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 tựa theo thụ động (Passivity - Based).

1 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MAI VƢƠNG SONG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TƢ̣ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) MAI VƢƠNG SONG TƢ̣ ĐỘNG HÓA TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) Ngành: TƢ̣ ĐỘNG HÓA Học Viên: MAI VƢƠNG SONG Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƢ 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 3 Độc lập - Tự - Hạnh phúc Chuyên ngành: Tự động hóa - 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 Ngày giao đề tài Ngày hoàn thành đề tài : : : : : : : : : Mai Vƣơng Song Ngày 03 tháng 08 năm 1976 Thị xã Phú Thọ - Tỉnh Phú Thọ Trƣờng Cao đẳng nghề Công nghệ Nông lâm Phú Thọ Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tự động hóa K12- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Mai Vƣơng Song BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MỞ ĐẦU Năng lƣợng vấn đề quan trọng xã hội Ở quốc gia nào, lƣợng nói chung lƣợng điện nói riêng luôn đƣợc coi ngành công nghiệp mang tính chất xƣơng sống cho phát kinh tế Việc sản xuất sử dụng điện cách hiệu đƣợc coi trọng cách đặc biệt Ý nghĩa quan trọng mục tiêu cao ngành công nghiệp then chốt nhằm nâng cao đời sống ngƣời dân Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt nhân dân không ngừng đƣợc nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện Tốc độ phát triển sản xuất công nông nghiệp nƣớc đòi hỏi phát triển tƣơng ứng ngành công nghiệp điện lực Do yêu cầu ngành chế tạo máy điện có yêu cầu cao Do nhu cầu lƣợng giới nƣớc ta ngày tăng Việc nâng cao hiệu suất lƣợng hệ truyền động sử dụng động điện trở nên quan trọng hết Với mục đích bảo tồn lƣợng hệ truyền động, Yaskawa Electric phát triển loại động hiệu suất cao có đặc điểm mômen quay tăng cƣờng kích cỡ nhỏ so với động điện cảm ứng AC thông thƣờng Động đồng IPM sử dụng nam châm vĩnh cửu bên đƣợc gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo mật độ thông lƣợng khả phân phối mạnh góp phần làm cho mômen quay tốt Trong ứng dụng mômen quay lớn, IPM đem lại nhiều lợi ích Chẳng hạn máy công cụ, giảm thiểu lƣợng nhiệt thất thoát, không góp phần tiết kiệm lƣợng mà giúp trì độ xác máy công cụ Tƣ̀ nhƣ̃ng đánh giá quan trọng chúng ta cần phải tiến hành nghiên cƣ́u phƣơng pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật đại vào việc đ iều khiển động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu viết tắt KTVC) cho có hiệu suất chất lƣợng cao Từ góp phần xây dựng đất nƣớc ngày văn minh, giàu đẹp đại Trong thời gian qua đã có một số công trì nh nghiên cƣ́u tổng hợp kỹ thuật , thuật toán điều khiển hệ thống điều khiển động đồng KTVC nhằm khai thác tốt tính vƣợt trội vô cùng quý giá Trong khuôn khổ đề tài này, đƣa thuật toán thiết kế điều khiển phi tuyến dựa thụ động Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 5 Chuyên ngành: Tự động hóa (Passivity – Based) nhằm thấy đƣợc tính khả thi việc áp dụng phƣơng pháp để tạo mật độ thông lƣợng khả phân phối mạnh góp phần làm cho mômen quay tốt hơn, từ cải thiện chất lƣợng hệ thống điều khiển Sau đƣợc kiểm tra tính đắn thuật toán hệ thống điều khiển động đồng KTVC mô Matlab-Simulink.- Plecs Nội dung đề tài chia làm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến áp dụng cho động động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu) Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống Chương 3: Áp dụng phƣơng điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho hệ thống Chương 4: Mô đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển Trong trình tiến hành làm luận văn, mặc dù đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo hƣớng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển thân em cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu công trình nghiên cứu, công bố tạp chí ấn phẩm khoa học, xong luận văn tránh khỏi đƣợc thiếu sót Em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp nhận xét đánh giá quý báu thầy cô giáo, nhà nghiên cứu khoa học quan tâm đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Em xin trân thành cảm ơn sâu sắc tới hƣớng dẫn tận tình chu đáo thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng thầy , cô giáo khác nhƣ thầy Đặng Danh Hoằng và các Thầy , Cô giáo khác đã giúp đỡ chuyên môn tài liệu làm cho em có đƣợc luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc Em xin trân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trƣờng Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi mặt để em hoàn thành khóa học Em xin trân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Ngƣời thực Mai Vƣơng Song Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Lý thuyết điều khiển kinh điển đời sớm có nhiều đóng góp lĩnh vực điều khiển học kỹ thuật nhƣ: Trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng, an ninh, hàng hải, hàng không, Việc tổng hợp hệ điều khiển kinh điển chia thành hai loại: Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính hệ điều khiển phi tuyến Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trƣớc hết độ ổn định trạng thái vòng kín Trong hệ thống tuyến tính, điều đạt đƣợc cách thay trực tiếp cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng lý thuyết đặc biệt (thƣờng dựa học thuyết Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến trình động học bên hệ thống Khả đáp ứng biến đổi chức khác từ việc nhận dạng mô hình việc chọn phƣơng thức điều khiển Khi khảo sát hệ tuyến tính, đại đa số phần tử phần tử tuyến tính, việc phân tích tổng hợp theo phƣơng pháp tuyến tính điều kiện định Chỉ cần có phần tử hệ phi tuyến hệ phải đƣợc xem phi tuyến Hệ phi tuyến tồn dƣới hai hình thức: Một khâu phi tuyến có sẵn hệ điều khiển đƣợc xem nhƣ phần tử tuyến tính; Một khuếch đại điện tử hay bán dẫn đƣợc xem phần tử tuyến tính có vùng nhạy bão hòa, nên xét cho cùng phần tử phi tuyến Hai khâu phi tuyến đƣợc ngƣời thiết kế đƣa vào nhằm đạt đƣợc chế độ hay kết mong muốn điều khiển Do việc tổng hợp điều khiển cho đối tƣợng tuyến tính có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc lại chọn phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho đối tƣợng cần điều khiển cụ thể mà Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chƣa phát triển việc tổng hợp điều khiển phi tuyến khó khăn Do đó, cách giải đa số trƣờng hợp đối tƣợng phi tuyến qua bƣớc, mô hình đối tƣợng phi tuyến đƣợc tuyến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 7 Chuyên ngành: Tự động hóa hoá, sau mô hình xấp xỉ tuyến tính đƣợc sử dụng để định luật điều khiển lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên, nhiều trƣờng hợp, đặc biệt yêu cầu tối ƣu hệ thống đƣợc đặt việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế điều khiển cho đối tƣợng phi tuyến khó Bởi sử dụng mô hình xấp xỉ tuyến tính đối tƣợng có nghĩa ta phá vỡ cấu trúc vật lý đối tƣợng Vì vậy, xuất phát từ nhu cầu thực tế, việc phát triển hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cần thiết thiết thực Nhiều năm trở lại có nhiều tác giả xây dựng cách có hệ thống công cụ lý thuyết để giải toán điều khiển áp dụng cho đối tƣợng phi tuyến Tuy nhiên, không giống nhƣ hệ tuyến tính, hệ phi tuyến phức tạp đa dạng, nên việc xây dựng hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho hệ phi tuyến Vì nhiều tác giả thấy để lý thuyết điều khiển phi tuyến ứng dụng cách thiết thực thực tế cần phải phân loại thành hệ phi tuyến riêng biệt có tính chất định, đặc trƣng cho lớp đối tƣợng thuộc hệ phi tuyến cụ thể, để từ xây dựng hệ thống lý thuyết có khả ứng dụng cho hệ thống phi tuyến Để phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến cách thực dụng, ta phải xem xét đối tƣợng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý phải đƣợc tính đến từ đầu trình thiết kế Các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến hệ thống tự động hóa đƣợc hình thành, phát triển đạt đƣợc nhiều kết quan trọng Đặt móng ban đầu phải nói đến phƣơng pháp điều khiển phi tuyến kinh điển nhƣ phân tích tính ổn định tuyệt đối, mặt phẳng pha, cân điều hòa, điều khiển trƣợt, … Sau đến phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain scheduling … sau công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải đƣợc toán tốc độ xử lý thời gian tính toán Do kỹ thuật máy tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vƣợt bậc, ngƣời có khả tính đƣợc nhiều phép tính phức tạp nhanh gấp hàng triệu lần so với trƣớc thi phƣơng pháp điều khiển đại, điều khiển thông minh đời Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 8 Chuyên ngành: Tự động hóa nhƣ điều khiển chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thụ động (Passitivy-based), … Đây mảng lý thuyết điều khiển đƣợc ứng dụng năm gần đƣợc áp dụng để thiết kế điều khiển thông minh kể đến thuyết điều khiển logic mờ, lý thuyết mạng Nơron, thuật toán di truyền, vector không gian, … Để giải phƣơng trình phi tuyến, phƣơng pháp giải tích đồ thị ngày dùng phƣơng pháp phổ biến dùng máy tính số để mô hình hóa tìm đáp số toán dựa vào phần mềm ngày hoàn thiện nhƣ MATLAB Sau phân tích khái quát số phƣơng pháp điều khiển 1.1.1 Điều khiển tuyến tính hóa xác Khi phân tích, khảo sát đối tƣợng phi tuyến ngƣời ta thƣờng tìm cách tuyến tính hoá đối tƣợng đối tƣợng tuyến tính thoả mãn nguyên lý xếp chồng nên việc phân tích khảo sát nói chung tiện lợi Hơn ta áp dụng phƣơng pháp tổng hợp điều khiển tuyến tính vốn phong phú sẵn có nhƣ Tuy nhiên phƣơng pháp tuyến tính hoá mà sử dụng nhiều bất cập hạn chế Nội dung phƣơng pháp tuyến tính hoá xác thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho đối tƣợng phi tuyến (ĐTPT) cho hệ kín trở thành tuyến tính Khác với việc tuyến tính hoá xấp xỉ lân cận điểm làm việc, điều khiển tuyến tính hoá xác đảm bảo tính chất tuyến tính cho hệ thống toàn không gian trạng thái Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá xác hệ phi tuyến, hệ có đặc điểm vào-ra tuyến tính toàn không gian trạng thái Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 9 Chuyên ngành: Tự động hóa Bộ điều khiển đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang lại chất lƣợng cao phƣơng pháp điều khiển phi tuyến Điều khiển hệ phi tuyến phƣơng pháp tuyến tính tuyến tính hóa dựa sở “hình học vi phân” Theo phƣơng pháp ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi trạng thái thông qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đƣa đối tƣợng phi tuyến dạng tuyến tính toàn không gian trạng thái (trong hệ tọa độ mới) Ở phƣơng pháp ta phải xác định đƣợc giá trị biến trạng thái cần phản hồi đo trực tiếp nhờ thiết bị cảm biến đo gián tiếp thông qua quan sát trạng thái, quan sát khoảng thời gian đủ lớn Phƣơng pháp có triển vọng lớn song nhƣợc điểm Nhƣợc điểm phải xác định đƣợc xác giá trị biến trạng thái đối tƣợng (thông thƣờng đo trực tiếp sensor) để phản hồi điều khiển, nhƣng thực tế lúc biến trạng thái đo trực tiếp đƣợc mà phải thông qua quan sát trạng thái Điều làm khó khăn trình thiết kề điều khiển, thông qua quan sát có sai số trình tính toán, thiết kế điều khiển theo phƣơng pháp khó khăn trình tính toán việc tính toán thiết kế quan sát trạng thái 1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling Kỹ thuật gain scheduling dạng đặc biệt phản hồi phi tuyến Tuy chƣa có định nghĩa chặt chẽ hoàn hảo thuật ngữ gain scheduling nhƣng ta hiểu điều chỉnh tuyến tính mà tham số đƣợc thay đổi nhƣ hàm điểm làm việc theo cách đƣợc lập trình trƣớc Toàn kỹ thuật Gain scheduling đƣợc [1] trình bày nhiều trƣờng hợp, động học trình thay đổi theo điều kiện trình đó, tham số điều khiển thay đổi cách quan sát điều kiện làm việc trình Toàn kỹ thuật Gain scheduling đƣợc thể sơ đồ khối sau: Hình 1.2 Kỹ thuật Gain scheduling Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật  10  Chuyên ngành: Tự động hóa 1.1.3 Phƣơng pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha Dùng cho hệ phi tuyến bậc 2, phƣơng pháp dựa thông tin cần thiết hệ thống từ mô hình sơ đồ khối nhƣ “điểm cân điểm dừng hệ thống”, “tính ổn định xác định miền ổn định tương ứng hệ” khả tồn dao động để phân tích hệ thống từ rút những kết luận tính chất động học hệ thống Bằng việc phân tích đƣờng quỹ đạo trạng thái khép kín để rút kết luận chất lƣợng phi tuyến Phƣơng pháp tƣởng nhƣ đơn giản, song việc phân tích chất lƣợng động học hệ thống sở phân tích dạng đƣờng quỹ đạo trạng thái Do có hạn chế áp dụng đƣợc cho hệ thống có tối đa hai biến trạng thái xây dựng đƣợc đồ thị đƣờng cong mặt phẳng cách tƣơng đối xác Cụ thể cách phân tích, đánh giá xây dựng phƣơng pháp điều khiển đƣợc [1] thể rõ 1.1.4 Phƣơng pháp backstepping Xuất vào năm cuối thập kỷ 80, Phƣơng pháp backstepping (hay đƣợc gọi phƣơng pháp chiếu) đƣợc đánh giá công cụ thiết kế đầy triển vọng cho số lớp hệ thống phi tuyến Dựa cách tính toán đệ qui, phƣơng pháp cho phép tính dần hàm điều khiển Lyapunov (clf-control Lyapunov function) Theo P.Kokotovíc M.Arcak (tài liệu [7]), tƣ tƣởng thiết kế theo kiểu chiếu tích phân xuất công trình Tsinias (1989), Sontag Sussmann (1988) Tuy nhiên, tƣ tƣởng thực thể sức mạnh đƣợc áp dụng cho hệ thống có thành phần không chắn (uncertaintly) Với phƣơng pháp chiếu bền vững (robust backstepping), Kanellakopoulos hực xây dựng điều khiển ổn định cho đối tƣợng với tham số mô hình không rõ (unknown parameters) Với hệ có nhiễu loạn (disturbance), Freeman Kokotovíc đƣa phƣơng pháp xây dựng điều khiển phản hồi chiếu thích nghi (adaptive backstepping) Với mô hình đối tƣợng có tham số không chắn (uncertainty), phƣơng pháp chiếu tích phân (integral backstepping) đƣợc áp dụng kết hợp với biện pháp tắt dần phi tuyến (nonlinear damping) 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 ... nghệ Nông lâm Phú Thọ Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tự động hóa K1 2- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM. .. ngành: Tự động hóa CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Lý thuyết điều khiển kinh... khiển động đồng KTVC mô Matlab-Simulink .- Plecs Nội dung đề tài chia làm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến áp dụng cho động động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích