Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao với động cơ không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM THÀNH NGỮ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHẤT LƯỢNG CAO VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TỰ CHỈNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MẠNH TIẾN HÀ NỘI 2008 Lời cảm ơn Quyển luận văn hoàn thành nhờ có quan tâm, bảo tận tình thầy hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến, thầy mơn Tự Động Hóa XNCN, bạn đồng nghiệp động viên gia đình Qua xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐHBK Hà Nội, người truyền đạt, củng cố trí thức quan trọng suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn thầy mơn Tự Động Hóa XNCN giúp nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết chun ngành học Đặc biệt, tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến, người khơng tận tình giúp định hướng phương pháp nghiên cứu phù hợp mà dành thời gian đọc thảo sai sót để luận văn sớm hồn thành Cuối xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln động viên, khích lệ tơi suốt q trình làm luận văn Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008 Học viên Phạm Thnh Ng i LờI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp thực hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến với tài liệu tham khảo đà trích dẫn cuối luận văn Số liệu kết đưa luận văn hoàn toàn trung thực, không chép công trình nghiên cứu khác Hà nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008 Học viên Phạm Thành Ngữ ii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt ĐCMC: Động chiều ĐCKĐB: Động không đồng KĐB: Không đồng ĐCXCBP: Động điện xoay chiều ba pha ĐCĐB: Động đồng LQR: Linear Quadratic Regulator TTHCX: Tuyến tính hoá xác ĐKPHTT: Điều khiển phản hồi trạng thái ĐTPT: Đối tượng phi tuyến STR: Self-Tuning Regulator MRAS: Model Reference Adaptive System v Môc lôc MỤC LỤC Lời cảm ơn .i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục từ viết tắt v Abstract vi Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan động không đồng 1.1 Ứng dụng lý thuyết véctơ để mô tả động KĐB 1.1.1 Vecto không gian hệ toạ độ từ thông roto .5 1.1.2 Mơ hình liên tục ĐCKĐB rơto lồng sóc 1.1.2.1 Hệ phương trình động 1.1.2.2 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ từ thông roto 10 1.2 Hệ thống điều khiển vecto ĐCKĐB .14 1.2.1 Tổng quan phương pháp điều khiển vectơ 14 1.2.2 Phương pháp điều khiển vectơ trực tiếp .16 1.2.3 Phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp 17 Chương 2: Các phương pháp điều khiển đại cho truyền động động KĐB 19 2.1 Tổng quan điều khiển phi tuyến 19 2.1.1 Phương pháp tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc 19 2.1.2 Phương pháp tuyến tính hố phạm vi chu kỳ trích mẫu 21 2.1.3 Phương pháp tuyến tính hố xác .21 2.2 Hệ điều khiển thích nghi .26 2.2.1 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh 26 2.2.2 Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) 30 2.2.3 Gain scheduling 32 2.2.4 Bộ lọc Klman 34 2.2.5 Nhận dạng tham số-cơ sở lý thuyết bình phương nhỏ đệ quy .41 iii Môc lôc Chương Thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao cho truyền động động không đồng 44 3.1 Mơ hình tổng thể hệ thống 44 3.2 Tổng hợp điều chỉnh từ thơng dịng 45 3.2.1 Tổng hợp điều chỉnh từ thông .45 3.2.2 Tổng hợp điều chỉnh dòng 46 3.2.2.1 Tổng hợp khâu RId 49 3.2.2.2 Tổng hợp khâu RIq 49 3.3 Tổng hợp điều khiển vị trí .49 3.3.1 Tổng hợp PD tự chỉnh 51 3.3.2 Ước lượng momen tốc độ qua lọc Klman .53 3.3.3 Nhận dạng tham số momen quán tính J hệ số ma nhớt B ĐCKĐB qua nhận dạng tham số 58 Chương Mô hệ thống điều khiển Matlab .63 4.1 Mơ hình tổng thể 63 4.2 Mơ hình ĐCKĐB 64 4.3 Bộ điều khiển vịtrí .65 4.3.1 Khâu PD tự chỉnh 65 4.3.2 Bộ lọc Klman .66 4.3.3 Bộ nhận dạng tham số .66 4.4 Bộ điều chỉnh dòng 66 4.5 Bộ điều chỉnh từ thông .68 4.6 Kết mô 70 4.7 Nhận xét kết kết đạt 76 Kết luận 77 Tài liệu tham khảo 79 Phụ lục 82 Phụ lục 84 Tóm tắt luận văn iv lời nói đầu Ngày nay, động không đồng sử dụng rộng rÃi phổ biến công nghiệp.So với động chiều, động không đồng có nhiều ưu điểm mặt cấu tạo, giá thành vận hành Tuy nhiên, có cấu trúc phi tuyến với đa thông số, nên việc điều khiển động không đồng gặp nhiều khó khăn Trong năm gần đây, với phát triển mạnh số nghành kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý nhiều phương pháp điều khiển đời thu hiệu Chính vậy, động không đồng ngày sử dụng rộng rÃi, dần thay cho động chiều hệ thống truyền động chất lượng cao Các điều khiển PI, PD, PID đà sử dụng nhiều chất lượng điều khiển phụ thuộc vào điều kiện làm việc động Việc điều chỉnh tham số điều khiển phải người thiết kế chỉnh lại, điều gặp không khó khăn Tiếp phương pháp điều khiển trực tiếp gián tiếp từ trường đời kèm theo việc sư dơng mét nhiỊu c¸c tht to¸n quan s¸t từ thông roto r Tuy nhiên phương pháp cổ truyền không đáp ứng yêu cầu công nghệ Bộ quan sát trạng thái thích nghi tự chỉnh dựa phương pháp nhận dạng tham số bình phương nhỏ mang lại chất lượng điều chỉnh tốt dải tốc độ rộng Nhưng tốc độ thấp thời gian lÊy mÉu nhá nÕu sư dơng sensor tèc ®é đo tốc độ tức thời tốc độ bị sai, hệ thống không ổn định đạt chất lượng mong muốn Để khắc phụ điều này, dùng quan sát trạng thái chất lượng cao Kalman Filter, với encoder vị trí xác định tốc độ tức thời mômen nhiễu tải Điều làm cho hệ thống hoạt động với chất lượng tốt chí làm việc vùng tốc độ thấp Trong luận văn sâu vào Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao với động không đồng sử dụng điều khiển thích nghi tự chỉnh.Một phương pháp điều khiển thông minh phương pháp điều khiển thích nghi Trọng tâm luận văn nghiên cứu phương pháp điều khiển thích nghi tham số điều khiển vị trí cho truyền động động không đồng sử dụng quan sát trạng thái Kalman nhận dạng dùng thuật toán bình phương nhỏ đệ quy Luận văn gồm chương chính, nội dung chương trình bày sau: Chương 1: Tổng quan động không đồng Dựa khái niệm vectơ không gian, xây dựng hệ phương trình mô tả động học động không động Nguyên lý phương pháp điều khiển vectơ hệ thống truyền động điện điều khiển vectơ _động không đồng Chương 2: Các phương pháp điều khiển đại cho truyền động động không đồng Tổng quan phương pháp điều khiển phi tuyến Tổng quan hệ điều khiển thích nghi Cơ sở lý thuyết lọc Klman phương pháp bình phương nhỏ đệ qui Chương 3: Thiết kế ®iỊu khiĨn chun ®éng chÊt l­ỵng cao cho trun ®éng động không đồng Xây dựng điều khiển vị trí tự chỉnh tham số cho động không đồng Xây dựng thuật toán quan sát tốc độ mômen nhiễu tải động không đồng sử dụng Kalman Filter Xây dựng thuật toán nhận dạng mômen quán tính động không đồng sử dụng phương pháp bình phương nhỏ đệ quy Chương : Mô hệ thống điều khiển Matlab Xây dựng mô hình mô cho hệ thống Trình bày kết mô đưa nhận xét đánh giá kết Mặc dù qua thời gian làm việc cố gắng, nghiêm túc đà có số kết ban đầu, song hiểu biết hạn chế, luận văn có nhiều thiếu sót Tôi xin chân thành mong nhận đóng góp thầy cô giáo bạn quan tâm để luận văn giúp ích cho nghiên cứu sâu sau Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008 Học viên Phạm Thành Ngữ Chương Tổng quan động không đồng Chương tổng quan động KHÔNG ĐồNG Bộ 1.1 ứng dụng lý thuyết vectơ để mô tả động không đồng Như ta đà biết, động chiều(ĐCMC) kích từ độc lập có hệ phương trình sau: M = k2ik   mM = k1ψ M iM Trong đó: mM - mômen quay động M - từ thông động iM - dòng phần ứng ik - dòng kích từ k1, k2 - số động Dễ thấy từ thông động M phụ thuộc vào dòng kích thích ik Nói cách khác ta điều chỉnh khống chế M cách dễ dàng, chắn Thông thường, phạm vi giải tốc độ nhỏ tốc độ định mức, M giữ ổn định giá trị định mức giải tốc độ lớn tốc độ định mức, tuỳ thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt M cách giảm ik để giữ cho sức từ động cảm ứng khỏi lớn Mặt khác, điểm công tác động cơ, từ thông đà điều chỉnh ổn định giá trị không đổi nên mômen quay động tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng iM Tóm lại ĐCMC kích từ ®éc lËp cã quan hƯ: ψ M ~ ik vµ mM ~ iM Hai dòng ik iM sử dụng trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông mômen quay động ta thành công việc áp đặt nhanh hai dòng điện Hơn cấu trúc đơn giản mạch kích từ mạch phần ứng nên việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) vấn đề dễ dàng đà giải từ lâu Tuy nhiên động điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) không quan hệ rõ ràng dòng với từ thông dòng với mômen động Chương Mô hệ thống điều khiển matlab Hình 4.9 Bộ điều chỉnh từ thông  K p = 534.9647 Víi   K I = 22.0191 ( theo công thức 3.6) 69 Chương Mô hệ thống điều khiển matlab 4.6 Kết mô a)Khi không tải Mc=0 Nm vitri 1.8 1.6 1.4 Vị trí góc(rad) 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thi gian(s) Hình4.10 :Kết mô vị trí góc không tải 70 Chương Mô pháng hƯ thèng ®iỊu khiĨn b»ng matlab momencan 0.15 0.1 Momen cản Mc(Nm) 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thi gian(s) Hình 4.11 Kết mô momen tải ước lượng M c 71 Chương Mô pháng hƯ thèng ®iỊu khiĨn b»ng matlab tocdo 100 80 Tốc độ(rad/s) 60 40 20 -20 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thời gian(s) Hình 4.12 Kết mô tốc độ ước lượng không tải 72 Chương Mô hệ thống điều khiển matlab b) Khi có tải Mc=1 Nm vitri Vị trí góc(rad) 1.5 0.5 -0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Thi gian(s) Hình 4.13 Kết mô vị trí góc có tải 73 1.8 Chương Mô pháng hƯ thèng ®iỊu khiĨn b»ng matlab momencan 1.4 1.2 Momen Mc(Nm) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thời gian(s) Hình 4.14 Kết mô momen tải ước lượng M c có tải 74 Chương Mô hệ thống điều khiển matlab tocdo 100 80 Tốc độ(rad) 60 40 20 -20 -40 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thời gian(s) Hình 4.15 Kết mô tốc độ ước lượng có tải 75 Chương Mô pháng hƯ thèng ®iỊu khiĨn b»ng matlab Ket qua -3 x 10 2.8 2.6 2.4 2.2 1.8 1.6 1.4 1.2 100 200 300 400 500 600 700 800 Time(ms) Hình 4.16: Nhận dạng mômen quán tính J 4.7 Nhận xét kết đạt Mục đích luận văn đưa phương án điều khiển vị trí dựa điều khiển tự chỉnh cho động không đồng Với kết mô thu trên, có số nhận xét sau : - Việc ước lượng tốc độ mô men cản tốt thể thời điểm đầu kết ước lượng có sai lệch so với kết đo khoảng thời gian ngắn việc ước lượng đà đạt giá trị tốc độ mô men cản - Tín hiệu đặt dạng bậc thang kết sau cã sù tham gia cđa hƯ thèng ®iỊu khiĨn đầu đà bám theo tín hiệu đặt 76 Kết luận Trong thời gian hoàn thành luận văn với hướng dẫn tận tình thầy TS Nguyễn Mạnh Tiến đà hoàn thành luận văn Các nội dung mà luận văn đà đạt là: - Xây dựng mô hình toán học động không đồng hệ tọa độ dq - Trình bày sở lý thuyết tính toán chi tiết cho lọc Kalman nhận dạng tham số - Mô thành công hệ thống điều khiển động không đồng dùng thích nghi tù chØnh cã sư dơng bé läc Klman vµ bé nhận dạng tham số sở phương pháp bình phương nhỏ đệ qui Các kết mô hình hoá máy tính đà góp phần khẳng định hệ thống truyền động điện sử dụng thuật toán ước lượng nhận dạng thích nghi tham số hoàn toàn áp dụng cho hệ thống có yêu cầu cao dải điều chỉnh chất lượng điều chỉnh thực tế Hệ thống đạt đặc tính tĩnh động tốt Hơn hệ thống làm việc môi trường khắc nghiệt khác với kích thước nhỏ gọn giá thành hạ Với nghiên cứu này, phát triển nhận dạng số tham số khác động không đồng Nghiên cứu làm tiền đề cho việc phát triển cho việc nghiên cứu điều khiển Robot máy CNC thông minh 77 Một lần xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn đà quan tâm, dẫn để luận văn sớm hoàn thành, xin cảm ơn thầy cô Khoa Điện trường ĐHBKHN đà giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Hà Nội tháng 11 năm 2008 78 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt: [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (1998), Truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Phạm Công Ngô (1994), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa häc vµ Kü tht [3] Ngun Do·n Ph­íc (2005), Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nhà xuất Khoa häc vµ Kü tht [4] Ngun Phïng Quang, Andreas Dttrich (2004), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất Khoa häc Kü tht [5] Ngun Phïng Quang (1998), “§iỊu khiĨn tù ®éng trun ®éng ®iƯn xoay chiỊu ba pha”, Nhà xuất Giáo dục [6] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2005), Điều khiển động xoay chiều, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật TiÕng Anh: [7] D.W.Novontny, R D Lorenz (1985), “Introduction to field orientation and a high performance AC drive”, Publiccation Inductrial Drives Commititee IEEE Ind 79 [8] Haneda, A Nagao (1989), “Digitally controlled optimal position servo of induction motor”, IEEE Trans Ind Electron [9] M R Stojic, S N Vukosavic (1991), “Design of microprocessor-based system for positioning servomechanism with induction motor”, IEEE Trans Ind Electron [10] L F A Pereira, J F Haffner, H M Hemerly, H A Grundling (1998), “Direct Vector control for a servopositioner using an alternative rotor flux estimation algorithm”, IEEE International Electronics Conference IECON' [11] Hazzab A, Bouserhane I.K, Kamli M, (2004), “Design of a Fuzzy Sliding Mode Controller by Genetic Algorithms for Induction Machine Speed Control”, International Journal of Emerging Electric Power System [12] Wai R.J, Lin K.M, Lin C.Y (2001), “Total Sliding Mode Speed Control of Field- Orie­ted Induction Motor Servo Drive” IEEE Trans Ind [13] A.Maddi, A Guessoum, D Berkani, “Application the recursive extended least square method for modeling a speech signal” [14] Chung-Yuen Wan, Sei-Chan Kim, Bose, B.K (1992), “Robust position control of induction motor using fuzzy logiccontrol”, IEEE.Industry Applications Society Annual Meeting [15] T.C.Chen, J.U.Hsu, “A Fuzzy Sliding Mode Controller for Induction Motor Position Control” IEEE 80 [16] C Sahin, A Sabanovic, M Gokasan,(1995) , “Robust position control based on chattering free sliding modes for induction motors” Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, IEEE IECON [17] T.C Chen, J.U Hsu,(1994), “A fuzzy sliding mode controller for induction motor positioncontrol”, Industrial Electronics, Control and Instrumentation, IECON [18] Uddin, M.N Radwan, T.S Rahman, M.A (2002), “Performances of fuzzy-logic-based indirect vector control for induction motor drive”, IEEE Transactions on Publication [19] Chung-Yuen Wan; Sei-Chan Kim (1992), “Robust position control of induction motor using fuzzy logic control” , IEEE Volume, Issue [20] Greg Welch and Gary Bishop (2001), “An Introduction to the Kalman Filter” http://www.cs.unc.edu/~welch hc http://www.cs.unc.edu/~gb [21] T Kweon, D Hyun (1998), “High performance speed control of electric machine using Kalman Filter and self-tuing regulator”, IEEE Power Electronics Especialist Conference [22] H Kim, S Sul (1996), “A new motor speed estimator using Kalman Filter in low-speed range”, IEEE Trans Ind Electron [23] M D.Campos, A G Caratti, H.A Grundling (2000), “Design of a Position Servo with Induction Motor Using Self-Tuning Regulator and Kalman Filter” , IEEE 81 Phụ lục 1: Chương trình viết M_file cho lọc Klman %Chuong trinh Kalman_1 function [sys,x0,str,ts] = Kalman_1(t,x,u,flag,T,P_khoi_tao,C,R,Bm,G,Q,pc) switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes(T,P_khoi_tao); case 2, sys = mdlUpdate(t,x,u,T,C,R,Bm,G,Q,pc); case 3, sys = mdlOutputs(t,x,u,T); case {1,4,9} sys = []; otherwise error(['unhandled flag = ',num2str(flag)]); end function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes(T,P_khoi_tao) sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 9; % Ma tran P(k,k-1)_(3 hang, cot) % sau da chuyen vecto sizes.NumOutputs = 9; % Ma tran P(k,k-1)_(3 hang, cot) sizes.NumInputs = 12;% Ma tran P(k,k-1)_(3 hang, cot) va % (Momen tac dong, vi tri, Momen quan tinh) sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = P_khoi_tao;% Gia tri khoi tao cua bien trang thai hay matran P(k,k-1) % Lay tu file "Starting.m" 82 str = []; ts = [T 0]; function sys = mdlUpdate(t,x,u,T,C,R,Bm,G,Q,pc) %Step 1: Doc gia tri Input P = [u(1) u(2) u(3);u(4) u(5) u(6);u(7) u(8) u(9)];%Thu lai ma tran % P(k,k-1) %Step 2: Tinh ma tran K_k K_k = P*(C.')*inv(C*P*C.' + R);% Tinh K_k %Step 3: Tinh ma tran P(k,k) P_sao = (eye(3) - K_k*C)*P; %Tinh P(k,k) %Step 4: Tinh P(k+1,k) J = u(12);% Doc J tu khoi Rels A_k = [1-(T*Bm*pc/J) -(T*pc/J);T 0;0 1]; % Tinh A_k % Co the tinh theo kieu chinh xac hon nhu sau % A = [-(Bm*pc/J) -(pc/J);1 0;0 0] % B = [(pc/J) 0] % A_k = expm(T*A) % B_k = inv(A)*(expm(T*A)-eye(3))*B P_new = A_k*P_sao*A_k.' + G*Q*G.'; %Step 5: Chuyen ve vecto va gan bien trang thai sys = [P_new(1,1);P_new(1,2);P_new(1,3);P_new(2,1);P_new(2,2);P_new(2,3);P_new(3,1);P_ new(3,2);P_new(3,3)]; % Chuyen ve vecto va gan bien trang thai function sys = mdlOutputs(t,x,u,T) sys = x; 83 ... cho hệ thống hoạt động với chất lượng tốt chí làm việc vùng tốc độ thấp Trong luận văn sâu vào Nghi? ?n cứu hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao với động không đồng sử dụng điều khiển thích. .. cao chất lượng hệ thống điều khiển phi tuyến cho truyền động động không đồng bộ, chương tổng hợp nêu lên số phương pháp điều khiển hệ phi tuyến ứng dụng có hiệu vào hệ thống điều khiển động không. .. Chính vậy, động không đồng ngày sử dụng rộng rÃi, dần thay cho động chiều hệ thống truyền động chất lượng cao Các điều khiển PI, PD, PID đà sử dụng nhiều chất lượng điều khiển phụ thuộc vào điều kiện