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)

NGUYỄN THỊ TÂM ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TỰ ĐỘNG HÓA 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) NGUYỄN THỊ TÂM TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa 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 PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING) Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Học Viên: NGUYỄN THỊ TÂM Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN THÁI NGUYÊN – 2011 Số hóa 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 - Hạnh phúc - LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh Nơi công tác Cơ sở đào tạo Chuyên ngành Khóa học : : : : : : : Nguyễn Thị Tâm Ngày 08 tháng 05 năm 1984 Huyện Phú Bình – Tỉnh Thái Nguyên Trường Đại Học Sao Đỏ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tự động hóa 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 PHÁP ĐIỀU KHIỂN 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 HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Như Hiển BAN GIÁM HIỆU Nguyễn Thị Tâm KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu , sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Người cam đoan Nguyễn Thị Tâm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị Nội dung Trang Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến áp dụng cho động đồng kích thích vĩnh cửu (ĐCĐBKTVC) 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến 4 1.1.1 Phương pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha 1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling 1.1.3 phương pháp tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc 1.1.4 Điều khiển tuyến tính hình thức 1.1.5 Điều khiển bù phi tuyến 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 động đồng kích thích vĩnh cửu 21 1.2.1 Tổng quan động đồng kích thích vĩnh cửu 21 1.2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển 25 1.2.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động đồng 33 Chƣơng 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống 34 2.1 Khái quát ngành sản xuất xi măng lò đứng 34 2.1.1 Sơ lược 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 giới hóa 36 2.1.1.3 Các phương án lò quay 36 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 2.1.2 Nguyên liệu 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 giới hóa 2.2.1 Chế tạo phối liệu 42 44 2.2.1.1 Chế biến sơ đồng nguyên liệu 45 2.2.1.2 Cân định lượng 45 2.2.1.3 Nghiền bi 45 2.2.1.4 Trộn ẩm 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 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 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 điều khiển phi tuyến 2.4.1 Sơ đồ khối nguyên lí điều khiển 53 2.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng động đồng kích thích vĩnh cửu với điều khiển phi tuyến CHƢƠNG 3: 53 Áp dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến Backstepping cho hệ thống 3.1 Điều khiển Backstepping động ĐB KTVC 57 58 58 3.1.1 Cấu trúc điều khiển 58 3.1.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển 59 3.1.2.1 Phát biểu toán 59 3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng 59 3.2 Thiết kế điều khiển Backstepping hệ tọa độ từ thông roto 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 3.2.1 Thiết kế điều khiển Backstepping thành phần isd 62 3.2.2 Thiết kế điều khiển Backstepping thành phần isq 65 3.2.3 Thiết kế điều khiển Backstepping theo phương pháp tuyến tính hóa xác tách kênh trực tiếp 67 3.2.4 Thiết kế điều khiển isd 68 3.2.5 Thiết kế điều khiển isq 69 3.2.6 Thiết kế điều khiển isd isq có đưa thêm khâu tích phân 69 CHƢƠNG 4: Mô đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển 77 4.1 Sơ đồ điều khiển mô hình Matlab - Simulink 77 4.1.1 Sơ đồ điều khiển BPC mô hình Matlab-Simulink 78 4.1.1.1 Khối điều khiển dòng 78 4.1.1.2 Các khâu tính toán giá trị đặt 78 4.2 Tham số động điều khiển 79 4.2.1 Tham số động 79 4.2.2 Tham số điều khiển 79 4.3 Kết mô 80 4.3.1 Kết mô tốc độ 80 4.3.2 Kết mô sản lượng Q 82 4.4 Kết luận 84 Tài liệu tham khảo 85 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Danh mục bảng Bảng Thành phần đá vôi đất sét số sở sản xuất xi măng nước ta 39 Bảng Thành phần hoá học phụ gia điều chỉnh 42 Danh mục hình vẽ đồ thị ĐKPHTT Điều khiển phản hồi trạng thái ĐTPT Đối tượng phi tuyến ĐB KTNCVC Đồng 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 ĐCXCBP Động xoay chiều ba pha v Tín hiệu đầu vào  Là góc vận tốc véc tơ từ thông stator từ thông nam châm isu, isv isw Dòng điện ba pha pha U, pha V pha W ω Vận tốc góc (tốc độ đầu điều khiển) ω* Tốc độ điều khiển mong muốn (giá trị tốc độ đặt) U sf Điện áp Stator  sf Từ thông Stator fs Là tần số mạch điện Stator usd Điện áp Stator đo vị trí đỉnh cực (dọc theo trục d) usq Điện áp Stator đo vị trí ngang cực (dọc theo trục q) isd Dòng điện Stator đo vị trí đỉnh cực (dọc theo trục d) isq Dòng điện Stator đo vị trí ngang cực (dọc theo trục q) Lsd Điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực Lsq Điện cảm Stator đo vị trí ngang cực ΨP Từ thông cực (từ thông rotor vĩnh cửu) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Tsd Hằng số thời gian Stator vị trí đỉnh cực (trục d) Tsq Hằng số thời gian Stator vị trí đỉnh cực (trục q) mM Mô men động đồng KTVC m* Mô men mong muốn động đồng KTVC mG Mômen quay mW Moomen tải * Góc lệch pha hai hệ tọa độ xy x*y*  Là góc tạo trục Rotor trục chuẩn (đi qua trục cuộn dây pha u) is Vector dòng Stator ir Vector dòng Rotor r Vector từ thông Rotor H Hàm tổng lượng động He Hàm lượng phần điện Hm Hàm lượng phần H e* Hàm lượng mong muốn hệ kín M eig L( ) Giá trị riêng lớn ma trận L() meg ( L( )) Giá trị riêng nhỏ ma trận L() * (t ) || ψ*r || Biên độ từ thông rotor yêu cầu * (t ) Đạo hàm bậc biên độ từ thông rotor yêu cầu d Là góc trượt (góc từ thông stator trục rotor) UBPC Là điện áp điều khiển BPC tạo u*sd Là điện áp rotor thành phần theo trục d mong muốn động u*sq Là điện áp rotor thành phần ngang trục q mong muốn động isd  isd  isd* Là sai lệch dòng điện rotor thành phần theo trục d giá trị đặt K() Hệ số suy giảm giá trị lấy từ điều khiển mô men Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Kỹ thuật Gain scheduling Hình 1.2 Ổn định hệ phi tuyến Hình 1.3 Điều khiển tuyến tính hình thức điều khiển phản hồi trạng thái Hình 1.4 Thiết kế 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 bớt thành phần mong muốn  18 Hình 1.9 Backstepping  qua khâu tích phân 19 Hình 1.10 Hệ (1.12) sau đưa tổng hợp theo phương pháp Backstepping 20 Hình 1.11 Mô hình đơn giản ĐCĐB ba pha 25 Hình 1.12 Thiết lập véc tơ không gian từ đại lượng pha 26 Hình 1.13 Biểu diễn dòng điện Stator dạng vector không gian với 27 phần tử is is thuộc hệ toạ độ Stator cố định Hình 1.14 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian V Hình 1.15 Biểu diễn vector không gian hệ toạ độ từ thông Rotor, gọi hệ toạ độ dq 28 30 Hinh 1.16.Sơ đồ thay MĐĐB-KTVC 31 Hình.17 Mô hình MĐĐB-KTVC hệ tọa dộ dq (hệ tọa độ từ thông ) 32 Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng lò đứng giới hóa 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 chuyển đổi TENZO 56 Hình 2.5.b Sơ đồ thay 56 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... 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 PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING) Ngành:... Nguyên Tự động hóa 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 PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU (Backstepping). .. Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến áp dụng cho động đồng kích thích vĩnh cửu (ĐCĐBKTVC) 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến 4 1.1.1 Phương pháp điều khiển phân tích mặt