Mô tả tổng quan về phương pháp điều khiển theo nguyên lý thụ động. Các lý thuyết mô hình hoá động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc dựa trên nguyên lý thụ động. Trình bày các bước thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến trên cơ sở nguyên lý thụ động. Kiểm chứng cấu trúc đã thiết kế bằng mô phỏng trên MatlabSimulink và Plecs
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên: Bùi Huy Hoàng ĐỀ TÀI: HOÀN THIỆN CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHA KHƠNG ĐỒNG BỘ RƠ TO LỒNG SĨC TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG Chuyên ngành: Điều khiển tự động LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang HÀ NỘI – 2008 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 2/93 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 3/93 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu CHƯƠNG I TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG 1.1 Hệ tuyến tính thụ động 1.2 Hệ phi tuyến thụ động 1.3 Những tính chất Hệ thụ động 1.4 Hệ Euler-Lagrange (EL) tính chất thụ động 10 1.5 Nguyên lý điều khiển theo nguyên lý thụ động 10 1.6 Phương trình Euler-Lagrange 12 1.7 Các đặc tính hệ EL 15 1.8 Đặc tính ổn định hệ EL 22 CHƯƠNG II MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC THEO NGUN LÝ THỤ ĐỘNG 2.1 Biểu diễn dạng vector đại lượng pha 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển theo phương pháp Tựa theo từ thông rotor (T4R) 24 24 26 2.3 Mơ hình hóa động KĐBRTLS 27 2.4 Đặc điểm thụ động mơ hình ĐCKĐB pha 34 CHƯƠNG III THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG 3.1 Thiết kế cấu trúc điều khiển theo nguyên lý thụ động 40 40 3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển 42 3.2.1 Phát biểu toán 42 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 3.2.2 3.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển PBC Thực điều khiển dòng theo phương pháp PBC Trang 4/93 42 43 3.2.4 Thiết kế điều khiển tốc độ theo luật PI 53 3.2.5 Mơ hình từ thơng 54 CHƯƠNG IV KIỂM CHỨNG CẤU TRÚC ĐÃ THIẾT KẾ BẰNG MÔ PHỎNG DÙNG MATLAB & SIMULINK VÀ PLECS 4.1 Sơ đồ mô hệ thống điều khiển MatlabSimulink - Plecs 56 56 4.2 Sơ đồ điều khiển PBC 56 4.3 Sơ đồ điều chỉnh từ thông 60 4.4 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ 61 4.5 Sơ đồ mơ hình từ thơng 61 4.6 Sơ đồ khâu biến tần - động 62 4.7 Khâu điều chế vector 62 4.8 Mạch nghịch lưu điện áp - động 73 4.9 Tính tham số động 74 4.10 Kết mô trường hợp không tải 76 4.11 4.12 CHƯƠNG V Kết mơ trường hợp có tải đột biến mơ men định mức đóng vào sau 0,8 giây Kết mô trường hợp đảo chiều quay không tải 81 86 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 91 Tài liệu tham khảo 92 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 5/93 Lời nói đầu Trong năm gần đây, phương pháp điều khiển theo nguyên lý thụ động (Passivity Based Control – PBC) đặc biệt quan tâm nghiên cứu, phải điều khiển đối tượng Robot, hệ EulerLagrange… Điều khiển theo nguyên lý thụ động thuật toán điều khiển dựa đặc tính thụ động hệ thống với mục tiêu làm cho hệ kín hệ thụ động Hệ thụ động hệ ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov Mục tiêu đề tài nghiên cứu, hoàn thiện cấu trúc điều khiển động pha khơng đồng rơ to lồng sóc sở nguyên lý thụ động Nội dung luận văn bao gồm chương: Chương I mô tả tổng quan phương pháp điều khiển theo nguyên lý thụ động Chương II lý thuyết mơ hình hóa động khơng đồng rotor lồng sóc dựa nguyên lý thụ động Chương III trình bày bước thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến sở nguyên lý thụ động Chương IV phần kiểm chứng cấu trúc thiết kế mô Matlab-Simulink Plecs Chương V kết luận đánh giá hệ thống Em xin cảm ơn thầy Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn bảo để em hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy, cô môn Điều khiển tự động Trung tâm đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà nội trang bị kiến thức tạo điều kiện để em hoàn thành Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 6/93 khóa đào tạo cao học, em xin cảm ơn Ban giám đốc Trung tâm cơng nghệ cao bạn Phịng thí nghiệm Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Hà Nội, ngày 26/03/2008 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 7/93 CHƯƠNG I - TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG 1.1 Hệ tuyến tính thụ động Hệ thụ động hệ không sinh lượng Sự thay đổi lượng bên lớn thay đổi lượng từ bên ngồi đưa vào Hệ thụ động tuyến tính hệ có hàm truyền đạt G(s) thỏa mãn: Re(G(s))>0 Re(s) >0 Re() ký hiệu phép tính lấy phần thực số phức Những hàm truyền đạt thỏa mãn điều kiện gọi hàm thực-dương, có tính chất sau: - Khơng có điểm khơng điểm cực nằm bên phải trục ảo Các điểm không điểm cực nằm trục ảo điểm đơn - Có bậc tương đối không lớn Tên gọi hệ thụ động tuyến tính bắt nguồn từ mạch RLC, mạch điện gồm phần tử tiêu thụ điện điện trở R, cuộn dây L, tụ điện C Tự thân mạch RLC không sinh lượng nên gọi mạch thụ động Đặc biệt, mạch điện thụ động có điện trở phức G(s) hàm thực dương Có thể mơ tả hệ thụ động SISO hệ phương trình trạng thái: ⎧ dx ⎪ = F(x, u ) ⎨ dt ⎪⎩ y = g(x, u ) Với x vector trạng thái, u tín hiệu đầu vào, y tín hiệu đầu Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 8/93 Hệ SISO thụ động, tuyến tính, điều khiển quan sát được, với phương trình trạng thái ⎧ dx ⎪ = Ax + bu ) ; ⎨ dt ⎪⎩ y = c T x + du ) x ∈ R n vector biến trạng thái ln có hàm truyền đạt G(s) hàm thực dương ngược lại, hàm thực dương hàm truyền đạt mơ tả hệ thụ động Hệ tuyến tính thụ động chặt hàm truyền đạt G(s) có: Re(G(s))>0 Re(s)≥0 Phát biểu cho hệ nhiều chiều MIMO thụ động chặt, tuyến tính với mơ hình trạng thái ⎧ dx ⎪ = Ax + Bu) ⎨ dt ⎪⎩ y = Cx x ∈ R n ; u, y ∈ R r (hệ có n biến trạng thái, r tín hiệu vào hay: Α ∈ Ρ nxn ; B ∈ R nxr ; C ∈ R rxn 1.2 Hệ phi tuyến thụ động Hệ phi tuyến MIMO gọi a) Thụ động - tồn hàm xác định dương S(x), gọi hàm dự trữ lượng cho với t>0 ln có: dS (x) ≤ uT y dt Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 9/93 b) Thụ động chặt - tồn hàm trữ lượng S(x), hàm xác định dương η (x) gọi hàm tiêu tán lượng cho: dS (x) ≤ u T y − η ( x) dt 1.3 Những tính chất Hệ thụ động 1.3.1 Hệ phi tuyến MIMO a) Nếu hệ thụ động ổn định Lyapunov gốc b) Nếu hệ thụ động chặt ổn định tiệm cận Lyapunov gốc c) Nếu hệ thụ động chặt pha cực tiểu, tức chế độ động học không, quỹ đạo trạng thái tiệm cận gốc d) Nếu hệ thụ động (khơng chặt) chế độ động học khơng, quỹ đạo trạng thái bị chặn lân cận gốc 0, gọi hệ pha cực tiểu yếu 1.3.2 Hệ hồi tiếp u w z y Hệ H1 Hệ H2 Hình 1.1 - Hệ thụ động có hồi tiếp Giả sử hệ hồi tiếp H1 H2 Hình 1.1 hệ thụ động có phương trình trạng thái: Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ ⎧ dx = F1 (x , u) ⎪ H1: ⎨ dt ⎪⎩ y = g (x , u) Trang 10/93 ⎧ dx = F2 (x , y ) ⎪ H2: ⎨ dt ⎪⎩ z = g (x , y ) Thì: a) Hệ kín hệ thụ động b) Hệ kín thụ động chặt, hai hệ H1 H2 thụ động chặt 1.4 Hệ Euler-Lagrange (EL) tính chất thụ động Hệ Euler-Lagrange hệ mà động học chúng đượcmơ tả dạng phương trình Euler-Lagrange Trong thực tế hệ thống hệ EL Ngoài ra, người ta chứng minh hệ EL hệ phi tuyến thụ động, có nghĩa thân hệ thống khơng tự sinh lượng Một số tính chất hệ EL: + hệ EL xác định quan hệ thụ động qua hàm dự trữ tổng lượng hệ thống + Khi nối hệ EL theo kiểu phản hồi âm hệ thay hệ EL + Dưới giả thuyết hợp lý, ta phân tích hệ EL thành hệ El mắc theo kiểu phản hồi âm 1.5 Nguyên lý điều khiển theo nguyên lý thụ động Điều khiển theo nguyên lý thụ động thuật toán điều khiển dựa đặc tính thụ động hệ thống với mục tiêu làm cho hệ kín hệ thụ động với hàm lưu trữ lượng mong muốn Sự tiếp cận phương pháp PBC coi mở rộng kỹ thuật chọn Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 79/93 + Đáp ứng dòng isq: isq* isq Hình 4.11 - Đáp ứng dịng isq khơng tải Dòng isq bám chặt theo isq* đầu điều chỉnh tốc độ Dòng isq biến động độ giống đồ thị mô men Điều chứng tỏ isq định thay đổi momen đầu trục động Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 80/93 + Đáp ứng từ thông: Ψ* Ψ Hình 4.12 - Đáp ứng từ thơng khơng tải Đồ thị từ thơng tương tự đồ thị dịng isd Điều chứng tỏ isd định giá trị từ thơng rotor Do tính chất cảm kháng mà đồ thị từ thông mềm, thời gian độ dài điều chỉnh khó đạt giá trị nhỏ Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 81/93 4.11 Kết mơ trường hợp có tải đột biến mơ men định mức đóng vào sau 0,8 giây + Đáp ứng tốc độ: ω* ω Hình 4.13 - Đáp ứng tốc độ có tải Tại thời điểm có tải đột biến mơ men định mức tốc độ dao động với điều chỉnh 5% thời gian độ 0,05 giây để đạt 99% tốc độ đặt Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 82/93 + Đáp ứng mô men: Mô men tải Đáp ứng mơ men Hình 4.14 - Đáp ứng mơ men có tải Mơ men động có biên độ thời gian độ lớn, nhiên đảm bảo bám chặt theo mô men tải nhằm trì tốc độ Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 83/93 + Đáp ứng dòng isd: isd isd* Hình 4.15 - Đáp ứng dịng isd có tải Đáp ứng dịng isd khơng phụ thuộc vào biến động mơ men tải Khi có tải, dịng isd có sai lệch khoảng 1% so với dịng isd* đầu vào khâu điều chỉnh PBC Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 84/93 + Đáp ứng dòng isq: isq* isq Hình 4.16 - Đáp ứng dịng isq có tải Dòng isq biến động độ giống đồ thị mơ men Tại thời điểm đóng mơ men tải dịng isq tăng theo nhằm tăng momen đầu trục động Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 85/93 + Đáp ứng từ thông: Ψ* Ψ Hình 4.17 - Đáp ứng từ thơng có tải Đồ thị từ thơng hồn tồn khơng bị ảnh hưởng tải thay đổi Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 86/93 4.12 Kết mô trường hợp đảo chiều quay không tải + Đáp ứng tốc độ: ω* ω Hình 4.18 - Đáp ứng tốc độ đảo chiều quay Đáp ứng tốc độ bám tốt vào biến thiên tốc độ đặt Chất lượng động không thay đổi đảo chiều quay motor Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 87/93 + Đáp ứng mô men: Mơ men tải Đáp ứng mơ men Hình 4.19 - Đáp ứng mô men đảo chiều quay Khi đảo chiều quay, mô men động đổi chiều tăng cao nhằm kéo rotor đảo chiều quay Khi tốc độ động đạt giá trị đặt, mô men động xấp xỉ Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 88/93 + Đáp ứng dòng isd: isd isd* Hình 4.20 - Đáp ứng isd đảo chiều quay Dòng isd bị ảnh hưởng chút vào thời điểm đảo chiều quay với dao động khoảng 10% giá trị chuẩn Tuy nhiên, điều chỉnh PBC kéo dịng isd từ thơng rotor bám theo giá trị chuẩn mong muốn Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 89/93 + Đáp ứng dịng isq: isq isq* Hình 4.20 - Đáp ứng isq đảo chiều quay Dòng isq đột biến khoảng thời gian đảo chiều để tạo momen cưỡng đảo chiều động Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 90/93 + Đáp ứng từ thơng: Ψ* Ψ Hình 4.21 - Đáp ứng từ thông đảo chiều quay Rõ ràng đáp ứng từ thông gần không bị ảnh hưởng tốc độ hay chiều quay motor Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 91/93 CHƯƠNG V - KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ Như vậy, mô hệ thống phần mềm Matlab-Simulink Plecs, ta có kiểm chứng tính chất hệ thụ động tương quan thành phần điều khiển truyền thống Thiết kế hệ thụ động trước hết cho ta kết hệ thống ban đầu ổn định Kết hợp phương pháp điều khiển truyền thống theo mục tiêu điều khiển để ta hệ thống điều khiển mong muốn Vì phương pháp điều khiển PBC dựa mơ tả tốn học hệ thống, thực hệ thống điều khiển số, việc tính tốn thiết kế cho hệ thống lớn phức tạp Chất lượng ổn định hệ thống điều khiển PBC khó kiểm sốt, khó hiệu chỉnh q trình vận hành Hệ thống điều khiển PBC phù hợp với hệ thống có yêu cầu độ ổn định vừa phải không yêu cầu cao chất lượng điều chỉnh Thông thường, người ta kết hợp điều chỉnh PBC với điều chỉnh truyền thống để đạt mục tiêu điều chỉnh chất lượng mong muốn Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 92/93 Tài liệu tham khảo: [1] Ortega, Romeo; Loría, Antonio; NickLasson, Per Johan; Sira-Ramírez, Herbertt: Passivity-based control of Euler-Lagrange System: Mechanical, Electrical and Electromechanical Applications SpingerVerlag London Berlin Heidelberg, 1998 [2] Nguyễn Phùng Quang: Truyền động điện thông minh NXB KHKT – 2004 [3] Nguyễn Phùng Quang: Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục 1996 [4] nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB KHKT, tái lần thứ 3, 2006 [5] Triệu Đức Long: Phân tích đặc điểm thụ động động không đồng Rotor lồng sóc, kiểm tra triển vọng thiết kế điều khiển sở kết phân tích thu (Passivity-based Controller design) Luận văn cao học, ĐHBK Hà Nội, 2004 [6] Nguyễn Phùng Quang: Motion Control Version 2, tháng 5/2005 [7] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến NXB KHKT - 2003 [8] Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Tiến Hiếu: Tổng quan phương pháp điều khiển tựa theo thụ động số kết nghiên cứu mở rộng Tạp chí Tự động hóa ngày nay, tháng 12-2005 [9] Nguyễn Thương Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động đại, Hệ tối ưu - thích nghi NXB KHKT – 2005 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Trang 93/93 [10] Nguyễn Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính NXB KHKT – 2002 [11] Nguyễn Thương Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại - Hệ phi tuyến ngẫu nhiên NXB KHKT – 2003 [12] Nguyễn Thương Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại - Hệ tuyến tính NXB KHKT – 2005 [13] nguyễn Viết Trường, Lê Bằng Giang: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển động không đồng Rotor lồng sócntrên sở nguyên lý thụ động (Passivity-based control) Đồ án tốt nghiệp K47, ĐHBK Hà Nội [14] Web site www.plexim.com: PLECS User’s Guide ... 2 .3 Mơ hình hóa động KĐBRTLS 27 2.4 Đặc điểm thụ động mơ hình ĐCKĐB pha 34 CHƯƠNG III THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG 3. 1 Thiết kế cấu trúc. .. hóa động khơng đồng rotor lồng sóc dựa nguyên lý thụ động Chương III trình bày bước thiết kế cấu trúc điều khiển phi tuyến sở nguyên lý thụ động Chương IV phần kiểm chứng cấu trúc thiết kế mô... hợp lý, ta phân tích hệ EL thành hệ El mắc theo kiểu phản hồi âm 1.5 Nguyên lý điều khiển theo nguyên lý thụ động Điều khiển theo nguyên lý thụ động thuật tốn điều khiển dựa đặc tính thụ động