Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày chiến lược điều khiển thích nghi dựa trên mô hình mẫu nhằm điều tốc cho 2 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục có công suất tương đương một động cơ công suất lớn.
ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 204(11): 59 - 64 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO HAI ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LÀM VIỆC SONG SONG NỐI CỨNG TRỤC Lê Hồng Thu*, Vũ Thị Oanh, Nguyễn Thị Thu Hiền Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng – Đại học Thái Ngun TĨM TẮT Trong thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa gắn liền với tri thức nay, việc ứng dụng chiến lược điều khiển nâng cao hệ thống điều khiển Trong thực tế sản xuất cho thấy việc sử dụng động có cơng suất lớn gặp nhiều khó khăn thiết kế vận hành Bài báo trình bày chiến lược điều khiển thích nghi dựa mơ hình mẫu nhằm điều tốc cho động xoay chiều làm việc song song nối cứng trục có công suất tương đương động công suất lớn Kết nghiên cứu kiểm chứng bước đầu thông qua kết mô phần mềm Matlab/Simulink tiếp đến làm sở để triển khai hệ thống mơ hình thực Từ khố: điều khiển tốc độ, động xoay chiều, làm việc song song, điều khiển thích nghi MRAS Ngày nhận bài: 03/6/2019; Ngày hồn thiện: 08/7/2019; Ngày đăng: 26/7/2019 DESIGNING CONTROLLER FOR TWO MOTORS CONNECTED BY ONE SHAFT Le Hong Thu*, Vu Thi Oanh, Nguyen Thi Thu Hien University of Information abd Comumunicaition Technology - TNU ABSTRACT In recent years, we have seen many applications of advanced control strategies in control systems In production line, the use of a large capacity motor has faced many problems in design and operation This paper presents an adaptive control strategy based on a base model, which control two AC motors connected to a rigid shaft, which has a capacity equivalent to a large capacity motor The result was verified by a Matlab/Simulink simulation and can be further applied in real models Keywords: speed control, motor, parallel operation, adaptive MRAS control… Received: 03/6/2019; Revised: 08/7/2019; Published: 26/7/2019 * Corresponding author Email: hongthuk44kd5@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 59 Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Mở đầu Trong thời gian gần đây, hệ truyền động sử dụng động ba pha phương pháp điều khiển liên tục phát triển Nếu sử dụng động công suất lớn đáp ứng yêu cầu tải thường gặp nhiều khó khăn thiết kế, chế tạo vận hành Giải pháp khắc phục khó khăn thay sử dụng động công suất lớn ta sử dụng hai động có tổng cơng suất cơng suất động cần thay thế, động sử dụng có tốc độ định mức cơng suất định mức, nối cứng trục với 204(11): 59 - 64 vận hành, dòng điện động xem dòng mẫu, dòng động ln bám dòng điện động với sai lệch nhỏ [1] Mơ hình tốn học hai động xoay chiều làm việc song song nối cứng trục hệ trục tọa độ dq 3.1 Phương trình tốn mơ tả động - Phương trình mạch Stator hệ tọa độ dq động đồng 1: di usd1 Rs1isd1 Lsd1 sd1 s Lsq1isq1 (1) dt di usq1 Rs1isq1 Lsq1 sq1 s Lsd 1isd s p dt - Phương trình tính điện áp Mtu động đồng usd1 Rs1 yd s Lsq1 usq1 Rs1 yq1 s Lsd Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển Tổng quan phân chia tải cho hai động xoay chiều nối cứng trục Ta sử dụng cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, với mạch vòng tốc độ điều khiển PID có thơng số cố định chung cho hai động cơ, mạch vòng dòng điện sử dụng điều khiển PID riêng cho hai động cơ, điều khiển dòng điện động với thơng số cố định thông số điều khiển chọn làm mẫu thơng số điều khiển dòng động hiệu chỉnh dựa sai lệch dòng điện hai động Như điều khiển dòng động điều khiển thích nghi thiết kế dựa mơ hình mẫu tạo điều khiển dòng động Với cấu trúc trình 60 yd 1 sTsq1 (2) yd s p sTsd1 3.2 Phương trình tốn mơ tả động - Phương trình mạch Stator hệ tọa độ dq động đồng 2: di usd2 Rs 2isd2 Lsd2 sd2 s Lsq 2isq (3) dt di usq Rs 2isq Lsq sq s Lsd 2isd s p dt - Phương trình tính điện áp Mtu động đồng 02 usd2 Rs yd s Lsq usq Rs yq s Lsd yd sTsq (4) yd s p sTsd2 3.3 Phương trình mơ men cho hai động nối cứng trục, chung tải (5) Trong đó: Momen động hệ toạ độ dq:[2] (6) http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 59 - 64 Momen động 02 hệ toạ độ dq: (7) Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu 4.1 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Hệ thống điều khiển thích nghi mơ hình mẫu, gọi MRAC (Model Reference Adaptive Controllers) hay MRAS (Model Reference Adaptive Systems).[3] Hình Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp Đối với mơ hình mẫu miền thời gian liên tục mơ tả hàm truyền: bp K p G s (10) s a p bp K d s bp K p Với hàm tối ưu xác định sau: Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp dựa vào phương pháp ổn định Liapunov Đối tượng điều khiển điều khiển với điều khiển PD Các tham số điều khiển Kp Kd Sự thay đổi tham số đối tượng b p a p bù việc thay đổi Kp Kd Sau ta xây dựng luật thích nghi cho tham số điều khiển PD Ưu điểm phương pháp đơn giản, chất lượng điều khiển tốt [4] Hệ thống phản hồi đối tượng bậc mô tả dạng hàm truyền: G s bp K p s a p bp K d s bp K p (8) Chất lượng mong muốn hệ thống mô tả hàm truyền sau: T s o s 2o s o Trong đó: o Là tần số đặc trưng hệ số suy giảm http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn (9) J (t ) dt (11) Trong đó: R xm Ta suy hệ phương trình sau: bp K p o a p bp K d 2 o Suy ra: 2o a p 2 K p o ; Kd bp bp (12) (13) Nếu o 50; 0.7 Thì ta có tham số thích nghi điều khiển sau: 70 a p 2500 Kp ; Kd bp bp 4.3 Bộ điều khiển PID điều chỉnh dòng điện cho động đồng pha làm việc song song nối cứng trục Xây dựng điều khiển PID dựa theo phương pháp thực nghiệm Ziegler –Nichols 4.4 Bộ điều khiển PID điều chỉnh tốc độ cho động đồng pha làm việc song song nối cứng trục Để ổn định tốc độ động trình làm việc tải thay đổi, mạch vòng điều chỉnh tốc độ tương ứng với mơ hình động 61 Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN nối cứng trục thực điều khiển PID Hình Cấu trúc điều khiển PID điều chỉnh dòng động đồng nối cứng trục Hình Sơ đồ mạch ổn định tốc độ với động đồng pha nối cứng trục Thơng số điều khiển dòng tìm dựa theo phương pháp Ziegler Nichols sau: Bộ PIsd1 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isd1 có hàm truyền: (14) Bộ PIsq1 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isq1 có hàm truyền: (15) Bộ PIsd2 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isd2 có hàm truyền: (16) Bộ PIsq2 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isq2 có hàm truyền: (17) Thông số điều khiển ổn định tốc độ: (18) 4.5 Bộ điều khiển PI thích nghi điều chỉnh dòng điện Với phương pháp giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngồi chung cho động với thông số cố định, hai 62 204(11): 59 - 64 điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên riêng cho động cơ, điều khiển dòng điện động với thơng số cố định, tín hiệu điều khiển tín hiệu mẫu, thơng số điều khiển dòng động thứ hai hiệu chỉnh dựa sai lệch dòng điện động Có nghĩa dòng phần ứng hai động ln [1] 4.6 Thiết kế điều khiển PID thích nghi điều chỉnh dòng điện Isq2 Dựa theo bước xây dựng điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS), ta tiến hành xây dựng điều khiển PI thích nghi dòng điện Isq2 Các bước tiến hành thiết kế PID thích nghi dựa theo phương pháp Liapunov sau: - Xác định phương trình vi phân cho cho dòng isq2: Ta có phương trình sai số: (19) Suy ra, phương trình vi phân sai số là: (20) - Chọn hàm Lyapunov dòng isq2: Trong tốn ta chọn hàm ổn định Lyapunov có phương trình: V (e) eT Pe aT a bT b (21) - Xác định điều kiện để đạo hàm V(e) xác định âm: Biểu thức Kp Ki thích nghi xây dựng K p (isq ) Ki (isq ) 22 22 (p e p22e2 ) dt K p (0) 21 (p (22) e p22e2 )dt Ki (0) 21 Trong đó: sai lệch lượng đặt isd2(ref) với đầu hệ thống isd2 P21; P22 phần tử thuộc ma trận đối xứng xác định dương P Giải phương trình: AmT P PAm Q (23) Để tìm ma trận P ta cần tiến hành giải phương trình với Q ma trận xác định dương Q chọn sau: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 59 - 64 (24) Sử dụng lệnh phần mềm Matlab: >>lyap(Am,Q); Suy ma trận P: (25) Mô kết 5.1 Xây dựng đối tượng Matlab/ Simulink Mơ hình mơ động đồng Hình Đặc tính dòng Isq động 01 02 hệ tọa độ dq sử dụng điều khiển PID Hình Mơ hình động đồng Mơ hình mơ động đồng làm việc song song nối cứng trục Hình Sai lệch dòng Isq1 động với Isq2 động sử dụng điều khiển PID Hình Mơ hình động đồng nối cứng trục Thông số kỹ thuật động Công suất định mức: 45kW Điện áp pha định mức: 220V Tần số lưới điện: 50Hz Điện trở cuộn dây stator: 0.08 Ω Điện cảm dọc trục: Lsd=4.09 mH Điện cảm ngang trục: Lsq=5.13 mH Mơ-men qn tính: 0.0002 kg.m2 Từ thông cực: ψp=0.951Wb Số đôi cực: pc=4 Tốc độ đặt ω* = 400 (rad/s) 5.2 Kết mô điều khiển PID điều chỉnh tốc độ Sau động khởi động không tải 0.1 giây ta cho động mang tải mT = 20 Nm Kết mô sau: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nhận xét: - Khi hệ thống làm việc ổn định tốc độ động bám theo giá trị đặt, sai lệch tĩnh hệ thống gần không - Khi động làm việc có tải thời điểm 0.1 giây , tốc độ động giảm xuống sau lại ổn định bám trở lại tốc độ đặt - Dòng điện khởi động nằm phạm vi cho phép - Trong điều kiện thực tế động khơng hồn tồn giống có tượng dòng điện Isq1 Isq2 khơng hồn tồn bám 5.3 Kết mơ điều khiển PI thích nghi Từ biểu thức hệ số Kp Ki thích nghi, tham số tính hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu để hiệu chỉnh dòng isq2 thực Matlab/Simulink để kiểm tra đáp ứng hệ thống (Hình 11) ta có kết 63 Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Hình 10 Sơ đồ mơ điều khiển thích nghi dòng điện isd2;isq2 động 02 Matlab/Simulink Hình 11 Đặc tính dòng điện Isq1; Isq2 áp dụng điều khiển PI thích nghi 204(11): 59 - 64 Hình 14 Đặc tính mơmen hệ thống Kết luận Qua kết mô việc sử dụng điều khiển PID điều khiển tốc độ việc sử dụng điều khiển PI thích nghi ta thấy rằng: Tín hiệu dòng điện đầu theo hệ dq động 02 (Hình 11) bám theo tín hiệu dòng điện đầu động 01(mơ hình mẫu).nhanh so với (Hình 8) Tốc độ đầu (Hình 13) bám theo lượng đặt điều kiện tải thay đổi (tải thay đổi lên 10N.m thời điểm 0.1s) Các hệ số thích nghi điều khiển PI dòng điện isd2 isq2 hội tụ nhanh, đảm bảo hệ thống ổn định cho chất lượng điều khiển tốt Từ kết mô chứng minh ưu việc sử dụng điều khiển PI thích nghi theo mơ hình mẫu đối tượng động xoay chiều pha làm việc song song nối cứng trục Giúp loại bỏ tình trạng trình làm việc động làm việc tải, động lại non tải TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 12 Sai lệch Isq1; Isq2 áp dụng điều khiển PI thích nghi Hình 13 Đặc tính tốc độ hệ thống 64 [1] Nguyễn Duy Cương, “Cân tải cho 02 động làm việc song song, nối cứng trục”, Đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ, 2014 [2] Vũ Gia Hạnh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy điện 2, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [4] Hồ Phạm Huy Ánh , Điều khiển nâng cao máy điện quay, Nxb Đại học Quốc Gia – TP Hồ Chí Minh, 2017 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... Ziegler –Nichols 4.4 Bộ điều khiển PID điều chỉnh tốc độ cho động đồng pha làm việc song song nối cứng trục Để ổn định tốc độ động trình làm việc tải thay đổi, mạch vòng điều chỉnh tốc độ tương... chung cho hai động cơ, mạch vòng dòng điện sử dụng điều khiển PID riêng cho hai động cơ, điều khiển dòng điện động với thông số cố định thông số điều khiển chọn làm mẫu thơng số điều khiển dòng động. .. điện động xem dòng mẫu, dòng động ln bám dòng điện động với sai lệch nhỏ [1] Mơ hình tốn học hai động xoay chiều làm việc song song nối cứng trục hệ trục tọa độ dq 3.1 Phương trình tốn mơ tả động