Thiết kế điều khiển động cơ DC sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -BÙI VĂN SƠN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC Chun ngành: Điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Sau hồn thành tín chương trình đào tạo thạc sỹ kỹ thuật lớp 10BĐKĐ-DK khóa 2010 với chun ngành “Điều khiển Tự động hóa”, tơi nhận định giao đề tài luận văn: “Thiết kế điều khiển động DC sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xác” GS TSKH Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn Đề tài thực chất giới Việt Nam Hướng đề tài dựa sở đề tài có trước hồn thiện cấu trúc điều khiển thích nghi với tải Tơi xin cam kết luận văn hồn tồn khơng chép luận văn nào, số liệu tính tốn tự thực Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2013 Học viên thực Bùi Văn Sơn LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn GS TSKH Nguyễn Phùng Quang bảo tận tình, ln sẵn lịng giúp đỡ tơi lúc khó khăn, vướng mắc để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành tất thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn, dạy dỗ tơi suốt q trình học cao học Cuối xin cảm ơn tạo điều kiện mặt thời gian, động viên người gia đình, quan, đồng nghiệp suốt thời gian làm luận văn Danh mục ký hiệu, viết tắt MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Lý chọn đề tài: 12 1.2 Mục đích đối tượng nghiên cứu: 12 1.3 Tóm tắt nội dung đề tài: 13 1.4 Phương pháp nghiên cứu: 14 CHƯƠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 15 2.1 Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập: 15 2.2 Phương trình tốn học động điện chiều kích từ độc lập: 16 2.3 Phương trình trạng thái động điện chiều kích từ độc lập: 18 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC VÀO/RA 22 3.1 Cơ sở toán học: 22 3.1.1 Phương pháp tuyến tính hóa xác: 22 3.1.1.1 Phân biệt phương pháp tuyến tính hóa xác tuyến tính hóa điểm làm việc: 22 3.1.1.2 Các phương pháp tuyến tính hóa xác : 24 3.1.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác vào/ra: 25 3.1.2.1 Phương pháp tuyến tính hóa xác vào/ra cho hệ SISO: 25 Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Danh mục ký hiệu, viết tắt 3.1.2.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác vào/ra cho hệ MIMO: 28 3.2 Tuyến tính hóa xác vào/ra cho động điện chiều kích từ độc lập: 31 3.2.1 Xác định phép chuyển trục tọa độ: 31 3.2.2 Xác định khâu bù tuyến tính hóa mơ hình động cơ: 34 3.2.3 Thiết kế điều khiển tốc độ động cơ: 37 3.2.4 Thiết kế điều khiển từ thông động cơ: 39 3.3 Thiết kế điều khiển thích nghi với nhiễu tải: 40 3.4 Thiết kế quan sát mô men tải: 44 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRONG SIMULINK 46 4.1 Thông số mô phỏng: 46 4.2 Mơ hình động điện chiều kích từ độc lập: 47 4.3 Mơ hình khâu bù phần phi tuyến: 51 4.4 Mơ hình khâu tọa độ: 52 4.4.1 Khâu tọa độ trục X: 52 4.4.2 Khâu tọa độ trục  : 54 4.4.3 Khâu tọa độ trục Z: 55 4.5 Mơ hình điều khiển thích nghi với nhiễu tải: 55 4.6 Mơ hình khâu ước lượng nhiễu tải: 57 4.7 Mơ hình khâu quan sát mô men tải: 60 4.8 Mơ hình điều khiển đặt điểm cực cho điều khiển tốc độ điều khiển từ thông: 60 4.9 Sơ đồ khối mô điều khiển tốc độ từ thông phương pháp gán điểm cực: 64 4.10 Sơ đồ khối mơ điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải: 65 Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Danh mục ký hiệu, viết tắt CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 66 5.1 Mô phỏng: 66 5.1.1 Tín hiệu đặt: 66 5.1.2 Mô với tải số: 68 5.1.3 Mô với tải số có nhiễu: 72 5.1.4 Mô với tải dạng Ramp: 76 5.1.5 Mô với tải thay đổi có tính chu kỳ: 79 5.1.7 Mô đảo chiều động cơ: 81 5.1.7.1 Tạo tín hiệu đặt: 81 5.1.7.2 Đảo chiều không tải: 83 5.1.7.3 Đảo chiều có tải: 83 5.2 Kết luận 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Danh mục ký hiệu, viết tắt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT  ua điện áp đặt vào phần ứng  ia dòng điện động  La điện cảm dây quấn phần ứng  Ra điện trở dây quấn phần ứng  eb sức điện động cảm ứng  u f điện áp kích từ  i f dịng điện kích từ  L f điện cảm dây quấn kích từ  R f điện trở dây quấn kích từ   f từ thơng cuộn kích từ  r tốc độ động  Te mô men điện từ động  TL mô men tải động  TLN mô men tải ổn định động (coi số)  J mơ men qn tính động   gia tốc động  j đạo hàm gia tốc động  d  TL  TLN nhiễu mô men tải  d  d  dˆ sai lệch nhiễu giá trị nhiễu ước lượng  C1, C2 , C3 , C4 , C4 , C6 hệ số   vị trí góc động Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Danh mục ký hiệu, viết tắt  va , v f biến đầu vào khâu bù thiết kế điều khiển thích nghi với nhiễu  w1 , w2 biến đầu vào khâu bù thiết kế điều khiển đặt điểm cực  varef , vbref giá trị đặt cho đầu vào va , v f  ref , ref , jref giá trị đặt cho tốc độ, gia tốc đạo hàm gia tốc động  ref ,ref ,ref giá trị đặt cho từ thông, đạo hàm từ thông đạo hàm bậc hai từ thông  A, B, C ma trận hệ thống sau thực tuyến tính hóa  G ma trận tách kênh hệ thống sau tuyến tính hóa  G11  s  , G12  s  , G21  s  , G22  s  hàm ma trận G  Am , Bm ma trận mô hình mẫu  K a1, K a , K a hệ số điều khiển tốc độ  K f , K f hệ số điều khiển từ thông  K1, K2 , K3 , K4 hệ số ma trận mơ hình mẫu  l1 , l2 hệ số quan sát  ra1 , ra , ra lác điểm cực điều khiển tốc độ  rf , rf điểm cực điều khiển từ thông  a1, a2 , a3 , a4 điểm cực mơ hình mẫu   p1 ,  p2 điểm cực quan sát  n bậc hệ thống  r bậc tương đối hệ thống Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Danh mục ký hiệu, viết tắt  m  x  ma trận nhiễu tải  g1  x  ma trận hàm biến đầu vào điện áp phần ứng  g2  x  ma trận hàm biến đầu vào điện áp kích từ  x véc tơ biến trạng thái kích thước [n x 1]  u véc tơ biến đầu vào kích thước [m x 1]  y véc tơ biến điều khiển đầu kích thước [m x 1]  f  x  véc tơ hàm phi tuyến có kích thước [n x 1]  g  x  ma trận hàm phi tuyến có kích thước [n x m]  h  x  véc tơ hàm phi tuyến có kích thước [m x 1]  J  x  ma trận tách kênh hệ MIMO  P, Q ma trận đối xứng xác định dương phương trình Lyapunov  P11 , P12 , P13 , P14 hệ số hàng ma trận P   véc tơ phép chuyển trục tọa độ kích cỡ [r x 1]   véc tơ hệ thống nội kích cỡ [(n-r) x 1]  z véc tơ chuyển trục tọa độ có tính thêm nhiễu tải kích cỡ [r x 1]   hệ số phương trình Lyapunov   hàm động học nội  SISO hệ thống đầu vào, đầu  MIMO hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu  ĐCĐMC động điện chiều  KTĐL kích từ độc lập  TTHCX tuyến tính hóa xác Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Danh mục bảng DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Mô tả Bảng 4.1 Thông số động 46 Bảng 4.2 Tham số mơ hình tốn học mơ tả động 46 Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang Trang Chương Mô kết luận 5.1.3 Mơ với tải số có nhiễu: Tại thời điểm t = 10s ta đóng tải số vào, nhiên tải ta bổ xung thêm thành phần nhiễu vào để khảo sát đáp ứng dòng điện tốc độ Khâu tạo tải có nhiễu xây dựng hình 5.11 Trong Random Number ta chọn Variance = Hình 5.11 Khâu tạo tải số có nhiễu (Nm) (s) Hình 5.12 Mômen tải mômen tải ước lượng trường hợp tải số có nhiễu Ta thấy mặt giá trị trung bình mơmen tải ước lượng bám giá trị trung bình mơmen tải Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 72 Chương Mơ kết luận Hình 5.13 đáp ứng dòng điện phần ứng tốc độ dùng điều khiển đặt điểm cực thông thường Hình 5.15 đáp ứng dịng điện phần ứng tốc độ dùng điều khiển đặt điểm cực bổ sung thành phần tích phân điều khiển tốc độ Hình 5.17 điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải Chúng ta thấy mơmen tải có nhiễu tốc độ giữ tương đối ổn định ba điều khiển Trong dùng điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải có đáp ứng “mượt” Quan sát đoạn phóng to đóng tải vào hình 5.14, hình 5.16 hình 5.18 ta thấy điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải cho đáp ứng nhanh (A) (rad/s) (s) Hình 5.13 Đáp ứng dòng điện phần ứng tốc độ với điều khiển đặt điểm cực thông thường trường hợp tải có nhiễu Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 73 Chương Mô kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.14 Đáp ứng dòng điện phần ứng tốc độ với điều khiển đặt điểm cực thông thường trường hợp tải số có nhiễu (A) (rad/s) (s) Hình 5.15 Đáp ứng dòng điện tốc độ với điều khiển đặt điểm cực bổ sung thành phần tích phân trường hợp tải số có nhiễu Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 74 Chương Mơ kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.16 Đáp ứng dịng điện tốc độ phóng to đoạn đóng tải với điều khiển đặt điểm cực bổ sung thành phần tích phântrường hợp tải số có nhiễu (A) (rad/s) (s) Hình 5.17 Đáp ứng dòng điện tốc độ với điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải trường hợp tải số có nhiễu Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 75 Chương Mô kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.18 Đáp ứng dịng điện tốc độ phóng to thời điểm đóng tải với điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải trường hợp tải số có nhiễu 5.1.4 Mơ với tải dạng Ramp: Tại thời điểm t = 10s ta đóng tải vào, tải có giá trị tăng dần (tuyến tính) giữ ổn định t = 15s Mơmen tải biểu diễn sau: t  10s 0  TL  10  t  10  10s  t  15s 50 t  15s  Để thực tải ta xây dựng SIMULINK sau: Hình 5.19 Khâu tạo tải dạng Ramp Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 76 Chương Mô kết luận Mômen tải mômen tải ước lượng hình 5.20 Ta thấy mơmen tải ước lượng bám tương đối tốt mômen tải, sai số gần khơng, tốc độ bám nhanh (Nm) (s) Hình 5.20 Mômen tải mômen tải ước lượng trường hợp tải ramp (A) (rad/s) (s) Hình 5.21 Đáp ứng dịng điện phần ứng tốc độ với điều khiển đặt điểm cực thông thường trường hợp tải ramp Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 77 Chương Mô kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.22 Đáp ứng dịng điện tốc độ với điều khiển đặt điểm cực bổ sung thành phần tích phân trường hợp tải dạng ramp (A) (rad/s) (s) Hình 5.23 Đáp ứng dịng điện tốc độ với điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải trường hợp tải dạng ramp Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 78 Chương Mô kết luận Đáp ứng dòng điện tốc độ hai điều khiển tốt, điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải cho đặc tính phẳng 5.1.5 Mơ với tải thay đổi có tính chu kỳ: Ta thực đóng tải thay đổi có tính chu kỳ vào thời điểm t = 10s xây dựng SIMULINK với cấu trúc hình 5.25 Hình 5.25 Khâu tạo tải thay đổi có tính chu kỳ Mơmen tải ước lượng từ quan sát bám tốt theo đường mômen thật hình 5.26, có sai số có thay đổi đột ngột mơmen thật (Nm) (s) Hình 5.26 Mômen mômen tải ước lượng trường hợp tải thay đổi có tính chu kỳ Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 79 Chương Mơ kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.27 Đáp ứng dòng điện tốc độ với điều khiển đặt điểm cực thông thường trường hợp tải thay đổi có tính chu kỳ (A) (rad/s) (s) Hình 5.28 Đáp ứng dòng điện tốc độ với điều khiển đặt điểm cực bổ sung thành phần tích phân trường hợp tải thay đổi có tính chu kỳ Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 80 Chương Mô kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.29 Đáp ứng dịng điện tốc độ với điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải trường hợp tải thay đổi có tính chu kỳ Mặc dù tải thay đổi liên tục điều khiển cho chất lượng điều khiển tốt, điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu cho dao động đáp ứng tốc độ thời gian xác lập nhanh 5.1.7 Mô đảo chiều động cơ: 5.1.7.1 Tạo tín hiệu đặt: Để thực đảo chiều động ta xây dựng tạo tín hiệu đặt điểm cực tốc độ hình 5.30 Tín hiệu đảo chiều thời điểm t = 20s, đơn giản ta mô với tải số Ngồi để mơ cho phù hợp với thực tế tốc độ động khơng mơ men tải đảo chiều nên ta đưa tín hiệu tốc độ vào khâu so sánh Khi phát tốc độ xuống qua điểm khơng mơmen tải đảo chiều Ý tưởng thực hình 5.31 Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 81 Chương Mô kết luận (rad/s) (rad/s2) (rad/s3) (s) Hình 5.30 Đáp ứng tín hiệu đặt động có đảo chiều Hình 5.31 Khâu tạo thay đổi mômen đảo chiều động Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 82 Chương Mô kết luận 5.1.7.2 Đảo chiều không tải: Khi thực đảo chiều không tải ta thu đáp ứng dòng điện phần ứng tốc độ ba điều khiển hình 5.32 Đáp ứng tốc độ hồn tồn bám theo tín hiệu đặt (A) (rad/s) (s) Hình 5.32 Đáp ứng dòng điện phần ứng tốc độ đảo chiều khơng tải 5.1.7.3 Đảo chiều có tải: Kết mô tương ứng với ba điều khiển hình 5.33, hình 5.34 hình 5.35 Ta thấy đáp ứng ba điều khiển tốt, tốc độ bám sát theo tín hiệu đặt Trong điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải cho chất lượng tốt nhất, đáp ứng tốc độ đầu tương đối “mượt”, thời gian đáp ứng nhanh hai điều khiển đặt điểm cực Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 83 Chương Mô kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.33 Đáp ứng dịng điện phần ứng tốc độ với điều khiển đặt điểm cực thơng thường trường hợp có đảo chiều động với tải (A) (rad/s) (s) Hình 5.34 Đáp ứng dịng điện phần ứng tốc độ với điều khiển đặt điểm cực bổ sung thành phần tích phân trường hợp đảo chiều có tải Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 84 Chương Mô kết luận (A) (rad/s) (s) Hình 5.35 Đáp ứng dòng điện phần ứng tốc độ động với điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải trường hợp đảo chiều có tải 5.2 Kết luận Trong luận văn ta thực thuật toán điều khiển tuyến tính hóa xác vào/ra cho động điện chiều kích từ độc lập tải đầu vào thay đổi trước Bằng việc xây dựng quan sát mômen tải ta ước lượng mômen tải với tốc độ bám nhanh tốc độ vịng điều khiển bên ngồi bám sát với mômen tải thật Kể mômen tải có nhiễu tốc độ đầu giữ ổn định Khi sử dụng thuật toán điều khiển tuyến tính hóa xác vào/ra với điều khiển tuyến tính thơng thường chất lượng thấp mơ hình thực chất khơng tuyến tính hóa hồn toàn Để khắc phục luật điều khiển tốc độ ta bổ sung thêm thành phần tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh Bộ điều khiển cho chất lượng tương đối tốt nhiên thời gian đáp ứng chậm Ta khắc phục nhược điểm điều khiển MIMO thích nghi với nhiễu tải thu chất lượng tốt Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 85 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Phạm Đăng Khoa (2012), Nghiên cứu so sánh hai phương án diều khiển động DC sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xác vào/ra trạng thái, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Điều khiển tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Dỗn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB KHKT, Hà Nội Tiếng Anh Richard C.Dorf, Robert H.Bishop (2011), Modern control systems twelfth edition, Prentice Hall, New Jersey, USA Marc Bodson and John Chiassion (1998), Differential-Geometric method for control of electric motors, Internaltional Journal of Robust and Nonlinear Control 8, p 923-954, John Wiley & Son Ltd, New Jersey, USA Arun D.Mahindrakar (2004), Lecture notes on nonlinear control techniques, Systems and Control Engineering Indian Institute of Technology, Bombay Mumbai Martin Ondera (2008), NelinSys a MATLAB-based toolbox for analysis and synthesis of nonlinear control systems, website: http://www.kar.elf.stuba.sk/~mondera/help/demo_exakt.html#mimo Thiết kế điều khiển ĐCĐMC sử dụng phương pháp TTHCX Trang 86 ... 3.1.1 Phương pháp tuyến tính hóa xác: 22 3.1.1.1 Phân biệt phương pháp tuyến tính hóa xác tuyến tính hóa điểm làm việc: 22 3.1.1.2 Các phương pháp tuyến tính hóa xác : 24 3.1.2 Phương. .. 31 3.2.2 Xác định khâu bù tuyến tính hóa mơ hình động cơ: 34 3.2.3 Thiết kế điều khiển tốc độ động cơ: 37 3.2.4 Thiết kế điều khiển từ thông động cơ: 39 3.3 Thiết kế điều khiển thích... thái phi tuyến Hình 3.1 Mơ tả phương pháp tuyến tính hóa xác Phương pháp tuyến tính hóa xác đề cập trọng chủ yếu tuyến tính hóa xác cục (bao gồm chuyển trục tọa độ luật điều Thiết kế điều khiển