Điều khiển chuyển động tuyến tính sử dụng động cơ Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối.

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Để tạo chuyển động thẳng sử dụng động quay tròn truyền thống phải qua cấu trung gian, điều dẫn đến hiệu suất, độ xác hệ thống bị suy giảm Khơng dừng lại kết cấu khí trung gian làm tăng kích thước hệ thống đồng thời làm khả động học hệ thống trở nên xấu so sai số tích lũy phần tử có tồn hệ thống Trong công nghiệp chuyển động thẳng sử dụng ngày rộng khắp kể đây:Robot, máy nâng hạ, máy công cụ kỹ thuật số (CNC)… Để tăng hiệu sử dụng khơng gian hạn định cho trước khơng gian để lắp đặt thiết bị cần tận dụng cách triệt để (giảm kích thước thiết bị lắp đặt) đồng thời phải đảm bảo linh hoạt, yêu cầu cao độ xác vị trí, tốc độ động học Động tuyến tính đáp ứng u cầu đặt cho yêu cầu trên, đối tượng tạo chuyển động thẳng trực tiếp khơng cần qua phần tử trung gian phương pháp tạo chuyển động thẳng gián tiếp Động Polysolenoid loại động tuyến tính đồng kích thích vĩnh cửu với kết cấu hình ống, đáp ứng đầy đủ yêu cầu nói đặc biệt quan trọng với ứng dụng robot song song (parallel robot) hexapod Do đó, động Polysolenoid lựa chọn đối tượng nghiên cứu luận án Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nội dung luận án tập trung nghiên cứu đối tượng động Polysolenoid theo hướng thiết kế điều khiển có khả xử lý hiệu ứng đầu cuối động KTVC Polysolenoid cấu trúc điều khiển Bao gồm nội dung sau: Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan phương pháp mơ hình hóa cho động tuyến tính kích thích vĩnh cửu nói chung từ vào trường hợp riêng động tuyến tính dạng Polysolenoid Tác giả tiến hành xây dựng mơ hình hóa động Polysolenoid trường hợp không xét đến hiệu ứng đầu cuối Thực phương án chuyển hệ tọa độ mơ tả tốn học mơ hình để sử dụng cấu trúc tách kênh trực tiếp cấu trúc điều khiển Nội dung 2: Tìm hiểu hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính nói chung (thể qua đặc điểm cấu tạo động tuyến tính, chất vật lý,…) Từ đề xuất phương pháp mơ hình hóa động Polysolenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối Tiến hành xây dựng mơ tả tốn học, sơ đồ cấu trúc cho đối tượng điều khiển xét đến hiệu ứng đầu cuối dùng điều khiển Nội dung 3: Từ mơ hình tốn học thu tác giả tiến hành thiết kế điều khiển cho động Polysolenoid Việc thiết kế điều khiển cho động Polysolenoid chia làm hai nhóm phương pháp: Nhóm thứ gồm phương pháp (Min-max CCS, Min-max FCS, Min-max Deadbeat) áp dụng với mơ hình chưa xét đến hiệu ứng đầu cuối, nhóm thứ hai (điều khiển thích nghi backstepping) có khả đối phó với hiệu ứng đầu cuối động Polysolenoid Nội dung 4: Đề xuất cấu trúc xây dựng bàn thí nghiệm sử dụng để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết Phạm vi nghiên cứu luận án: Luận án tập trung nghiên cứu đặc điểm khó khăn xét đến hiệu ứng đầu cuối động Polysolenoid Từ thực xây dựng cấu trúc điều khiển cho chuyển động tuyến tính dạng Polysolenoid Với đặc điểm đối tượng điều khiển phức tạp cho thấy, có nhiều thách thức mơ hình hóa, phân tích lựa chọn phương pháp thiết kế điều khiển phù hợp cho đối tượng để đạt độ xác cao Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá tổng hợp Thơng qua nghiên cứu tổng quan để tìm vấn đề cần giải lý thuyết thiết kế thuật tốn giải vấn đề đó, kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Mục tiêu luận án Mục tiêu luận án nghiên cứu thiết kế điều khiển cho hệ thống truyền động điện sử dụng động Polysenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối Mục tiêu nghiên cứu luận án cụ thể sau: - Mơ hình động học phi tuyến động Polysenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối: Mơ hình xác điều kiện tiên để thành cơng với kỹ thuật điều khiển mà dựa vào mơ hình, cần xây dựng mơ hình đối tượng phù hợp với thiết kế điều khiển - Áp dụng thành công phương pháp thiết kế điều khiển thích nghi backstepping cho hệ thống truyền động điện sử dụng động Polysolenoid Kiểm chứng chất lượng điều khiển thuật toán lý thuyết thực nghiệm Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Mục tiêu luận án nghiên cứu thiết kế điều khiển cho hệ thống truyền động điện sử dụng động Polysolenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối Mục tiêu nghiên cứu luận án cụ thể sau: Những đóng góp mới: • Mơ hình động học phi tuyến động Polysolenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối: Luận án xây dựng mơ hình động KTVC dạng Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối đưa sơ đồ cấu trúc động thành phần bị ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối • Áp dụng thành cơng phương pháp thiết kế điều khiển thích nghi backstepping cho hệ thống truyền động điện sử dụng động Polysolenoid để xử lý ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối Kiểm chứng chất lượng điều khiển thuật tốn lý thuyết thực nghiệm • Thiết kế cấu trúc điều khiển hai mạch vòng mạch vịng điều khiển lực (mạch vịng dịng điện) sử dụng phương pháp điều khiển Dead-beat, CCS-MPC, FCS-MPC; Mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ vị trí sử dụng điều khiển Min-max MPC Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án: Giải vấn đề chuyển kết nghiên cứu lý thuyết vào thực tiễn thông qua hệ thống phần cứng xây dựng luận án Phát triển giải pháp cài đặt linh hoạt thuật toán điều khiển để góp phần làm tăng hiệu khai thác thiết bị phần cứng Kết nghiên cứu áp dụng cho lớp đối tượng tạo chuyển động tuyến tính trực tiếp mà khơng phải sử dụng truyền khí trung gian đặc biệt hệ thống robot song song hexapod robot Bố cục luận án Luận án gồm phần mở đầu, 04 chương, phần kết luận kiến nghị, bố cục sau: Chương Tổng quan động tuyến tính phương pháp điều khiển Chương Mơ hình hóa động tuyến tính Chương Điều khiển động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid Chương Kết mô thực nghiệm Phần kết luận Kiến nghị: Đã nêu bật đóng góp luận án kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH VÀ CÁCPHƯƠNGPHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái quát động tuyến tính 1.1.1 1.1.2 Những đặc điểm hệ truyền động thẳng Lịch sử phát triển ứng dụng động tuyến tính Hình 1.4 Các ứng dụng động tuyến tính 1.1.3 Cấu tạo, nguyên lý làm việc cách phân loại động tuyến tính Với động tuyến tính phần tạo chuyển động thẳng phần stator hay phần rotor máy điện quay truyền thống, từ tạo động tuyến tính tương ứng Hình 1.7 Ngun lý chuyển đổi từ động quay sang động tuyến tính 1.1.4 Hiệu ứng đầu cuối (End effect) Hiệu ứng đầu cuối điểm đặc trưng động tuyến tính khác so với loại động khác Do kết cấu mạch từ hở động tuyến tính dẫn đên phân bố từ thơng khe hở khơng khí loại động phân bố không khu vực hai đầu mút Điều gây mấp mô mô men tốc độ trình vận hành động 4 Hình 1.17 Hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính PLSM kết cấu hình phẳng [10] 1.2 Truyền động tuyến tính phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính 1.2.1 1.2.2 Yêu cầu đặt với tốn điều khiển truyền động tuyến tính Khái qt tình hình nghiên cứu động tuyến tính Tình hình nghiên cứu động tuyến tính nước - Về cơng trình cơng bố tạp chí khoa học nước có số báo viết vấn đề dừng mức độ tổng quan phương pháp điều khiển lý thuyết mô Mathlab Simulink - Các công trình luận án nghiên cứu thực nghiệm thiết bị thực [2,6] công bố dạng luận án tiến sĩ kỹ thuật Tình hình nghiên cứu động tuyến giới Trong giai đoạn vừa qua, đối tượng nhóm động tuyến tính đồng tập trung nghiên cứu nhiều nhóm động tuyến tính đồng kích thích vĩnh cửu dạng phẳng với Stator ngắn tương ứng với mơ hình động điện xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu Các nhóm vấn đề quan tâm nghiên cứu: Nhóm vấn đề thứ nhất:Áp dụng phương pháp điều khiển ứng dụng thành cơng cho nhóm động quay cho động tuyến tính Nhóm vấn đề thứ 2: Phương pháp xác đỉnh cực trục tạo từ thơng rotor Nhóm vấn đề thứ 3: Mơ hình hóa động Nhóm vấn đề thứ 4: Nâng cao chất lượng điều khiển Nhóm vấn đề thứ 5: Trong [31] đề xuất đến phương pháp không cần nhận dạng hiệu ứng đầu cuối sử dụng điều khiển bền vững thích nghi bù bất định hiệu ứng đâu cuối, nhiên mơ hình tồn cảm biến đo vị trí 1.3 Truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid phương pháp điều khiển 1.3.1 Động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid Động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid thuộc nhóm động đồng kích thích vĩnh cửu có cấu tạo hình ống, động có hai pha với hai cuộn dây bố trí lệch 90 độ điện Hình 1.21 Sơ đồ cấu tạo bên ĐCTT ĐBKTVC Polysolenoid [60] 1.3.2 Điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid Tình hình nghiên cứu nước: Với nguồn tham khảo báo luận án lưu trữ thư viện quốc gia Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid Tình hình nghiên cứu giới: Các nghiên cứu giới với đối tượng động tuyến tính hình ống dạng stator ngắn tập trung vào số nhóm vấn đề sau:    Nhóm vấn đề thứ nhất: Mơ hình hóa thiết kế động Nhóm vấn đề thứ hai: Thiết kế cấu trúc điều khiển Nhóm vấn đề thứ ba: Mô tả hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính hình ống ba pha sử dụng phương pháp thực nghiệm Trong cơng trình cơng bố tập trung vào hai hướng  Hướng thứ nhất: Tập trung vào việc nghiên cứu hiệu ứng đầu với hai hướng tiếp cận mô tả dạng mạch từ tương đương sử dụng FEM Trong hai phương pháp phương pháp sử dụng FEM mô tả hiệu ứng đầu cuối mang tính trực quan Tuy nhiên sử dụng FEM phải có thơng số xác động  Hướng thứ hai: Nghiên cứu cấu trúc điều khiển bù bất định hiệu ứng đầu cuối nhiên hệ thống tồn cảm biến đo vị trí KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: Từ phân tích thực ta thấy rằng: ĐCTT có nguồn gốc từ động quay nhiều trường hợp (thiết kế cấu trúc điều khiển, phân tích tượng vật lý, ) có tương đương hai nhóm động Nhưng ĐCTT tồn đặc điểm riêng mà động quay hiệu ứng đầu cuối (end effect) điều cần tiếp tục nghiên cứu cách cụ thể phần sau luận án Việc thu nhận hiểu biết động tuyến tính giúp ta thực mục tiêu sau:   Tạo sở cho q trình mơ tả tốn học cho động tuyến tính Hiểu đặc tính đầu cuối động tuyến tính từ tìm phương pháp xử lý tượng nhằm cấu trúc điều khiển Nội dung phần 1.3 tập trung làm rõ tình hình nghiên cứu động tuyến tính Polysolenoid, vấn đề liên quan đến mơ hình phương pháp điều khiển truyền động tuyến tính dạng Polysolenoid Điều tạo thuận lợi cho việc lựa chọn đề xuất phương pháp nghiên cứu cho toán điều khiển truyền động tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid CHƯƠNG : 2.1 MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Mơ hình tốn học động tuyến tính đồng kích thích vĩnh cửu ,i ,i ,i d O P ,i d P 2π Hình 2.1 Mối tương quan vector ĐCTT Mơ hình trạng thái động tuyến tính ĐB - KTVC hệ toạ độ dq (hình 2.3) sau: usd  isd  f  u s    thỏa mãn phương trình:  usq   isq  f với i s   d f  i s   A f i sf  B f usf  Ni sf e  S pe dt Af Ma trận hệ thống Bf Ma trận đầu vào N Ma trận ghép phi tuyến S Ma trận nhiễu   T sd f A      L sd Bf        N  Lsd   Lsq Lsq   Lsd     (2.20)       Tsq       Lsq      S    Lsq  v e Phần phi tuyến u f s p Bf N di sf dt S Af Hình 2.3 Mơ hình động tuyến tính ĐB KTVC khơng gian trạng thái hệ toạ độ dq 2.2 Hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính KTVC 2.2.1 Giới thiệu hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính KTVC Động tuyến tính loại đồng kích thích vĩnh cửu (LPMSM) dần trở thành sản phẩm tự động hóa phổ biến cho phép loại bỏ thiết bị truyền động khí trục vít vơ tận, đai truyền,… Tuy nhiên động tuyến tính xuất ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối kết cấu mạch từ hở Hình 2.4 Hiệu ứng đầu cuối động LPMSM kết cấu phẳng Hiệu ứng đầu cuối hiểu phân biệt khu vực đầu cuối với điểm nằm phân bố điện từ gây ảnh hưởng đến từ thông lực động tuyến tính sinh (do tính chất mạch từ hở động tuyến tính) Điều thể đặc điểm: Với động đồng kích thích vĩnh cửu phân bố từ trường hai đầu phần kích thích bị suy giảm minh họa hình 2.4 Diễn biến khác phụ thuộc vào tốc độ động (độ lớn dịng phía bên kích thích) Sự xuất hay kết thúc đột ngột dịng phía cảm ứng (tương ứng với xuất hay kết thúc dịng phía kích thích) Gây phản ứng dọc trục gây thay đổi tốc độ động (nhấp nhô tốc độ) Đây điểm cần phải lưu tâm động tuyến tính Hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính đồng hình ống 2.2.2 Hình 2.6 Phân bố từ thơng thu pha C (hình a) pha A (hình b) cấp điện [18]     cos(2 )  0    iA   A   1 0          L 0   L  cos  2      iB   B    2       i   C  0   C       cos  2             (2.25)      cos  2    cos  2            iA  0 1  iA  0 1  iA            M  cos  2    cos(2 )  iB   M 1 iB    M 1  iB          i  1  iC  1  iC  C      cos(2 ) cos  2         Trong phương trình thành phần ΔM0 đặc trưng cho cho hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính hình ống Trong phương trình thành phần  M đặc trưng cho hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính hình ống Chuyển phương trình từ thơng sang tọa độ dq phép biến đổi (2.18) sau      2   d   L0  L2  M  M   M 1  cos  2      id   M sin  2    iq 3  3       2     q   L0  L2  M   M 1  cos  2      iq 3     2     M sin  2    id 3   (2.26) Đến ta tách phương trình (2.26) thành thành phần đại diện cho phần từ thông không chịu tác động chịu tác động tượng đầu cuối sau  d   Ld     L  q   qd   d   Ld      L  q   qd  L  L2  M  M Ldq1  id    Lq1  iq      id     (2.27) i L0  L2  M  M   q   2       cos  2     sin  2      Ldq  id    id        (2.28)    M Lq   iq  0    iq      sin  2     cos  2          Ở ta thấy (2.28) mơ hình từ thơng chịu ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính KTVC pha hình ốngtrên tọa độ dq Trong phần  M ước lượng từ thực nghiệm dựa phương trình (2.23) (2.24) 2.3 Mơ tả tốn học động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid 2.3.1 Mơ hình mạch từ tương đương bt bs hs A B A B A B A R’ B g hm N R’’ S N S A N B S N A S B N A S N B S A N S N S N S N B Hình 2.11 Mặt cắt động tuyến tính Polysolenoid Trong trường hợp chung ta có cơng thức tính từ trở: Rm  Từ trở tản tính sau: Rm  2bs 0 hsls lc H Ac B (2.30) (2.32) Với hs chiều cao rãnh dây Với kết cấu của động tuyến tính dạng R' +R'' Polysolenoid: ls =2π (2.33) R', R'' : bán kính ngồi bán kính phần chứa dây quấn rãnh tính từ tâm theo mặt cắt động Phần thứ cấp (Slider) động làm từ vật liệu từ NdFeB N38UH Các thông số dựa theo tài liệu nhà sản xuất kết hợp tra cứu theo tài liệu [62] ta thu đặc tính B-H theo Hình 2.12 Hình 2.12 Đường cong B-H vật liệu NdFeB N38UH [61] Dựa vào đặc tính B-H ta có: Từ trở rãnh dây: Rmt  hs H bt 2 R ' Bt Từ trở cuộn dây: Rmy  Từ thông sinh nam châm: (2.34) hs H bs 2 R ' By   ˆ cos    pma   pm    p     ˆ  pmb   pm cos    p  (2.35)  x   x (2.36)    F  Rmg  pma Sức từ động nam châm:  mpma   Fmpmb  Rmg  pmb (2.37) Điện áp phần stator viết sau (với giả thiết động có cặp cực): d  u  Ria  Nt ( a1   a   a   a )   a dt  u  Ri  N d (       ) b b t b1 b2 b3 b4  dt  (2.38) Từ (2.31),(2.32),(2.34),(2.37),(2.38) ta xây dựng sơ đồ mạch từ tương đương hình 2.13 Hình 2.13 Mạch từ tương đương động tuyến tính cặp cực có xét đến hiệu ứng đầu cuối 10 2.3.2 Hệ phương trình vi phân đề xuất Dựa tính tốn mạch từ tương đương hình 2.13  di L ( )   did di Ld ( )  e Lqiq  Ld ( ) d  Ldq ( ) q  e  Lq ( )iq  Ldq ( )id  id  dq iq  ud  Rsid  Lsd (2.49) dt dt dt        u  R i  L diq   L i     L ( ) diq  L ( ) did    L ( )i  L ( )i  Lq ( ) i  Ldq ( ) i  s q sq e d d e p q dq e d d dq q q d   q dt dt dt      Ta đưa Error! Reference source not found dạng phương trình vi phân bậc với biến vector dòng điện điện áp tọa độ d-q: u dq  Ri dq  L   d i dq  L1   ei dq  G pe dt (2.50) Với: ud  id  R u dq    ; i dq    ; R   s 0  uq  iq  0  Ld ( ) Ldq ( )  0  ; L      L ( ) L ( )  ; G     Rs  q 1   dq  Ldq ( )  Ld ( )   Lq ( )     Ldq ( )   L1      L (  )  L (  )  dq  q  Ldq ( )     Ld ( )   Đưa (2.50) dạng: di dq dt  L1Ri dq  L1L1i dqe  L1G pe  L1u dq (2.51)  di dq 1 1 1 1  dt  L Ri dq  L L1i dqe  L G pe  L u dq  (2.56)     d  p 2 e    piq   Ld ( )  Lq ( )  id iq  Ldq ( )  iq  id     Fc  dt m  2 m    Từ phương trình vi phân ta tiến hành xây dựng cấu trúc mô tả thành phần hệ trục tọa độ dq với mong muốn làm rõ chất vật lý chất MIMO đối tượng Với cách đặt Tq  Lq Rs , Td  Ld  Lq ;    Ldq / Ld Lq , L  1   Rs Ld Lq  Ldq   Ldq   L d -1 L ( )L1 ( )    - Ldq   Ld Lq - Ldq  Ld Lq   c1   c3   Lq  Phương trình (2.56) dẫn đến  c1  c2    Ld  c4   c3    Lq - Ldq c3 Ld Lq Ldq c1 Ld Lq    Ldq    Ld = Ld    Ldq   Ld Lq L c  c2 - dq   Ld Ld Lq  L c  c4 - dq   Lq Ld Lq   Ldq  Ld Lq  ,    Lq  11  di  cL  cL L L c  c  id  dq iq  e  dq   id  e  dq   iq  ud  dq uq  sd        Td  LqTd  Ld  Ld Lq  dt   Ld Lq  Ld    Ld Lq  Ld    c1Ldq  c2 Ldq Ldq Ldq c3  c4  1  disq  dt    T iq   L T id  e   L L   L  id  e   L L   L  iq   L e p   L uq   L L ud q d q q  q  q q d q  d q  d q  (2.57) Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc động tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid hệ tọa độ dq Kết luận chương 2: Kết đạt Chương giải vấn đề xây dựng mơ hình thống động tuyến tính đồng kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối Với mơ hình thu tiền đề việc thiết kế điều khiển cho hệ truyền động sử dụng động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid Đây nội dung luận án CHƯƠNG : 3.1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH DẠNG POLYSOLENOID Khái quát cấu trúc điều khiển Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển FOC áp dụng cho động tuyến tính pha, cuộn dây cấp nguồn độc lập 3.2 Các phương pháp điều khiển lực (điều khiển dòng điện) 3.2.1 Điều khiển theo phương pháp deadbeat 12 Trong mục tác giả trình bày cách thiết kế điều khiển dịng stator theo hướng hồn tồn nhằm đảm bảo tiêu chất lượng như: tách kênh, giá trị dòng điện stator đạt giá trị chủ đạo khoảng thời gian hữu hạn (FAT) thiết kế thành cơng theo [1] Hình 3.2 Sơ đồ khối vòng điều khiển deadbeat dòng điện stator tọa độ tựa theo từ thông rotor   z  11  P1  z 1  12 P2  z 1     1 1 (3.17)  z 1P2  z 1     z P1  z  R I  z 1    1   21P1  z   1 1   z P1  z  3.2.2   z   22  P2  z 1     z 1P2  z 1   Điều khiển dự báo MPC Khác với điều khiển tối ưu truyền thống nơi mà nghiệm tối ưu thành lập dựa vào giải bải tốn tối ưu cho trước Do khó phản ứng với thay đổi phi tiền định hệ thống ví dụ nhiễu, sai lệch mơ hình… Tín hiệu điều khiển tối ưu theo MPC dãy tín hiệu điều khiển, phần tử dãy đại diện cho tín hiệu điều khiển thời điểm thứ k định Bài toán tối ưu lặp lại sau chu kì với thơng tin hệ thống Hình 3.1 mơ ta cấu hình hệ thống điều khiển dự báo mơ hình Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển MPC Thêm vào vào tính chất cấu chấp hành hay cụ thể luận án biến đổi phương thức điều khiển chúng, mục ta đề xuất phương án điều khiển dự báo phân biệt dựa vào tính chất liên tục gián đoạn (hữu hạn) phần tử tập điều khiển 13 - Nếu coi điện áp đặt vào cuộn dây động liên tục, giới hạn điều chế dẫn đến điện áp nằm tập bị chặn, liên tục Điều đưa đến phương pháp điều khiển dự báo với tập điều khiển liên tục (Continuous control set MPC - CCS MPC) - Nếu xét điện áp tức thời động cơ, coi biến đổi lý tưởng dẫn đến tập điện áp điều khiển hữu hạn phụ thuộc vào cấu hình biến đổi Điều đưa phương pháp điều khiển dự báo với tập điều khiển hữu hạn (Finite control set MPC - FCS MPC) Điều khiển dự báo MPC với tập điều khiển liên tục Hình 3.5 Mặt phẳng điều chế trục tọa độ  ,  theo phương pháp CCS-MPC Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn điều khiển CCS-MPC Để hình thành nên miền điều chế ta sử dụng hệ công thức: u s  u p  ut u s  Q1 : u p  Tp Tpulse u s  Q3 : u p   U dc ; ut  Tp Tpulse T Tt T U dc ; u s  Q2 : u p   p U dc ; ut  t U dc Tpulse Tpulse Tpulse U dc ; ut   T Tt T U dc ; u s  Q4 : u p  p U dc ; ut   t U dc Tpulse Tpulse Tpulse Tp  Tt  Toff  Tpulse Điều khiển dự báo MPC với tập điều khiển hữu hạn (3.22) 14 Với đối tượng có chất gián đoạn biến đổi công suất, phương pháp FCS MPC tỏ hữu hiệu Nó cung cấp cách tiếp cận hoàn toàn khác biến đổi công suất Phương pháp dựa vào số lượng hữu hạn số tổ hợp van cho phép biến đổi cơng suất Hình 3.7 Mặt phẳng điều chế trục tọa độ  ,  theo phương pháp FCS-MPC Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn điều khiển FCSMPC Bộ điều khiển vịng ngồi Min-Max MPC Thiết kế thích nghi backstepping 3.3 3.4 Từ mơ hình động (2.49), kết hợp với luật xấp xỉ (3.42) ta thu hệ phương trình sau:   ud  Rsid  e  A1dq sin 2  B1dq cos 2  id   Lq  A1q sin 2  B1q cos 2  iq    2e  A1d cos 2  B1d sin 2  id  2e  A1dq cos 2  B1dq sin 2  iq   di di   Ld  A1d sin 2  B1d cos 2  d   A1dq sin  2   B1dq cos 2  q   dt dt  uq  Rsiq  e  Ld  A1d sin 2  B1d cos 2  id   A1dq sin 2  B1dq cos 2  iq   p    2e  A1dq cos 2  B1dq sin 2  id  2e  A1q cos 2  B1q sin 2  iq  di di    A1dq sin 2  B1dq cos 2  d   Lq  A1q sin 2  B1q cos 2  q  dt dt   Viết lại hệ phương trình dạng ma trận ta thu được:   15 M di dq dt  u dq  G  H (3.43) Trong đó: i dq  id T iq  , udq  ud T  L  A1d sin  2   B1d cos  2  uq  ; M   d   A1dq sin  2   B1dq cos  2    A sin  2   B1dq cos  2      Lq  A1q sin  2   B1q cos  2   1dq    A sin  2   B cos  2   i    1dq d  e  1dq    A sin 2  B cos 2 i    L i      q  e q q     1q   1q  2 A cos 2  B sin 2 i      1d    d  e  1d    2 A cos 2  B sin 2 i     1dq    q  Rs id      e  1dq G ;H        Rs iq  e p   e  A1d sin  2   B1d cos  2   id       A1dq sin  2   B1dq cos  2   iq   e Ld id       2e  A1dq cos  2   B1dq sin  2   id      2e  A1q cos  2   B1q sin  2   iq   Trong mục tác giả thiết kế thích nghi trường hợp tham số điện cảm công thức (3.42) trước Do M  M   ma trận xác định dương, G  G i dq , e , H  H i dq , e , , dẫn đến hệ phương trình (3.44),(3.45),(3.46) có dạng hệ tam giác sau     d  e dt de 2  Ei dq  Fc dt m p di dq dt (3.47)  h  , e , i dq   M 1   u dq   Trong h  , e , i dq   M 1   G  i dq , e  + H  i dq , e ,  Đến đây, ta đủ sở để để tiến hành thiết kế điều khiển backstepping cho hệ phương trình Lựa chọn tín hiệu điều khiển ảo tốc độ sau: c  r  k e (3.51) Với tín hiệu điều khiển ảo dịng điện sau: iqc  k  a 1c  e (3.56) Đến đây, Ta lựa chọn tín điện áp điều khiển: T udq  Γidq  G  Yξˆ  0   Và luật thích nghi có dạng: (3.62) 16  ξˆ  Π  ξˆ  YT idq  (3.63) Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động tuyến tính Polysolenoid theo phương pháp thiết kế thích nghi backstepping KẾT LUẬN CHƯƠNG Toàn cấu trúc điều khiển vị trí cho ĐCTT dạng polysolenoid trình bày chương bao gồm nhóm phương pháp MPC thích nghi backstepping Trong nhóm phương pháp MPC tác giả thiết kế cấu trúc điều khiển vịng trong, vịng ngồi Mạch vịng điều khiển dịng điện đề xuất với điều khiển deadbeat, CCS-MPC, FCS-MPC Với mạch vòng điều khiển tốc độ vị trí tác giả sử dụng phương án dùng điều khiển Min-Max MPC Để giải vấn đề ảnh hưởng tượng đầu cuối đến ĐCTT, tác sử dụng phương pháp thiết kế thích nghi backstepping với việc xấp xỉ ảnh hưởng tượng đầu cuối thơng qua thay đổi điện cảm phía stator Trong phần tác giả trình bày kết mô thực nghiệm để so sánh chất lượng phương pháp đềxuất CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Nội dung mô thực theo kịch sau:    Tín hiệu đặt: xét với quỹ đạo dạng sin quỹ đạo với vận tốc dạng xung vuông Tải tác động: xét với trường hợp động chạy khơng tải có tải Mơ hình động cơ: xét với trường hợp có hiệu ứng đầu cuối khơng có hiệu ứng đầu cuối 4.1 Kết mơ 4.1.1 Mơ hệ thống với mạch vịng ngồi Min-Max MPC, mạch vịng dịng điện FCSMPC Thơng số điều khiển dịng điện FCS-MPC: Chu kì trích mẫu dịng điện T i  50   s  ; Ma trận Q  diag 10 1 ; Thông số điều khiển tốc độ, vị trí MinMax-MPC: Chu kì trích mẫu tốc độ T w  2000   s  ; Ma trận Q  diag 10 0.01 ; Tầm dự báo N w  ; Hình 4.1 Sơ đồ mô điều khiển Min Ma trận phản hồi trạng thái K  800 1 ; hệ số Max-FCS MPC không xét đến ảnh hưởng ma sát c f  0.1; N p  hiệu ứng đầu cuối 17 Hình 4.2 Sơ đồ mơ điều khiển Min Max-FCS MPC có xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối 4.1.2 Hình 4.6 Kết mô điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối Mơ hệ thống với mạch vịng ngồi Min-Max MPC, mạch vịng điều khiển dịng điện CCS-MPC Thơng số điều khiển dịng điện CCS-MPC: Chu kì trích mẫu dịng điện T i  100   s  ; Ma trận Q  diag 10 1 Thông số điều khiển tốc độ, vị trí Hình 4.11 Sơ đồ mơ điều khiển Min MaxMinMax-MPC: Chu kì trích mẫu tốc độ CCS MPC không xét đến ảnh hưởng hiệu ứng T w  2000   s  ;Ma trận Q  diag 10 0.01 đầu cuối ; Tầm dự báo N w  ; Ma trận phản hồi trạng thái K  800 1 ; hệ số ma sát c f  0.1; N p    Hình 4.12 Sơ đồ mơ điều khiển Min Max-CCS MPC có xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối Hình 4.16 Kết mơ điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin : có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối 18 Mô hệ thống với mạch vịng ngồi Min-Max MPC, mạch vịng điều khiển dịng 4.1.3 điện Dead-beat Thơng số điều khiển dịng điện Dead-beat: Chu kì trích mẫu dịng điện T i  50   s  ; Bậc đa thức L  z 1  2, l  l2  0.5 ; Thông số điều khiển tốc độ,vịtrí MinMax-MPC: Chu kì trích mẫu tốc độ Ma trận T w  2000   s  ; Q  diag 10 0.01 ; Tầm dự báo N w  ; Ma trận phản hồi trạng thái K  800 1 ; Hệ số ma sát c f  0.1   Hình 4.22 Sơ đồ mơ điều khiển MinMax MPC–Deadbeat có xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối Hình 4.21 Sơ đồ mơ điều khiển MinMax MPC–Deadbeat không xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối Hình 4.26 Kết mơ điều khiển Min Max- Deadbeat với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối Mô hệ thống điều khiển thích nghi Backstepping 4.1.4 Thời gian trích mẫu T s  0.15  ms  Thông số điều khiển thích nghi:   0.01, k  50, k  0.01; Π = diag 0.1, ,0.1 ; Γ = diag 500 500 Hình 4.31 Sơ đồ mơ với điều khiển thích nghi backstepping khơng xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối 19 Hình 4.32 Sơ đồ mơ với điều khiển thích nghi backstepping có xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối 4.2 Hình 4.36 Kết mơ điều khiển thích nghi backsteppingtín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối Kết thực nghiệm hệ thống Phần thực nghiệm luận án trình bày chi tiết phần phụ lục Kịch chạy thực nghiệm sử dụng quỹ đạo đặt giống mơ Có hai dạng quỹ đạo sử dụng quỹ đạo hình sin quỹ đạo có vận tốc dạng bước nhảy Hình 4.41 Hệ thống thí nghiệm Để kiểm nghiệm khả hoạt động điều khiển, tải sử dụng khuôn khổ luận án dạng tải năng, tức tải khơng đổi q trình làm việc 20 Hình 4.44 Kết thực nghiệm điều khiển Min Max-FCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải Hình 4.52 Kết thực nghiệm điều khiển Min Max-Deadbeat với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải 4.3 Hình 4.48 Kết thực nghiệm điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải Hình 4.56 Kết thực nghiệm điều khiển Backstepping với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin: có tải Nhận xét kết mô thực nghiệm: Trong phương pháp trình bày luận án chia làm hai nhóm phương pháp: Nhóm phương pháp thứ (trong thiết kế điều khiển không xét đến hiệu ứng đầu cuối) bao gồm: Min max FCS – MPC, Min max CCS – MPC, Min max Deadbeat Ở phương pháp thông số điều khiển phải thiết kế dựa vào thông số xác động nên thành phần điện cảm khai báo phần thông số số 21 Nhóm phương pháp thứ hai (trong thiết kế điều khiển không xét đến hiệu ứng đầu cuối): Phương pháp thiết kế thích nghi Back stepping Luật thích nghi sử dụng để đối phó lại với giá trị biến đổi điện cảm trình vận hành động Bảng 4.1 So sánh chất lượng điều khiển (+:tốt) Bộ điều khiển Bộ điều khiển Độ xác vịng ngồi dịng điện vị trí Min max MPC Hiệu tách kênh dịng điện Năng lực tính toán vi xử lý Điều kiện sử dụng thiết kế Không xét đến hiệu ứng đầu cuối FCS-MPC + + ++++ CCS-MPC ++ ++ +++ Dead beat +++ +++ ++ ++++ ++++ + Thích nghi Back Stepping Có xét đến hiệu ứng đầu cuối Các kết thực nghiệm rõ ưu điểm phương pháp thiết kế thích nghi backstepping mang lại độ xác vị trí hiệu tách kênh dịng điện.Tuy nhiên phương pháp thiết kế backstepping ngồi ưu điểm mang lại cịn có hạn chế lực tính tốn vi xử lý phải đủ lớn Backstepping Deadbeat CCS FCS Trường hợp 0.26 Mô Thực nghiệm Mô Thực nghiệm Mô Thực nghiệm Mô - 0.03 - 0.25 - 0.25 - x Hiệu ứng Thực nghiệm x Tải Quỹ đạo 0.17 0.03 0.30 0.27 0.41 0.27 0.63 0.33 o x Sin - 0.10 - 0.42 - 0.45 - 0.51 x o 0.19 0.10 0.32 0.45 0.53 0.48 1.2 0.56 o o - 0.05 - 0.14 - 0.14 - 0.18 x x 0.067 0.05 0.24 0.15 0.25 0.15 0.29 0.21 o x Thẳng - 0.11 - 0.42 - 0.45 - 0.52 x o 0.38 0.11 0.62 0.46 0.99 0.49 1.3 0.57 o o 22 Tổng hợp kết Bảng 4.21 Bảng tổng hợp kết sai lệch trung bình mơ thực nghiệm (x: khơng; o: có) 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Động tuyến tính đồng nam châm vĩnh cửu (PMLSMLM) ngày sử dụng rộng rãi cơng nghiệp tính chất cung cấp trực tiếp chuyển động thẳng, mật độ công suất cao, bền bỉ xác Hiện ứng đầu cuối (end effect) tượng đặc trưng có động tuyến tính khác với động quay cấu tạo hình học đặc thù với kết cấu mạch từ hở Hầu hết phương pháp điều khiển áp dụng vào động tuyến tính đa phần bỏ qua hiệu ứng đầu cuối cấu trúc điều khiển Trước tồn luận án tập trung nghiên cứu động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối mơ hình hóa thiết kế điều khiển Động Polysolenoid trường hợp riêng động tuyến tính kích thích vĩnh cửu có kết cấu dạng hình ống đặc biệt phù hợp với đối tượng robot song song hexapod Thực nhiệm vụ nghiên cứu đề đề tài luận án cấu trúc theo trình tự: Tìm hiểu tổng quan động tuyến tính nguyên lý cấu tạo, nguyên lý vận hành, ứng dụng thực tiễn động cơ, phương pháp điều khiển phía trước áp dụng cho đối tượng công nghệ Tất điều với mục đích tạo tranh tổng quan tình hình nghiên cứu đến thời điểm từ định hướng đường đồng thời phục vụ cho phần luận án thực mô hình hóa động Polysolenoid Là trường hợp riêng động tuyến tính kích thích vĩnh cửu mơ hình hóa luận án xây dựng phương pháp mơ hình hóa tổng qt cho động tuyến tính kích thích vĩnh cửu từ vào trường hợp riêng động Polysolenoid Từ khối kiến thức tổng qt mơ hình động Polysolenoid thành lập bổ xung thêm thành phần hiệu ứng đầu cuối mơ hình tốn học Cơng việc thực vào toán thiết kế điều khiển thực với phương pháp điều khiển cho trường hợp xét đến hiệu ứng đầu cuối không xét đến hiệu ứng đầu cuối mơ hình tốn học Các kết mơ máy tính thực nghiệm bàn thí nghiệm xây dựng để kiểm chứng kết nghiên cứu thực để kiểm chứng tính đắn lý thuyết xây dựng Kết nghiên cứu luận án đạt số điểm đóng góp sau  Luận án xây dựng mơ hình tốn học động Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối thích hợp cho cơng tác thiết kế điều khiển Mơ hình có xét đến hiệu ứng đầu cuối động Polysolenoid xây dựng sở mạch từ tương đương (MEC), dựa cách quy đổi mạch từ mạch điện, giá trị điện trở tương đương tính tốn sau đưa mơ hình mạch điện tương đương, thể diễn biến từ thông thông qua giá trị điện cảm động phụ thuộc vào vị trí phần thứ cấp Tiếp theo từ mơ hình mạch tương đương, tác giả chuyển mơ hình phương trình vi phân động tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid hệ 24 tọa độ dq Kết thu hệ phương trình vi phân sơ đồ cấu trúc động tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối sử dụng điều khiển  Đóng góp luận án thiết kế điều khiển thích nghi backstepping (cấu trúc điều khiển mạch vòng) dùng để xử lý hiệu ứng đầu cuối động Polysolenoid  Điểm đóng góp cuối luận án: Thiết kế cấu trúc điều khiển hai mạch vòng mạch vịng điều khiển lực (mạch vịng dòng điện) sử dụng phương pháp điều khiển Dead-beat, CCS-MPC, FCS-MPC; Mạch vịng ngồi điều khiển tốc độ vị trí sử dụng điều khiển Min-max MPC Các nhóm phương pháp thiết kế điều khiển khơng xét đến hiệu ứng đầu cuối mơ hình tốn học phương pháp có ưu mặt động học có khả giảm bớt khối lượng tính tốn cho vi điều khiển Các phương pháp sử dụng để so sánh đánh giá chất lượng với phương pháp điều khiển Backstepping thực nghiệm Điều phù hợp tiến hành thực nghiệm đối tượng động thực (với chất vật lý hiệu ứng đầu cuối tồn tại) chất lượng điều khiển phải đáp ứng với đối tượng thực khơng phải mơ hình tốn mơ B Kiến nghị Luận án giải mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu đề có số đóng góp song tảng kế thừa kết đạt luận án mở hướng nghiên cứu cụ thể sau:  Tiếp tục nghiên cứu thuật toán điều khiển phi tuyến cho động tuyến tính kích thích vĩnh cửu dạng Polysolenoid sở mơ hình toán học đề xuất triển khai vào thực nghiệm  Tiếp tục nghiên cứu xây dựng phương pháp đo để xác định xác giá trị thay đổi điện cảm động trình vận hành Việc thành công phương pháp nhận dạng giá trị điện cảm cung cấp cho ta bảng số liệu giá trị điện cảm hành trình chuyển động (LUT), việc truy xuất giá trị điện cảm để bổ xung trực tiếp vào mô hình tốn giải đặc điểm riêng hiệu ứng đầu cuối động tuyến tính Khi việc thiết kế điều khiển sử dụng hoàn toàn kết nghiên cứu điều khiển cho động xoay chiều đồng cho động tuyến tính kích thích vĩnh cửu  Triển khai kết nghiên cứu động Polysolenoid cho hệ thống robot song song cụ thể hệ Hexapod, điều khiển tay máy công nghiệp  ... Polysolenoid xét đến hiệu ứng đầu cuối: Luận án xây dựng mơ hình động KTVC dạng Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối đưa sơ đồ cấu trúc động thành phần bị ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối • Áp dụng thành... Sơ đồ mơ điều khiển Min Max-CCS MPC có xét đến ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối Hình 4.16 Kết mô điều khiển Min Max-CCS MPC với tín hiệu quỹ đạo đặt dạng sin : có tải, có xét đến hiệu ứng đầu cuối.. . sơ đồ cấu trúc động tuyến tính KTVC dạng Polysolenoid có xét đến hiệu ứng đầu cuối sử dụng điều khiển  Đóng góp luận án thiết kế điều khiển thích nghi backstepping (cấu trúc điều khiển mạch vòng)