện áp do bộ điều khiển BPC tạo ra u * sd Là điện áp rotor thành phần theo trục d mong muốn của động cơ u * sq Là điện áp rotor thành phần ngang trục q mong muốn của động cơ * sd sd sd i i i  Là sai lệch dòng điện rotor thành phần theo trục d giữa giá trị đặt và giá trị lấy từ bộ điều khiển mô men K(  ) Hệ số suy giảm Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các hình vẽ và đồ thị Hình 1.1 Kỹ thuật Gain scheduling 6 Hình 1.2. Ổn định hệ phi tuyến 7 Hình 1.3. Điều khiển tuyến tính hình thức bằng bộ điều khiển phản hồi trạng thái 8 Hình 1.4. Thiết kế bộ điều khiển 10 Hình 1.5. Bù phi tuyến 10 Hình 1.6. Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov 13 Hình 1.7. Sơ đồ khối cho hệ (1.12) 16 Hình 1.8. Thêm vào và bớt đi thành phần mong muốn  18 Hình 1.9. Backstepping  qua khâu tích phân 19 Hình 1.10. Hệ (1.12) sau khi đưa bộ tổng hợp theo phương pháp Backstepping 20 Hình 1.11. Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha 25 Hình 1.12. Thiết lập các véc tơ không gian từ các đại lượng pha 26 Hình 1.13 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần tử i s và i s thuộc hệ toạ độ Stator cố định 27 Hình 1.14 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V 28 Hình 1.15 Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông Rotor, còn gọi là hệ toạ độ dq 30 Hinh 1.16.Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC 31 Hình.17. Mô hình MĐĐB-KTVC trên hệ tọa dộ dq (hệ tọa độ từ thông ) 32 Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hóa của một nhà máy xi măng 43 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý kết cấu băng tải 51 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống 54 Hình 2.4. Cấu tạo chuyển đổi 55 Hình 2.5.a. Mạch đo của chuyển đổi TENZO 56 Hình 2.5.b. Sơ đồ thay thế 56 [...]... đị nh ̣ ̃ ́ ̉ ́ Đề tài này nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ truyền động sử dụng hệ máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng điều khiển theo phƣơng pháp cuốn chiếu (Backsteppping) Đề tài nay cùng với một số công trình nghiên cứu ̀ khác về điều khiển hệ thống động cơ điện đồng bộ ba pha nhằm ta o ra cac kỹ thuật ̣ ́ điêu khiên mới, công nghệ hiện đại đê ứng dụng rộng rãi vào qua trình... phƣơng pháp điều khiển hiện đại , điều khiển thông minh ra đời nhƣ điều khiển cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi , điều khiển mờ , điều khiển thụ đông ̣ (Passitivy-based), … Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và đƣợc ứng dụng trong những năm gần đây đƣợc áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển thông minh có thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ, lý thuyết mạng Nơron, thuật toán di truyền, ... phát ra công suất phản kháng), dùng để cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lƣới điện Thông thƣờng các máy điện đồng bộ đƣợc tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng Trong động cơ điện xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thƣờng là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... toán điều khiển áp dụng cho các đối tƣợng phi tuyến Tuy nhiên, không giống nhƣ hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng, nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi tuyến là không thể Vì thế nhiều tác giả thấy rằng để lý thuyết điều khiển phi tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra thành các hệ phi tuyến riêng... phỏng sản lượng Q khi Q không đổi và m thay đổi 83 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng sản lượng Q khi Q thay đổi và m thay đổi 83 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật 4 Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Có... phần phi tuyến trong hệ Mục đích điều khiển là thiết kế bộ điều khiển h (u, y) sao cho hệ kín có đƣợc chất lƣợng mong muốn và chất lƣợng này không phụ thuộc vào thành phần phi tuyến n ( x ( t )) Việc thiết kế gồm hai bƣớc nhƣ sau: Bƣớc 1: Nhận dạng thành phần phi tuyến bằng một mô hình tuyến tính Bƣớc 2: Thiết kế bộ điều khiển h (u, y) để loại bỏ thành phần phi tuyến trong hệ kín và mang lại cho hệ. .. tƣợng phi tuyến là qua các bƣớc, đầu tiên mô hình của đối tƣợng phi tuyến sẽ đƣợc tuyến tính hoá, sau đó mô hình xấp xỉ tuyến tính đó sẽ đƣợc sử dụng để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp, đặc biệt khi yêu cầu về tối ƣu trong hệ thống đƣợc đặt ra thì việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế một bộ điều khiển cho đối tƣợng phi. .. ngành: Tự động hóa Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng 57 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển DCDBVC 58 Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng 60 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến 61 Hình 4.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển trong Matlab-Simulink 77 Hình 4.2 Tốc độ đặt và tốc độ của động cơ khi hệ thống hoạt động với sản lượng đặt Q = 100 kg/ms và khối lượng. .. nay lý thuyết điều khiển tuyến tính đã phát triển ở mức gần nhƣ hoàn thiện Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tƣợng tuyến tính đã có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc còn lại chỉ là chọn một phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tƣợng cần điều khiển cụ thể mà thôi Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chƣa phát triển thì việc tổng hợp một bộ điều khiển phi tuyến là rất khó... với tốc độ của từ trƣờng quay Dây quấn stato đƣợc nối với lƣới điện xoay chiều, dây quấn rôto đƣợc kích thích (kích từ ) bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rôto luôn không đổi khi tải thay đổi Động cơ đồng bộ đƣợc sử dụng khi cần công suất truyền động lớn, có thể đến hàng chục MW Ngoài ra, động cơ đồng bộ còn đƣợc dùng làm các máy bù đồng bộ (có khả năng . NG HÓ A NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂ N PHI TUYẾN CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING). THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁ P ĐIỀ U KHIỂN CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING) . CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Có thể nói rằng, hiện nay lý thuyết điều khiển tuyến