Thiết kế bộ điều khiển Passivity - Based để điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based) để điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở các chế độ làm việc khác nhau. Căn cứ vào đặc điểm thụ động của đối tượng (động cơ) với mục tiêu làm cho toàn hệ thống cũng là một hệ thụ động. Những hệ thống sử dụng loại động cơ như vậy được mô tả bởi phương trình EulerLagrange, là cơ sở quan trọng để đi đến thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PASSIVITY - BASED ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RƠ TO LỒNG SĨC Đặng Danh Hoằng1*, Phạm Ngọc Phú2 Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên, Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển phi tuyến dựa thụ động (Passivity – Based) để điều khiển hệ truyền động sử dụng động không đồng rotor lồng sóc chế độ làm việc khác Căn vào đặc điểm thụ động đối tƣợng (động cơ) với mục tiêu làm cho toàn hệ thống hệ thụ động Những hệ thống sử dụng loại động nhƣ đƣợc mô tả phƣơng trình EulerLagrange, sở quan trọng để đến thiết kế điều khiển cho hệ thống Việc khảo sát hệ thống truyền động sử dụng động khơng đồng rotor lồng sóc có xét đến chất phi tuyến động phƣơng pháp điều khiển phi tuyến đem lại chất lƣợng động tốt nhƣ mong muốn Từ khoá: điều khiển phi tuyến dựa thụ động, Euler-Lagrange, pha cực tiểu, động khơng đồng rotor lồng sóc, cân định lượng MỞ ĐẦU Các hệ truyền động sử dụng động khơng đồng rơto lồng sóc (ĐCKĐB-RTLS) đối tƣợng có mơ hình phi tuyến, đƣợc sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Vì chất lƣợng điều khiển vấn đề đƣợc nhiều ngƣời quan tâm Phƣơng pháp điều khiển phi tuyến dựa thụ động (Passivity – Based) phƣơng pháp dựa hệ phƣơng trình mơ tả động học Euler - Lagrange, mà thực tế có nhiều đối tƣợng động học đƣợc mơ tả hệ này, có ĐCKĐBRTLS Việc thiết kế điều khiển nhằm đƣa phƣơng pháp thiết kế cho số hệ truyền động cụ thể thực tiễn (hệ thống cân băng định lƣợng, cán thép ), có kể đến tính phi tuyến đối tƣợng khác với cách giải toán trƣớc đối tƣợng đƣợc tuyến tính hố Với phƣơng pháp điều khiển hệ thống có chất lƣợng làm việc tốt, đáp ứng nhanh tải thay đổi CƠ SỞ LÝ LUẬN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PASSIVITY - BASED Hệ Euler-Lagrange thụ động hệ mà động học chúng đƣợc mô tả phƣơng trình Euler-Lagrange (EL) thân hệ thống không tự sinh lƣợng Nhƣ nhắc đến hệ Euler-Lagrange ta hiểu hệ có chất thụ động Điều khiển dựa thụ động (Passivity Based Control - PBC) thuật toán điều khiển mà nguyên lý dựa đặc điểm thụ động đối tƣợng (hệ hở) với mục tiêu làm cho hệ kín hệ thụ động với hàm lƣu giữ lƣợng mong muốn Xét hệ động học có n bậc tự do, động học hệ đƣợc mơ tả phƣơng trình EL sau [6]: d  L  L   (x, x )   (x, x )  Q (1) dt  x  x Q Với F (x )  B.u  Qn x (2) F ( x ) đƣợc gọi hàm tiêu thụ Rayleigh, thoả mãn: T x F )  (x  x (3) Xét hệ đƣợc ký hiệu  có hàm tổng lƣu giữ lƣợng , vector tín hiệu điều khiển u, y vector tín hiệu đầu coi nhƣ hệ thống không chịu tác động nhiễu Nhƣ tốc độ cung cấp lƣợng cho hệ thống yTu Hệ đƣợc gọi thụ động nếu: T  H(x(T ), x (T ))  H (x(0), x (0))   T y u  nang luong cap nang luong luu giu Thật vậy, từ (1),(2), (3) sau biến đổi đƣợc:  Tel: 0974155446 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 84 Đặng Danh Hoằng cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ T T F (x ) T T H [T]H[0]    + 0 x x dt  0 x Budt      NL luu giu NL tieu hao 73(11): 84 - 87 (4) -mW is NL cung cap T * ) Từ (3) nên H [T]- H [0]   y T Budt ; ( y  x suy hệ EL hệ thụ động, tính chất đặc biệt [6] phân tích hệ EL thành hệ EL nhƣ hệ kín (có điều khiển) thoả mãn thụ động Đây đặc điểm quan trọng thiết kế điều khiển theo phƣơng pháp PBC PBC u m Hm mM - *  He BL Qđặt Từ phƣơng trình (4) ta có số nhận xét sau: QĐ * Nếu u = lƣợng hệ khơng tăng, hệ ổn định trạng thái cân “tầm thƣờng” Hình Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng (phát triển từ [1]) T * Hệ ổn định nhƣ đầu Bx không, hệ tuyến tính hệ thống đƣợc gọi pha cực tiểu (minimum phase), tức hệ ổn định Lyapunov ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PASSIVITY - BASED ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Để áp dụng phƣơng pháp điều khiển, ta xét số hệ truyền động nhƣ hệ thống cân băng định lƣợng sử dụng động khơng đồng pha rơto lồng sóc Để áp dụng phƣơng pháp ta tách ĐCKĐB - RTLS thành hai phần động học phần điện động học phần (hình 1) us is  mM Hm KL BL: Bộ lọc Qđặt: sản lƣợng đặt dây truyền cân băng tính đơn vị thời gian (Kg/s) KL: Đầu đo khối lƣợng đơn vị độ dài (Kg/m) TT: Khâu tính tốn QĐ: Khâu quy đổi tốc độ PBC: Bộ điều khiển Passivity - Based He Hm: Động học phần điện Áp dụng phƣơng pháp thiết kế đƣa điều khiển vào hệ động học phần điện với tƣơng tác hệ động học phần cơ, cho hệ kín thoả mãn thụ động theo phƣơng trình EL, ta đƣợc [1, 6]: (5) us  u*s  K ()(i s - i*s ) Với K() đƣợc xác định theo điều kiện:  Rr      L2m R  K(  )    2   s 4( Rr   )  He - TT - mW Hình Phân tích ĐCKĐB - RTLS thành động học phần điện phần Khi cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng nhƣ hình 2: (6) Nhƣ [4] hệ phƣơng trình mơ tả mơ hình động sau đƣợc tách thành thành phần hệ trục toạ độ dq nhƣ sau: 1 1  disd  dt  (  T   T )isd  s isq   T L  rd s r r m   1  rq  usd   Ls   Lm   disq   i  (    )i     s sd sq rd  dt  Ts  Tr  Lm       u   T L rq  L sq r m s  Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 85 (7) Đặng Danh Hoằng cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Tín hiệu điều khiển điều chỉnh dòng động đƣợc xác định theo (5): u sdPBC  u*sd  K ( ).(isd  isd* ) * u sq 120 Qt Qdat 100 80 (9)  u sq  K ( ).(isq  i ) PBC 73(11): 84 - 87 * sq 60 40 PBC sd PBC sq Trong đó: U điện áp điều ;U điện áp điều khiển PBC tạo (theo d q) u*sd; u*sq điện áp stator mong muốn động (theo d q) đƣợc xác định theo (7) Với phƣơng pháp ta đƣợc điều khiển dòng điện stator theo thành phần:  PBC di* 1 * )isd usd   Ls sd  Ls (  dt Ts Tr   1 *  Lss i*sq  Ls  rd  K(  )( isd  i*sd ) T L  r m (10)  * disq  PBC 1 *  Ls (  )isq usq   Ls dt T T s r   1 *  *rd  K(  )( isq  i*sq )  Lss isd  Ls L m  SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK – PLECS 20 0 10 Hình Sản lƣợng băng tải thay đổi với khối lƣợng thay đổi 3.5 2.5 1.5 0.5 0 10 Hình Khối lƣợng băng tải thay đổi 1600 toc dat toc 1400 P'S In1 Isd* iSD* Tu thong In1 Omega Step Usd Isd tinh gia tri dong isd* 1200 Omega n In2 isq Isq* W'rd dq In3 n isd Isq* To Workspace2 m* isq OmegaS Usq ab tinh gia tri dong isq* MT 1000 vs SRF->3ph omega So sanh toc Subsystem dq->ab W*rd 800 Vs mM* -K- w* Bo dieu khien dong Gain 600 OmegaS w mM* n_ref mL Mt 400 n speed controller Turbine 200 t Clock To Workspace1 m 10 To Workspace3 Out1 Qtt -KDivide Q dat -C- Gain2 He so quy doi toc Divide1 Product So sanh Q Out1 0.002s+1 Bo loc Q To Workspace Hình Tốc độ động khối lƣợng thay đổi sản lƣợng băng tải khơng đổi Loadcell Hình Sơ đồ mơ 1600 Toc dat Toc 120 1400 Qt Qdat 1200 100 1000 80 800 60 600 400 40 200 20 0 9 10 10 Hình Sản lƣợng băng tải khơng đổi với khối lƣợng thay đổi Hình Tốc độ động khối lƣợng không đổi sản lƣợng băng tải thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 86 Đặng Danh Hoằng cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120 Qt Qdat 100 80 60 40 20 0 10 Hình Sản lƣợng băng tải thay đổi với khối lƣợng không đổi KẾT LUẬN Từ kết mơ phỏng, ta có nhận xét chế độ làm việc hệ thống nhƣ sau: * Ở chế độ sản lƣợng băng tải không đổi: + Tốc độ động thay đổi kịp thời thời điểm khối lƣợng băng tải thay đổi (hình 7) + Sản lƣợng cân băng giữ ổn định với thời gian đáp ứng nhỏ (hình 4) * Ở chế độ sản lƣợng băng tải thay đổi: + Động làm việc tốt bám tốc độ để đáp ứng kịp thời Q thay đổi nhƣ KL thay đổi (hình 6, 8) + Sản lƣợng cân băng bám tốt lƣợng đặt thay đổi (hình hình 9) 73(11): 84 - 87 - Với kết mô nhƣ hệ thống điều khiển đạt đƣợc vấn đề nghiên cứu đặt - Bài báo mở phƣơng pháp thiết kế phi tuyến để điều khiển trình làm việc ĐCKĐB - RTLS hệ cân băng định lƣợng nói riêng hệ truyền động nói chung sở lý thuyết để phát triển ứng dụng vào thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Levent U.gödere, Marwan A Simaan, Charles W Brice: “Passivity – Based Control of Saturated Induction Motors”, 1997, IEEE [2] Levent U.gödere, Marwan A Simaan, Charles W Brice: “A Passivity – Based for High-Performance Motion Control of Induction Motors”, June 1997, IEEE [3] Ng.Ph.Quang (2004): “Matlab  Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển tự động” Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Ng.Ph.Quang (1996): “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha” Nxb Giáo dục, Hà Nội [5] N.D.Phƣớc, P.X.Minh, H.T.Trung (2003): Lý thuyết điều khiển phi tuyến Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] R.Ortega, A.Loria, P.J.Nicklasson, H.SiraRamírez: “Passivity-based Control of Euler Lagrange Systems: Mechanical, Electrical and Electromechanical Applications” Springer-Verlay, London-Berlin-Heidelberg, 1998 ABSTRACT DESIGNING A PASSIVITY - BASED CONTROLLER TO CONTROL THE DRIVE SYSTEM USING THREE-PHASE SQUIRREL-CAGE MOTORS Dang Danh Hoang1, Pham Ngoc Phu2 T hainguyenUniversity of Technology, 2College of Engineering Economics Vinh Phuc This article presents research findings of the passivity - based nonlinear control method to control a three-phase squirrel-cage motor drive system in different operating regimes Based on the passive characteristics of the object (motor), the aim is that the whole system must be passive Such these systems are described by EulerLagrange equation which is an important issue to construct a newly nonliear controller Expected dynamic performances are achieved by using the proposed nonlinear control method to investigate the three-phase squirrel-cage motor drive system when nonlinearities are considered Key word: Passivity - based nonlinear control, Euler-Lagrange, minimum phase, three-phase squirrel-cage motor, metering conveyor balance Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 87 Đặng Danh Hoằng cs Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73(11): 84 - 87 http://www.lrc-tnu.edu.vn | 88 ... BỘ ĐIỀU KHIỂN Để áp dụng phƣơng pháp điều khiển, ta xét số hệ truyền động nhƣ hệ thống cân băng định lƣợng sử dụng động không đồng pha r to lồng sóc Để áp dụng phƣơng pháp ta tách ĐCKĐB - RTLS... PBC: Bộ điều khiển Passivity - Based He Hm: Động học phần điện Áp dụng phƣơng pháp thiết kế đƣa điều khiển vào hệ động học phần điện với tƣơng tác hệ động học phần cơ, cho hệ kín thoả mãn thụ động. .. Hệ ổn định nhƣ đầu Bx khơng, hệ tuyến tính hệ thống đƣợc gọi pha cực tiểu (minimum phase), tức hệ ổn định Lyapunov ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PASSIVITY - BASED ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU