Nghiên Cứu Phương Pháp Điều Khiển Trượt Để Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Rotor Lồng Sóc(Tóm Tắt Luận Văn)

TÓM TẮTLuận văn này giới thiệu một bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ. Bộ điều khiển được phát triển dưới hệ tọa độ dq. Nó được thiết kế bao gồm 2 vòng: Ở vòng trong, từ thông rotor và mômen động cơ được điều khiển quanh giá trị đặt bởi bộ điều khiển trượt nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO). Luận văn này đề xuất sử dụng hàm hyperbolic tangent thay cho hàm sign; saturation trong biểu thức xác định luật điều khiển. Ưu điểm của bộ điều khiển này là cho đáp ứng nhanh từ thông rotor và mômen động cơ. Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép tính đến ảnh hưởng của sai số mô hình. Các điều kiện ổn định bền vững được thực hiện nhằm chống lại sự thay đổi trong thông số động cơ (điện trở rotor và stator, hệ số tự cảm, quán tính rotor). Ở vòng ngoài, tốc độ rotor được chỉnh định bởi bộ điều khiển PI. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống được đề xuất có chất lượng tốt (đáp ứng nhanh, sai số xác lập nhỏ) và bền vững với sai số mô hình.

MỤC LỤC Trang tựa Trang TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt viii Danh sách hình ix Danh sách bảng xii i Chương TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Động khơng đồng ba pha có nhiều ưu điểm khởi động dễ dàng, giá thành rẻ, đặc tính làm việc tốt, bảo trì đơn giản, chi phí vận hành bảo trì thấp Tuy vậy, có nhược điểm đặc tính phi tuyến mạnh Đề tài nghiên cứu lý thuyết “Điều khiển động không đồng dùng phương pháp điều khiển trượt” Điều khiển trượt phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản hiệu Bộ điều khiển thiết kế cho quỹ đạo pha hệ thống hướng mặt phẳng trượt Một quỹ đạo pha nằm mặt trượt chúng tiến vị trí mong muốn Vì tốn điều khiển chuyển thành điều khiển ổn định hóa hàm trượt S 1.2 Tình hình nghiên cứu - Điều khiển định hướng trường [3, 4, 5] - Điều khiển mô-men trực tiếp [6, 7] - Điều khiển dựa vào tính thụ động [8] - Điều khiển tuyến tính hóa vào [9] - Điều khiển dùng logic mờ mạng nơron [10, 11] - Điều khiển trượt [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18] 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ - Lập mơ hình ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc hệ dq - Nghiên cứu giải thuật điều khiển ĐCKĐB dùng phương pháp - điều khiển trượt (SMC) Mô hệ thống điều khiển Matlab/Simulink So sánh với phương pháp điều khiển khác để nêu lên kết đạt 1.4 Giới hạn đề tài Nghiên cứu lý thuyết điều khiển ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc phương pháp SMC 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Phân tích tổng hợp lý thuyết - Mơ hình hóa mô 1.6 Nội dung luận văn Chương một: Tổng quan Chương hai: Cơ sở lý thuyết Chương ba: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương bốn: Kết mô Chương năm: Kết luận kiến nghị Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.4 Phương pháp điều khiển trượt 2.2.4.1 Đối tượng điều khiển Xét hệ thống phi tuyến biểu diễn phương trình vi phân ( ) ( ) y ( n ) = f y, y , , y ( n −1) + g y, y , , y ( n−1) u + d Trong d nhiễu Đặt (2.24) x1 = y , x2 = y , x3 = y, , xn = y ( n −1) (2.25) Ta biểu diễn trạng thái  x = x2  x = x    x = x n  n−1  x n = f ( x ) + g ( x ).u + d (2.26) y = x1 Bài tốn đặt xác định tín hiệu điều khiển u cho tín hiệu y bám theo tín hiệu đặt r 2.2.4.2 Mặt trượt (sliding surface) Định nghĩa tín hiệu sai lệch e=y–r hàm S (2.27) S = e ( n −1) + cn −1e ( n− ) + + c2 e + c1e (2.28) c1, … , cn-2, cn-1 hệ số chọn trước cho đa thức đặc trưng phương trình vi phân sau Hurwitz (tất nghiệm với phần thực âm) e ( n −1) + cn −1e ( n −2 ) + + c2 e + c1e = (2.29) Nếu thực luật điều khiển cho S = 0, tín hiệu sai lệch e nghiệm phương trình (2.29) Do nghiệm phương trình đặc trưng (2.29) nằm bên trái mặt phẳng phức, nên sai lệch e(t) tiến tới t tiến tới ∞ Phương trình S = xác định mặt cong không gian n chiều gọi mặt trượt Vấn đề đặt xác định luật điều khiển u để đưa quỹ đạo pha hệ thống mặt trượt trì mặt trượt cách bền vững biến động f(x) g(x)  Tính bền vững luật điều khiển Trong điều kiện có sai số mơ hình, luật điều khiển (2.35) đưa quỹ đạo pha hệ thống mặt trượt S = điều kiện sau thỏa mãn: S < Nếu S < S > Nếu S = S = Nếu S > (2.30) 2.2.4.3 Luật điều khiển trượt kinh điển Lấy đạo hàm (2.28) áp dụng (2.26), (2.27) ta có S = e ( n ) + c n −1e ( n −1) + + c e + c1e = f ( x ) + g ( x ).u + d − r ( n ) + c n −1e ( n −1) + + c e + c1e (2.33) = f ( x ) + c n −1e ( n −1) + + c e + c1e + d + g ( x ).u − r ( n ) Nếu chọn luật điều khiển cho S = − k sign( S ) , (2.34) k >0 k số dương chọn trước Lúc S S < nên s → t → ∞ Luật điều khiển trượt cổ điển tính xác cách thay (2.34) vào (2.33) rút u sau: u=− [ f ( x ) + cn−1e ( n−1) + + c2 e + c1e g ( x) + k sign( S ) − d + r ( n) ] (2.35) Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mơ hình ĐCKĐB Mơ hình trạng thái ĐCKĐB hệ tọa độ dq viết sau:  disd  dt = −a1isd + ω s isq + a 2ψ rd + a3ωψ rq + a4 u sd   disq  dt = −ω s isd − a1isq − a3ωψ rd + a 2ψ rq + a4 u sq   dψ rd = a i − a ψ + (ω − ω )ψ  sd rd s rq  dt  dψ rq = a5 isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq   dt Te = a6 ψ rd isq −ψ rq isd   dω = a [T − T ] e L  dt [ ] (a ) (b) (c ) (3.12) (d ) ( e) (f) (3.12) với (isd, isq), (usd, usq), (ψrd, ψrq) dòng stator (A), điện áp stator (V), từ thơng rotor chuẩn hóa (A) hỗ cảm L m hệ tọa độ dq, ω tốc độ rotor (rad/s), ωs tốc độ đồng (rad/s), T e mô-men điện từ (Nm), TL mô-men tải (Nm) 1− σ   1−σ  1−σ   ;  ; a3 =  a1 =  + a =  ;  σ   σTs σTr   σTr    pL2m p a5 = ;  ; a =  a6 = a7 = ; ; Tr J Lr  σLs  L2m ; L s Lr Lr ; Rr số, Rs điện trở stator (Ω), Rr điện trở rotor σ = 1− Ts = Ls ; Rs Tr = (Ω), Ls điện cảm stator (H), Lr điện cảm rotor (H), Lm hỗ cảm stator rotor (H), p số đơi cực, J mơ-men qn tính rotor (kg.m2) ψ r = ψ rd2 +ψ rq2 Đặt Mục tiêu điều khiển điều khiển từ thông rotor ψr tốc độ rotor ω đạt giá trị đặt ψref ωref tương ứng 3.2 Thiết kế điều khiển trượt 3.2.2 Hệ thống điều khiển trượt ĐCKĐB Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển trượt ĐCKĐB [14] 3.2.2.1 Điều khiển vòng φ = ψ rd2 + ψ rq2 Đặt: (3.19) Ta có: φ = 2(ψ rdψ rd + ψ rqψ rq ) [ ] ψ rd a5 isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq = 2 + ψ rq a5 isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq [ ]    (3.20) [ ]  a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +     a5 − a1isd + ω s isq + a2ψ rd + a3ωψ rq + a4 u sd       ψ rd − a5 a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq  +  + (ω − ω ) a i − (ω − ω )ψ − a ψ   s sq s rd rq   φ = 2    a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq +     a5 − ω s isd − a1isq − a3ωψ rd + a2ψ rq + a4 u sq     ψ − a a i − (ω − ω )ψ − a ψ   s rd rq  rq  5 sq        − (ω s − ω ) a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq  Te = a6 ψ rd isq + ψ rd isq −ψ rq isd −ψ rq isd [ [ [ [ [ [ [ ] [ ] ] [ ] ] ] ] ] ] isq a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +    ψ rd − ω s isd − a1isq − a3ωψ rd + a 2ψ rq + a u sq −  = a6   isd a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq −  ψ − a i + ω i + a ψ + a ωψ + a u  sd s sq rd rq sd  rq  [ [ ] ] [ (3.21) (3.22) ] Đặt: eφ = φref − φ (3.23) eT = Tref − Te (3.24) Phương trình (3.23) (3.24) sai số từ thông mô-men tương ứng Với φ ref Tref giá trị mong muốn φ T (Tref ngõ điều khiển tốc độ) Mặt trượt định nghĩa sau: ( ) S1 = τ φ eφ + eφ = τ φ φref − φ + φ ref − φ (3.25) S = eT = Tref − Te (3.26) τφ > số thời gian đáp ứng từ thông chế độ trượt Nếu φ ref số ta có: S = −τ φ φ − φ S = e T = Tref − Te (3.27) (3.28) Thay (3.20), (3.21), (3.22) vào (3.27) (3.28): [ ]  a5 isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +    − a1isd + ω s isq + a2ψ rd +    a5  −    a3ωψ rq + a4 u sd ψ rd   a5 a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +  (ω s − ω ) a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq   S = −2τ  a i − (ω − ω )ψ − a ψ + φ sq s rd rq    − ω s isd − a1isq − a3ωψ rd +  −   a5     a 2ψ rq + a4 u sq  ψ a a i − (ω − ω )ψ − a ψ − s rd rq  rq  5 sq   (ω s − ω ) a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq     [ [ [ ] [ ] ] [ [ [ ] ] ] ]          +         (3.29)                  ψ rd a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +  − 2  ψ rq a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq  S = Tref [ ] [ ] isq a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +     − ω s isd − a1isq − a3ωψ rd +    − ψ rd a ψ + a u sq   rq   − a6   isd a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq −   − a i + ω i + a ψ +   s sq rd ψ  sd    rq a3ωψ rq + a 4u sd      (3.30) Từ phương trình (3.29) (3.30) ta ma trận: Với:  S   f11   f12    = T + f  +  21   f 22  S   ref f13  u sd    f 23  u sq  (3.31) [ ]  a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +     a5 − a1isd + ω s isq + a 2ψ rd + a3ωψ rq −      ψ rd a5 a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +  +  (ω − ω ) a i − (ω − ω )ψ − a ψ   sq s rd rq     s f11 = −2τ φ    a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq +     a5 − ω s isd − a1isq − a3ωψ rd + a 2ψ rq −    ψ a a i − (ω − ω )ψ − a ψ −    rq 5 sq s rd rq   (ω s − ω ) a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq       ψ rd a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +  − 2  ψ rq a5 isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq  [ [ [ [ [ [ [ ] ] [ ] ] ] ] [ ] ] ] f12 = −2τ φ a a5ψ rd f13 = −2τ φ a4 a5ψ rq [ ] isq a5isd − a5ψ rd + (ω s − ω )ψ rq +    ψ rd − ω s isd − a1isq − a3ωψ rd + a 2ψ rq − f 21 = −a6   isd a5isq − (ω s − ω )ψ rd − a5ψ rq −  ψ − a i + ω i + a ψ + a ωψ  sd s sq rd rq  rq  [ [ ] [ ] ] f 22 = a4 a6ψ rq f 23 = − a4 a6ψ rd Để S1 → S2 → luật điều khiển xác định sau:  S   k1 sat ( S1 )     = −  k sat ( S ) S  (3.32) Với k1 k2 số dương có ảnh hưởng đến tính bền vững điều khiển sai số mơ hình k 1, k2 lớn độ bền vững cao, nhiên làm tăng hiệu ứng chattering Hình 4.11: Đáp ứng hệ thống với điện trở khảo sát đáp ứng hệ thống điện trở stato rotor tăng 50% 4.1.2.3 Khảo sát tính bền vững hệ thống biến thiên điện cảm  Điện cảm khảo sát 150% danh định 20 Hình 4.12: Đáp ứng hệ thống với điện cảm khảo sát = 150% danh định 4.1.2.4 Khảo sát tính bền vững hệ thống thay đổi mô-men tải động  Mô-men khảo sát 150% danh định 21 Hình 4.13: Đáp ứng hệ thống với mô-men khảo sát = 150% danh  định Nhận xét chung so với danh định - Đáp ứng tốc độ từ thông thay đổi không đáng kể, khơng có vọt lố 22 - Đáp ứng mơ-men, tốc độ dòng điện khơng có thay đổi đáng kể so với trường hợp danh định - Mơ-men xuất vọt lố thời điểm đóng tải nhiên với biên độ nhỏ (