Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ am châm vĩnh cửu bằng phương phap điêu khiên phi tuyến tựa theo thu đông (passivity based)

1 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MAI VƢƠNG SONG ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TƢ̣ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) MAI VƢƠNG SONG TƢ̣ ĐỘNG HÓA TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) Ngành: TƢ̣ ĐỘNG HÓA Học Viên: MAI VƢƠNG SONG Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƢ HIỂN THÁI NGUYÊN – 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 3 Độc lập - Tự - Hạnh phúc Chuyên ngành: Tự động hóa - LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh Nơi công tác Cơ sở đào tạo Chun ngành Khóa học Ngày giao đề tài Ngày hồn thành đề tài : : : : : : : : : Mai Vƣơng Song Ngày 03 tháng 08 năm 1976 Thị xã Phú Thọ - Tỉnh Phú Thọ Trƣờng Cao đẳng nghề Công nghệ Nông lâm Phú Thọ Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tự động hóa K12- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TƢ̣A THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based) Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Mai Vƣơng Song BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MỞ ĐẦU Năng lƣợng vấn đề quan trọng xã hội Ở quốc gia nào, lƣợng nói chung lƣợng điện nói riêng ln ln đƣợc coi ngành cơng nghiệp mang tính chất xƣơng sống cho phát kinh tế Việc sản xuất sử dụng điện cách hiệu đƣợc coi trọng cách đặc biệt Ý nghĩa quan trọng mục tiêu cao ngành công nghiệp then chốt nhằm nâng cao đời sống ngƣời dân Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt nhân dân không ngừng đƣợc nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện Tốc độ phát triển sản xuất cơng nơng nghiệp nƣớc địi hỏi phát triển tƣơng ứng ngành công nghiệp điện lực Do yêu cầu ngành chế tạo máy điện có yêu cầu cao Do nhu cầu lƣợng giới nƣớc ta ngày tăng Việc nâng cao hiệu suất lƣợng hệ truyền động sử dụng động điện trở nên quan trọng hết Với mục đích bảo tồn lƣợng hệ truyền động, Yaskawa Electric phát triển loại động hiệu suất cao có đặc điểm mơmen quay tăng cƣờng kích cỡ nhỏ so với động điện cảm ứng AC thông thƣờng Động đồng IPM sử dụng nam châm vĩnh cửu bên đƣợc gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo mật độ thông lƣợng khả phân phối mạnh góp phần làm cho mômen quay tốt Trong ứng dụng mômen quay lớn, IPM đem lại nhiều lợi ích Chẳng hạn máy cơng cụ, giảm thiểu lƣợng nhiệt thất thốt, khơng góp phần tiết kiệm lƣợng mà cịn giúp trì độ xác máy công cụ Tƣ̀ nhƣ̃ng đánh giá quan trọng chúng ta cần phải tiến hành nghiên cƣ́u phƣơng pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật đại vào việc đ iều khiển động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu viết tắt KTVC) cho có hiệu suất chất lƣợng cao Từ góp phần xây dựng đất nƣớc ngày văn minh, giàu đẹp đại Trong thời gian qua đã có một số công trì nh nghiên cƣ́u tổng hợp kỹ thuật , thuật toán điều khiển hệ thống điều khiển động đồng KTVC nhằm khai thác tốt tính vƣợt trội vô cùng quý giá Trong khuôn khổ đề tài này, tơi đƣa thuật tốn thiết kế điều khiển phi tuyến dựa thụ động Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 5 Chuyên ngành: Tự động hóa (Passivity – Based) nhằm thấy đƣợc tính khả thi việc áp dụng phƣơng pháp để tạo mật độ thông lƣợng khả phân phối mạnh góp phần làm cho mơmen quay tốt hơn, từ cải thiện chất lƣợng hệ thống điều khiển Sau đƣợc kiểm tra tính đắn thuật tốn hệ thớng điều khiển động đồng KTVC mô Matlab-Simulink.- Plecs Nội dung đề tài chia làm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến áp dụng cho động động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu) Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống Chương 3: Áp dụng phƣơng điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho hệ thống Chương 4: Mô đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển Trong trình tiến hành làm luận văn, mặc dù đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo hƣớng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển thân em cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu cơng trình nghiên cứu, cơng bố tạp chí ấn phẩm khoa học, xong luận văn khơng thể tránh khỏi đƣợc thiếu sót Em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp nhận xét đánh giá quý báu thầy cô giáo, nhà nghiên cứu khoa học quan tâm đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Em xin trân thành cảm ơn sâu sắc tới hƣớng dẫn tận tình chu đáo thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng thầy , cô giáo khác nhƣ thầy Đặng Danh Hoằng và các Thầy , Cô giáo khác đã giúp đỡ chuyên môn tài liệu làm cho em có đƣợc luận văn hồn chỉnh, sâu sắc Em xin trân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trƣờng Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi mặt để em hoàn thành khóa học Em xin trân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Ngƣời thực Mai Vƣơng Song Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Lý thuyết điều khiển kinh điển đời sớm có nhiều đóng góp lĩnh vực điều khiển học kỹ thuật nhƣ: Trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phịng, an ninh, hàng hải, hàng khơng, Việc tổng hợp hệ điều khiển kinh điển chia thành hai loại: Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính hệ điều khiển phi tuyến Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trƣớc hết độ ổn định trạng thái vịng kín Trong hệ thống tuyến tính, điều đạt đƣợc cách thay trực tiếp cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng lý thuyết đặc biệt (thƣờng dựa học thuyết Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến trình động học bên hệ thống Khả đáp ứng biến đổi chức khác từ việc nhận dạng mơ hình việc chọn phƣơng thức điều khiển Khi khảo sát hệ tuyến tính, đại đa số phần tử phần tử tuyến tính, việc phân tích tổng hợp theo phƣơng pháp tuyến tính điều kiện định Chỉ cần có phần tử hệ phi tuyến hệ phải đƣợc xem phi tuyến Hệ phi tuyến tồn dƣới hai hình thức: Một khâu phi tuyến có sẵn hệ điều khiển đƣợc xem nhƣ phần tử tuyến tính; Một khuếch đại điện tử hay bán dẫn đƣợc xem phần tử tuyến tính có vùng nhạy bão hòa, nên xét cho cùng phần tử phi tuyến Hai khâu phi tuyến đƣợc ngƣời thiết kế đƣa vào nhằm đạt đƣợc chế độ hay kết mong muốn điều khiển Do việc tổng hợp điều khiển cho đối tƣợng tuyến tính có đủ cơng cụ lý thuyết để thực hiện, cơng việc cịn lại chọn phƣơng pháp điều khiển phù hợp cho đối tƣợng cần điều khiển cụ thể mà Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chƣa phát triển việc tổng hợp điều khiển phi tuyến khó khăn Do đó, cách giải đa số trƣờng hợp đối tƣợng phi tuyến qua bƣớc, mơ hình đối tƣợng phi tuyến đƣợc tuyến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 7 Chun ngành: Tự động hóa hố, sau mơ hình xấp xỉ tuyến tính đƣợc sử dụng để định luật điều khiển lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên, nhiều trƣờng hợp, đặc biệt yêu cầu tối ƣu hệ thống đƣợc đặt việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế điều khiển cho đối tƣợng phi tuyến khó Bởi sử dụng mơ hình xấp xỉ tuyến tính đối tƣợng có nghĩa ta phá vỡ cấu trúc vật lý đối tƣợng Vì vậy, xuất phát từ nhu cầu thực tế, việc phát triển hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cần thiết thiết thực Nhiều năm trở lại có nhiều tác giả xây dựng cách có hệ thống cơng cụ lý thuyết để giải toán điều khiển áp dụng cho đối tƣợng phi tuyến Tuy nhiên, khơng giống nhƣ hệ tuyến tính, hệ phi tuyến phức tạp đa dạng, nên việc xây dựng hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho hệ phi tuyến khơng thể Vì nhiều tác giả thấy để lý thuyết điều khiển phi tuyến ứng dụng cách thiết thực thực tế cần phải phân loại thành hệ phi tuyến riêng biệt có tính chất định, đặc trƣng cho lớp đối tƣợng thuộc hệ phi tuyến cụ thể, để từ xây dựng hệ thống lý thuyết có khả ứng dụng cho hệ thống phi tuyến Để phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến cách thực dụng, ta phải xem xét đối tƣợng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý phải đƣợc tính đến từ đầu q trình thiết kế Các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến hệ thống tự động hóa đƣợc hình thành, phát triển đạt đƣợc nhiều kết quan trọng Đặt móng ban đầu phải nói đến phƣơng pháp điều khiển phi tuyến kinh điển nhƣ phân tích tính ổn định tuyệt đối, mặt phẳng pha, cân điều hòa, điều khiển trƣợt, … Sau đến phƣơng pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain scheduling … sau công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải đƣợc toán tốc độ xử lý thời gian tính tốn Do kỹ thuật máy tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vƣợt bậc, ngƣời có khả tính đƣợc nhiều phép tính phức tạp nhanh gấp hàng triệu lần so với trƣớc thi phƣơng pháp điều khiển đại, điều khiển thông minh đời Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 8 Chuyên ngành: Tự động hóa nhƣ điều khiển chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thụ động (Passitivy-based), … Đây mảng lý thuyết điều khiển đƣợc ứng dụng năm gần đƣợc áp dụng để thiết kế điều khiển thơng minh kể đến thuyết điều khiển logic mờ, lý thuyết mạng Nơron, thuật tốn di truyền, vector khơng gian, … Để giải phƣơng trình phi tuyến, ngồi phƣơng pháp giải tích đồ thị ngày dùng phƣơng pháp phổ biến dùng máy tính số để mơ hình hóa tìm đáp số tốn dựa vào phần mềm ngày hoàn thiện nhƣ MATLAB Sau phân tích khái quát số phƣơng pháp điều khiển 1.1.1 Điều khiển tuyến tính hóa xác Khi phân tích, khảo sát đối tƣợng phi tuyến ngƣời ta thƣờng tìm cách tuyến tính hố đối tƣợng đối tƣợng tuyến tính thoả mãn nguyên lý xếp chồng nên việc phân tích khảo sát nói chung tiện lợi Hơn ta áp dụng phƣơng pháp tổng hợp điều khiển tuyến tính vốn phong phú sẵn có nhƣ Tuy nhiên phƣơng pháp tuyến tính hố mà sử dụng nhiều bất cập hạn chế Nội dung phƣơng pháp tuyến tính hố xác thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho đối tƣợng phi tuyến (ĐTPT) cho hệ kín trở thành tuyến tính Khác với việc tuyến tính hoá xấp xỉ lân cận điểm làm việc, điều khiển tuyến tính hố xác đảm bảo tính chất tuyến tính cho hệ thống tồn khơng gian trạng thái Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hố xác hệ phi tuyến, hệ có đặc điểm vào-ra tuyến tính tồn khơng gian trạng thái Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 9 Chuyên ngành: Tự động hóa Bộ điều khiển đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang lại chất lƣợng cao phƣơng pháp điều khiển phi tuyến Điều khiển hệ phi tuyến phƣơng pháp tuyến tính tuyến tính hóa dựa sở “hình học vi phân” Theo phƣơng pháp ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi trạng thái thông qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đƣa đối tƣợng phi tuyến dạng tuyến tính tồn không gian trạng thái (trong hệ tọa độ mới) Ở phƣơng pháp ta phải xác định đƣợc giá trị biến trạng thái cần phản hồi đo trực tiếp nhờ thiết bị cảm biến đo gián tiếp thơng qua quan sát trạng thái, quan sát khoảng thời gian đủ lớn Phƣơng pháp có triển vọng lớn song khơng phải khơng có nhƣợc điểm Nhƣợc điểm phải xác định đƣợc xác giá trị biến trạng thái đối tƣợng (thông thƣờng đo trực tiếp sensor) để phản hồi điều khiển, nhƣng thực tế lúc biến trạng thái đo trực tiếp đƣợc mà phải thông qua quan sát trạng thái Điều làm khó khăn q trình thiết kề điều khiển, thông qua quan sát có sai số q trình tính tốn, thiết kế điều khiển theo phƣơng pháp khó khăn q trình tính tốn việc tính tốn thiết kế quan sát trạng thái 1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling Kỹ thuật gain scheduling dạng đặc biệt phản hồi phi tuyến Tuy chƣa có định nghĩa chặt chẽ hồn hảo thuật ngữ gain scheduling nhƣng ta hiểu điều chỉnh tuyến tính mà tham số đƣợc thay đổi nhƣ hàm điểm làm việc theo cách đƣợc lập trình trƣớc Tồn kỹ thuật Gain scheduling đƣợc [1] trình bày nhiều trƣờng hợp, động học trình thay đổi theo điều kiện q trình đó, tham số điều khiển thay đổi cách quan sát điều kiện làm việc trình Tồn kỹ thuật Gain scheduling đƣợc thể sơ đồ khối sau: Hình 1.2 Kỹ thuật Gain scheduling Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật  10  Chuyên ngành: Tự động hóa 1.1.3 Phƣơng pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha Dùng cho hệ phi tuyến bậc 2, phƣơng pháp dựa thông tin cần thiết hệ thống từ mơ hình sơ đồ khối nhƣ “điểm cân điểm dừng hệ thống”, “tính ổn định xác định miền ổn định tương ứng hệ” khả tồn dao động để phân tích hệ thống từ rút những kết luận tính chất động học hệ thống Bằng việc phân tích đƣờng quỹ đạo trạng thái khép kín để rút kết luận chất lƣợng phi tuyến Phƣơng pháp tƣởng nhƣ đơn giản, song việc phân tích chất lƣợng động học hệ thống sở phân tích dạng đƣờng quỹ đạo trạng thái Do có hạn chế áp dụng đƣợc cho hệ thống có tối đa hai biến trạng thái xây dựng đƣợc đồ thị đƣờng cong mặt phẳng cách tƣơng đối xác Cụ thể cách phân tích, đánh giá xây dựng phƣơng pháp điều khiển đƣợc [1] thể rõ 1.1.4 Phƣơng pháp backstepping Xuất vào năm cuối thập kỷ 80, Phƣơng pháp backstepping (hay đƣợc gọi phƣơng pháp chiếu) đƣợc đánh giá công cụ thiết kế đầy triển vọng cho số lớp hệ thống phi tuyến Dựa cách tính tốn đệ qui, phƣơng pháp cho phép tính dần hàm điều khiển Lyapunov (clf-control Lyapunov function) Theo P.Kokotovíc M.Arcak (tài liệu [7]), tƣ tƣởng thiết kế theo kiểu chiếu tích phân xuất cơng trình Tsinias (1989), Sontag Sussmann (1988) Tuy nhiên, tƣ tƣởng thực thể sức mạnh đƣợc áp dụng cho hệ thống có thành phần khơng chắn (uncertaintly) Với phƣơng pháp chiếu bền vững (robust backstepping), Kanellakopoulos hực xây dựng điều khiển ổn định cho đối tƣợng với tham số mơ hình khơng rõ (unknown parameters) Với hệ có nhiễu loạn (disturbance), Freeman Kokotovíc đƣa phƣơng pháp xây dựng điều khiển phản hồi chiếu thích nghi (adaptive backstepping) Với mơ hình đối tƣợng có tham số khơng chắn (uncertainty), phƣơng pháp chiếu tích phân (integral backstepping) đƣợc áp dụng kết hợp với biện pháp tắt dần phi tuyến (nonlinear damping) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật  89  Chuyên ngành: Tự động hóa Với  = s 3.2.4 Tổng hợp điều chỉnh thành phần isd Để đặt toán điều chỉnh thành phần isd, ta đặt biến isd biến điều khiển với giá trị mong muốn i*sd đƣợc lấy từ điều chỉnh mơ men thơng qua khâu tính tốn giá trị đặt (GTĐ) Bộ điều chỉnh tựa thụ động (viết tắt: PBC) đƣợc xây dựng theo nguyên tắc nhƣ đƣợc trình bày Ở ta cần phải tác động vào tín hiệu điều khiển tín hiệu dạng K(s).isd - gọi tín hiệu suy giảm, K(s) gọi hệ số suy giảm Theo (3.33), tín hiệu điều khiển có dạng : usdPBC  u *sd  K (ωs ).isd (3.35) Trong đó: uPBC điện áp điều khiển PBC tạo u*sd điện áp rotor thành phần theo trục d mong muốn động isd  isd  isd* sai lệch dòng điện rotor thành phần theo trục d giá trị đặt giá trị lấy từ điều khiển mô men Mặt khác từ (1.46) ta suy ra: u*sd di*sd Lsd *  Lsd  isd  Lsq ωsi*sq dt Tsd (3.36) Thay (3.36) vào (3.35) ta đƣợc: PBC usd  Lsd di*sd L  sd i*sd  Lsq ωsi*sq  K( ωs )( isd  i*sd ) (3.37) dt Tsd Với K() hệ số suy giảm đƣợc chọn cho hàm trữ lƣợng biến điều khiển giữ đƣợc đặc điểm thụ động (3.34) Vậy điều khiển thành phần ird viết dƣới dạng: PBC usd di*sd a  bi*sd  cωsi*sq  K( ωs )( isd  i*sd ) dt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN (3.38) http://www.lrc-tnu.edu.vn  90  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 3.2.5 Tổng hợp điều chỉnh thành phần isq Để đặt toán điều chỉnh thành phần isq, ta đặt biến isq biến điều khiển với giá trị mong muốn i*sq đƣợc lấy từ điều chỉnh mơ men thơng qua khâu tính toán giá trị đặt GTĐ Tƣơng tự nhƣ thành phần ird ta cần phải tác động vào tín hiệu điều khiển tín hiệu dạng (K(s) isq - gọi tín hiệu suy giảm, K(s) gọi hệ số suy giảm Tín hiệu điều khiển có dạng: u sqPBC  u*sq  K (s ).isq Trong đó: (3.39) uPBC điện áp điều khiển PBC tạo u*sq điện áp rotor thành phần ngang trục q mong muốn động isq  isq  isq* sai lệch dòng điện rotor giá trị đặt giá trị lấy từ điều khiển mô men Từ (1.46) ta suy ra: u*sq  Lsq di*sq dt  Lsq Tsq i*sq  Lsd si*sd  s *p (3.40) Thay (3.40) vào (3.39) ta đƣợc: PBC usq  Lsq di*sq dt  Lsq Tsq * i*sq  Lsd s i*sd  s *p  K(  )( isq  isq ) (3.41) Vậy điều khiển thành phần irq viết dƣới dạng: PBC usq c di*sq dt  b' i*sq  asi*sd  s *p  K(  )( isq  i*sq ) (3.42) Với K() hệ số suy giảm đƣợc chọn cho hàm trữ lƣợng biến điều khiển giữ đƣợc đặc điểm thụ động (3.34) Từ điều chỉnh dịng tựa thụ động ta thấy đảm bảo tách kênh nhờ bù liên kết ngang thành phần s.isd s.isq bù đƣợc thông số khác nhƣ điện áp lƣới, từ thông stator tốc độ rotor Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật  91  Chuyên ngành: Tự động hóa Từ điều chỉnh dòng tựa thụ động (3.38); (3.42) sơ đồ hình 2.1, ta xây dựng đƣợc cấu trúc hệ thống điều khiển động đồng kích thích vĩnh cửu theo phƣơng pháp điều khiển tựa theo thụ động nhƣ hình 2.2 Phƣơng trình lọc điều khiển tốc độ J *  *   z  mW m  zp  ~   z   az  b (3.43) Trong giá trị tốc độ đặt * đƣợc xác định dựa giá trị sản lƣợng đặt Qđặt khối lƣợng m(Kg) đƣợc lấy từ đầu đo khối lƣợng Nó đƣợc xác định nhƣ sau:  *  nđ 2 Qđăt 2  kv 60 m 60 (3.44) với kv hệ số quy đổi từ vận tốc dài vận tốc quay phụ thuộc vào kết cấu khí hệ thống Nhƣ theo (3.38) (3.42) ta có cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo thụ động cho hệ thống cân băng định lƣợng sử dụng động đồng KTVC Nhƣ hình 3.5 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  92  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa uDC isd* Khâu ĐCD usd MTu isq* usa ejs usq isd* isq* tr ts tt usb ĐCVTKG p* isa isd isq Lọc e-js isu isv isb s * 3~  ĐCĐB Khâu ĐC  Khâu GTĐ p* IE Qđặt Quy đổi  Đầu đo khối lƣợng Hình 3.5- Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  93  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 SƠ ĐỒ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG MƠ HÌNH MATLAB- SIMULINK Về lý thuyết, tín hiệu điều khiển lớn Ví dụ nhƣ, ta cần đáp ứng đầu đối tƣợng điều khiển bám đƣợc giá rị đặt nhanh, hiển nhiên tín hiệu điều khiển phải lớn Nhƣng thực tế tín hiệu điều khiển bị hạn chế khả cung cấp điện áp tối đa thiết bị, nên mô hình điều khiển có thêm khâu hạn chế đầu điều khiển Hình 4.1 sơ đồ khối điều khiển mơ hình Matlab&Simulink In1 Isd* isd* tinh gia tri dong isd* Isd W'p Isq* Isq* Step Usd In1 n Out1 In1 Omega Toc n To Workspace2 Usq In2 Out2 In2 Toc quay isq m* tu thong isq isd tinh gia tri dong isq* In3 So sanh toc Out3 In3 OmegaS omega Subsystem1 Vs MT W*p Toc goc vs Subsystem Bo dieu khien dong In1 momendat In momentai In3 Subsystem2 t Clock Out1 Qtt -KDivide To Workspace1 -C- Gain2 Q dat He so quy doi toc Divide1 Product So sanh Q Out1 0.002s+1 Bo loc1 Q To Workspace Loadcell Hình 4.1: Sơ đồ điều khiển Matlab-Simulink Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  94  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 4.1.1 Sơ đồ điều khiển PCB mơ hình Matlab-Simulink 4.1.1.1 Khối điều khiển dòng isd* isd* Isd Isd Isq* Usd Isq* Saturation Usd omega_s isq D(w) omega Bo dieu khien dong phan d W*p isd* Isq* Isq omega D(w) Usq omega_s Saturation1 D(w)1 W*p D(w) Bo dieu khien dong phan q s Vs Integrator 4.1.1.2 Các khâu tính tốn giá trị đặt * Khâu tính tốn giá trị dịng đặt i sd* Tu thong dat -C1 Tu thong Isd* Divide -CLsd * Khâu tính tốn giá trị dịng đặt isq* 1 W'p Divide m* Saturation1 Isq* 1/3 Gain2 tu thong Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Usq  95  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật * Khâu tính tốn hệ số suy giảm Chuyên ngành: Tự động hóa K( ws ) -K1 omega Product e K(w) Constant * Điều khiển tốc độ tính tốn mơ men -K- w* Gain2 s Integrator w Gain3 du/dt Derivative1 -K- mM* Gain4 Mt MT Step1 Step2 * Khâu tính tốn vận tốc đặt  * Out1 Divide Omega dat Q dat Out1 Loadcell Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  96  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 4.2 THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 Tham số động Điện trở stator: Rs = 0,57  Điện cảm Stator đo vị trí đỉnh cực: Lsd = 0,00872 H Điện cảm Stator đo vị trí ngang cực: Lsq = 0,0228 H Mơmen qn tính: 0,004 Nm Số đơi cực: z p  4.2.2 Tham số điều khiển - Tham số điều khiển PCB: e = 0.04,d = 10 - Tham số điều khiển tốc độ: a = 6;b = 100 - Hệ số quy đổi kv = 30 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.3.1 Kết mô tốc độ 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.2: Tốc độ đặt tốc độ động hệ thống hoạt động với sản lượng đặt Q = 100 kg/ms khối lượng không đổi m = kg/m2 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  97  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.5 1.5 2.5 Hình 4.3: Tốc độ đặt tốc độ động hệ thống hoạt động với sản lượng đặt Q = 100 kg/ms khối lượng không đổi m nhảy bậc từ 2kg/m2 lên 3kg/m2 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 Hình 4.4: Tốc độ đặt tốc độ động hệ thống hoạt động với sản lượng đặt Q = 100 kg/ms khối lượng thay đổi liên tục Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  98  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 3.5 2.5 1.5 0.5 0 10 0.8 0.9 Hình 4.5: Khối lượng thay đổi liên tục 4.3.2 Kết mô sản lƣợng Q * Q m không đổi 120 100 80 60 40 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 4.6: Q m khơng đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  99  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa * Q thay đổi m khơng đổi 120 100 80 60 40 20 0 10 Hình 4.7: Q thay đổi m không đổi * Q không đổi m thay đổi 120 100 80 60 40 20 0 10 Hình 4.8: Q khơng đổi m thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  100  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa * Q thay đổi m thay đổi 120 100 80 60 40 20 0 10 Hình 4.9: Q thay đổi m thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật  101  Chuyên ngành: Tự động hóa 4.4 KẾT LUẬN Từ kết mơ phỏng, ta có nhận xét chế độ làm việc hệ thống nhƣ sau: * Ở chế độ sản lƣợng không đổi: + Tốc độ động thay đổi kịp thời thời điểm khối lƣợng băng tải thay đổi (hình 4.2) + Sản lƣợng cân băng giữ ổn định với thời gian đáp ứng nhỏ (hình 4.6) * Ở chế độ sản lƣợng thay đổi: + Động làm việc tốt bám tốc độ để đáp ứng kịp thời Q thay đổi nhƣ khối lƣợng thay đổi (hình 4.3, 4.4 hình 4.5) + Sản lƣợng cân băng bám tốt lƣợng đặt thay đổi (hình 4.7 hình 4.8) - Với kết mô nhƣ hệ thống điều khiển đạt đƣợc vấn đề nghiên cứu đặt - Luận văn mở phƣơng pháp thiết kế phi tuyến để điều khiển trình làm việc hệ cân băng định lƣợng sử dụng động đồng kích thích vĩnh cửu nói riêng hệ truyền động nói chung sở lý thuyết để phát triển ứng dụng vào thực tiễn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  102  Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Đ.A.Đức: Thiết kế quan sát trạng thái hệ thống điều khiển tuyến tính hố động dị Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên, số 44 (2007) [2] Đặng Danh Hoằng, "Hoà đồng máy phát điện lên lƣới phƣơng pháp điều khiển Passivity - Based", Tạp chí KHCN - Thái Nguyên, tập 64, số (2010) [3] Đặng Danh Hoằng; Nguyễn Phùng Quang, "Thiết kế điều khiển dựa thụ động (Passivity - Based) để điều khiển máy phát điện khơng đồng nguồn kép", Tạp chí KHCN trƣờng đại học kỹ thuật, số 76 (2010) [4] Đặng Danh Hoằng, "Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng hệ thống điều khiển máy phát điện không đồng nguồn kép phƣơng pháp điều khiển phi tuyến", Đề tài NCKH cấp 2008 [5] L.K.Lãi, N.V.Huỳnh: Một phương pháp điều khiển tốc độ tuabin gió trục đứng Tạp chí Khoa học & công nghệ Đại học Thái Nguyên, số 59 (2008) [6] N.D.Phƣớc, P.X.Minh, H.T.Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến NXB KH KT, Hà Nội, 2003 [7] Nguyễn Dỗn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 [8] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha (tái lần thứ 1) Nhà xuất Giáo dục, 1998 [9] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 [10] Tuyển, C.X.; Quang, Ng.Ph., “Các thuật toán phi tuyến sở kỹ thuật Backstepping điều khiển máy điện dị nguồn kép hệ thống máy phát điện chạy sức gió”, The 6th Vietnam Conference on Automation (6th VICA), Proc,2005, pp 545 – 550 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật  103  Chuyên ngành: Tự động hóa Tiếng Anh: [11] Alberto Isidori, Nonlinear Control Systems (Third Edition), Springer-Verlag, 1995 [12] Désiré Le Gouriérès (1982), Wind power plants – Theory and Desig [13] Erich Hau Springer (2005), Wind turbine Springer (1997), Wind Energy [14] Quang, Ng.Ph.; Dittrich, A.; Thieme, A., “Doubly – Fed Induction Machine as Generatorin: Control Algorithms ưith Dicoupling of Torque and Power Factor”,  r Elektrotechnik, 10 1997, pp 325-335 Electrical Engineering/Archiv f u [15] Quang, Ng.Ph.; Dittrich, A.; Lan, Ph.Ng., “Doubly – Fed Induction Machine as Generatorin Wind Power Plant: Nonlinear Control Algorithms ưith Direct Dicoupling Intern Conf” , CD Proc Of 11th European Conf on Power Electronics and Aplications, EPE2005, 11 – 14 Sept.2005 – Dresden, Gremany Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ... Kỹ thu? ??t Công nghiệp Thái Nguyên Tự động hóa K12- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU... kỹ thu? ??t Chuyên ngành: Tự động hóa CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Lý thuyết... đồng kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM (Sơ đồ cắt ngang động 4-cực, không chổi than với bề mặt gắn nam châm vĩnh cửu) - Động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thơng dạng hình sin, cực từ bố