Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho hệ nhiều động cơ bằng phương pháp điều khiển cuốn chiếu

Bài viết này trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển cuốn chiếu (backstepping) cho vòng tốc độ của hệ truyền động nhiều động cơ. Các kết quả được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho thấy bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng ngay cả khi hệ thống chịu ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến do cấu trúc phần cơ gây ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO HỆ NHIỀU ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU BUILDING A SPEED CONTROLLER FOR MULTI-MOTOR SYSTEMS BY BACKSTEPPING METHOD Trần Xuân Tình1*, Đặng Tiến Trung2, Lê Văn Sâm1, Nguyễn Ngọc Tuấn3 Học viện Phịng khơng - Khơng qn, 2Trường Đại học Điện lực, 3Học viện Kỹ thuật quân Ngày nhận bài: 19/07/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: PGS.TS Nguyễn Quang Hoan Tóm tắt: Bài báo trình bày kết tổng hợp điều khiển chiếu (backstepping) cho vòng tốc độ hệ truyền động nhiều động Các kết khảo sát đánh giá mô phần mềm Matlab-Simulink cho thấy điều khiển đảm bảo yêu cầu chất lượng hệ thống chịu ảnh hưởng yếu tố phi tuyến cấu trúc phần gây Từ khóa: Nhiều động cơ, điều khiển chiếu, ma sát, đàn hồi Abstract: The paper presents the results of summarizing the backstepping controller for the speed loops of the multi-motor drive The results surveyed and evaluated by simulation on Matlab-Simulink software show that the controller ensures the quality requirements in the system under the influence of nonlinear factors as causing the mechanical structure Keywords: Multi-motor drive systems, backstepping controller, elastic, backlash MỞ ĐẦU Hệ truyền động (HTĐ) nhiều động ứng dụng công nghiệp quốc phòng hệ động lực học phi tuyến, chứa liên hệ chéo; mối liên hệ làm cho mơ hình đối tượng điều khiển trở nên phi tuyến Trong điều khiển HTĐ vật liệu đàn hồi nhiều động cơ, việc kiểm soát tốc độ động vấn đề khó Các điều khiển (BĐK) tốc độ cho HTĐ Số 25 liên tục nghiên cứu phát triển nước, từ đơn giản BĐK PID [3] đến phức tạp logic mờ [4], mạng nơron [5], điều khiển tối ưu [6], điều khiển bền vững [7] Tuy nhiên vẫn cần thêm nghiên cứu nhằm làm phong phú thêm thuật toán điều khiển cho hệ BĐK điều khiển chiếu mà tác giả đề xuất cho chất lượng tốt tính đến yếu tố phi tuyền hệ số đàn hồi thay đổi 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MƠ HÌNH CƠ HỆ Roll r Roll r F12 r1 Inventer Motor r2 Roll n r n Fn1,n F23 Inventer Motor rn Inventer n Motor n r r r Bộ điều khiển tốc độ f Hình Mơ hình hệ truyền động nhiều động Theo [1-2] mơ hình tốn hệ truyền động động khơng đồng dây chuyền sản xuất có dạng: số thời gian rôto;  rd : từ thông rôto;  f  k f us    k     T  T KT c r     M  M  d s  r J d   M  n Lm  i  d p L rd sq r  Tr  isq  L  rd  f  r  m   y  T gian tải; kc  18 dòng stato KT  J Lrm : số thời ki2 M dm crm : hệ số đàn hồi; c: ki M dm hệ số đàn hồi; rm : tốc độ định mức động cơ; M dm : mômen định mức; ki : hệ số truyền hộp số (1) Md  LmTr np  rd  f  r  Lr (2) Với r   Trong đó:  f  k f us : tốc độ đặt vịng ngồi đưa vào M s : mơmen đàn hồi; M T : mômen tải; M d : mômen động cơ; n p : số đôi cực động cơ; Lm : hỗ cảm rôto stato; Lr : điện cảm rôto; Tr  isq : Lr : Rr Md  Ms  Jd LmTr np  rd  f  r   kc r  T  Jd Lr Jd =  LmTr np  rd r  Jd Lr + LmTr np  rd k f us  kc r  T  Jd Lr Jd Đặt x1  T ; x2  r  T ; x3  r  T Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) kc   x1  K x2 T   x2  x3   kc kc  LmTr    rd  x1  x3   x3     x2  n p J K J Lr T  d  d   LT   n p m r  rd2 k f us Jd Lr  y  x  (3) Đặt V1   2 2 z1 z1  kc k LmTr ;   c ; 1  np  rd ; Jd KT Jd Lr 2  LmTr np  rd k f Jd Lr  x1   x2 x  x   x       x2  1  x1  x3    2us  y  x   z1 x2  (4) (7)  (ˆ2 ) B Do z2  x2  1 hay x2  z2  1 với 1 biến điều khiển ảo Thay vào ta có: 1 2 (ˆ2 )  z1 (z  1 )  2 (ˆ2 ) (8) B B ta có:  (ˆ2 ) B = z1 (z  d1 z1 )   (ˆ2 ) B  d1 z12  z1 z2   (ˆ2 ) B V1  z1 (z  1 )  (5) Bước 1: (9) Bước 2: Chọn V2  V1  z22 Tính đạo hàm V2 ta có: Do tốc độ tải đầu không đo trực tiếp tính đến biến dạng đàn hồi nên gọi giá trị tiệm cận với tín hiệu đầu yr , sai số z1 tính sau: z1  y  yr  x1  yr V2  V1  z2 z2  d1 z12   z1  z2  z2  2 (ˆ2 ) B (10) Ta có: 1  d1 x2 ; z2  x3  d1 x2 vào phương trình có: Vì yr  nên ta có: z1   x2 Do  tham số không đo nên gọi giá trị đánh giá ˆ2 sai số đánh giá 2    ˆ2 hay   2  ˆ2 Chọn hàm Lyapunov cho z1 là: Số 25  (ˆ2 ) B Chọn 1  d1 z1 với c1  vào Tổng hợp điều khiển chiếu cho vòng điều khiển tốc độ: 2 z1  2 2 2B  2 B z1 ( x2 )  V1  z1 x2  1  V1  Đạo hàm V1 ta có: (6) V2  V1  z2 z2  d1 z12  z1 z2  z2 ( x3  d1 x2 )  2 (ˆ2 ) B V2  V1  z2 z2  d1 z12  z1 z2  + z2  x3  d1     x2    (ˆ2 ) B 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tiến hành tính đạo hàm riêng  lần V2  V1  z2 z2  d z  z1 z2 lượt theo x1 , x2 , yr , ˆ2 có : 1   (ˆ2 )  d1 z2 x2  z2  x3  d1ˆ2 x2  B Đặt z3  x3   hay x3  z3   vào    d1d  ;  d  d1ˆ2 ; x2 x1   0; yr phương trình ta có:  (ˆ2 ) B (11)  d1 z2 x2  z2  z3    d1ˆ2 x2  V2  d1 z12  z1 z2  Thế vào phương trình z2  z3 ta có: z2  z3 = z2  1 x2  ˆ1 x2   x2  ˆ2 x2  1  x3  x1  (17) Lựa chọn: 2  c2 z2  z1  c1ˆ2 x2 với c2  thay vào phương trình ta có: V2  d1 z12  d z22  2 (ˆ2 )  d1 z22 x2 B (12) + us  d1d   d  d1ˆ2  d1 x2 Chọn thành phần: us  Bước 3: 2 d z 3 z2  z3 =  c3 z3  1 x2  2 x2 thay vào V3 ta có: Xác định hàm Lyapunov V3 là: V3  d1 z12  d z22  z3  c3 z3  1 x2   x2  1 V3  V2  z32  1 2G (13)   1 11  V2  z3 z3  1 ˆ1 G G V3  d1 z12  d z22  z3  z2  z3   d1 z2 x2  (14)   1 1 ˆ1   (ˆ2 ) G B z2  z3  z2  x3    x1 , yr , ˆ1 , ˆ2 , x2  = z2      x2  1  x1  x3  (15)   us    x1 , yr , ˆ1 , ˆ2 , x2  d1 , d2 , d3  Chọn B, G hệ số khuếch đại luật cập nhật, d1 , d2 , d3 hệ số   d z2  z1  d1ˆ2 x2 =  d x2  d1d x1  d1d yr  x1  yr  d1ˆ2 x2 V3 =  d1 z12  d2 z22  d3 z32 Như bảo đảm cho V3  Với  tính:  d  x2  1    x1  yr   d1ˆ2 x2   1 1 ˆ1   (ˆ2 ) G B  (19)  =  d1 z12  d z22  d3 z32  1  z3 x2  ˆ1  G        z3 x2  d1 z2 x2  ˆ2  B    d1 z2 x2  Chọn ˆ1  Gz3 x2 ; ˆ2  Bz3 x2  d1 z2 x2 ta có: Tính z2  z3 : 20 (18) Từ có:   ˆ1  1 V3  V2  z3 z3    z2  ˆ1 x2  ˆ2 x2  1  x3  x1   d1d   d  d1ˆ2  d1 x2  Tham số không xác định  đánh giá ˆ1 với sai số đánh giá 1 đó:   d1 x2 ˆ2 khuếch đại điều khiển, ta có us (16) tín hiệu điều khiển tốc độ cho động vòng Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MÔ PHỎNG Trong cấu trúc trên, báo xây dựng điều khiển tốc độ cho động vịng trong, lực căng vịng ngồi dùng điều khiển PID, vòng dòng điện xử lý biến tần Trước hết tính tốn tham số hệ truyền động dùng động không đồng ba pha Xét ba động ba pha roto lồng sóc hãng Siemens có tham số giống nhau: Cơng suất Pđm = kW; Lm = 0,1958 (H); Ls = 0,202 (H); Lr = 0,2065; Rr = 1,275 (); Rs =1,663 (); p = 2; nđm = 1400 v/p; JM = 7,47.105 Kgm2; JL=8.258.105 Kgm2 Trường hợp 2: Khi tải thay đổi nhảy bậc thời điểm 4s 7s, hệ số đàn hồi thay đổi Hình Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad Trường hợp 1: Khi tải không đổi hệ số đàn hồi thay đổi Hình Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad thời điểm 4s Hình Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad Hình Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad thời điểm 7s Hình Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=120 Nm/rad Số 25 Hình Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=120 Nm/rad 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nhân xét: Từ kết mô thấy điều khiển tốc độ chiếu cho chất lượng điều khiển tốt Trong điều kiện chịu ảnh hưởng yếu tố phi tuyến hệ số đàn hồi thay đổi, mômen tải thay đổi, hệ thống đảm bảo độ xác chế độ động chế độ tĩnh, sai số chế độ tĩnh trường hợp khác KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết tổng hợp BĐK tốc độ phương pháp điều khiển chiếu cho hệ điện nhiều động có liên hệ ma sát, đàn hồi Phần trình bày việc xây dựng mơ hình hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mơ hình mơ phỏng, kiểm nghiệm phần mềm Matlab-Simulink Qua kiểm tra cho thấy BĐK tốc độ nâng cao chất lượng hệ thống truyền động nhiều động thơng qua tiêu chí đánh giá, là: tính bền vững với nhiễu, đảm bảo khả đồng tốc động cơ, đảm bảo tính xác bám Kết nghiên cứu tiền đề để nhóm tác giả phát triển điều khiển lực căng cho dây chuyền sản xuất cơng nghiệp có chứa băng tải đàn hồi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dao Phuong Nam, Pham Tuan Thanh, Tran Xuan Tinh, Tran Thanh Dat, Pham Van Tu, “High- Gain Observer based Output feedback Controller for a Two-Motor Drive System: A Separation Principle Approach”, Lecture Note in Electrical Engineering 465, Scopus Q3, Dec-2017 [2] Pham Tam Thanh, Dao Phuong Nam, Tran Xuan Tinh and Luong Cong Nho, “High-Gain Observer–Based Sliding Mode Control of Multimotor Drive Systems”, Book Adaptive Robust Control Systems, Published by InTech Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia 2018 [3] B Allaoua , A Laoufi and B Gasbaoui, “Multi-Drive Paper System Control Based on Multi-Input MultiOutput PID Controller”, Leonardo Journal of Sciences, 2010 [4] Fawzan Salem, E.H.E Bayoumi, “Robust fuzzy-PID control of three-motor drive system using simulated annealing optimization”, Journal of Electrical Engineering, 2011 [5] Li Jinmei, Liu Xingqiao, “Application of an Adaptive Controller with a Single Neuron in Control of Multi-motor Synchronous System”, IEEE, 2008 [6] A Angermann, M Aicher, and D Schroder, “Time-optimal tension control forprocessing plants with continuous moving webs”, Proc 35th Annual Meeting- IEEE Industry Applications Society, Rome, Oct 1999 [7] H Koc, D Knittel, M D Mathelin, “Robust gain-scheduled control of winding systems”, IEEE Conf Decision and Control, Sidney, Australia, Dec 2000 22 Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Trần Xuân Tình tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử, nhận Thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa, bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện – Học viện Phịng khơng - Khơng qn Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng giải pháp điều khiển đại hệ truyền động điện Tác giả Đặng Tiến Trung nhận tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ sư điện tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả giảng viên Khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng giải pháp điều khiển đại hệ thống điện Tác giả Lê Văn Sâm tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử, nhận Thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa, Tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa 2019 Viện Kỹ thuật Công nghệ quân Tác giả giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện - Học viện Phịng khơng - Khơng qn Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng giải pháp điều khiển đại điều khiển thiết bị bay Tác giả Nguyễn Ngọc Tuấn tốt nghiệp đại học chuyên ngành tự động hóa Học viện Kỹ thuật quân năm 2006, bảo vệ luận án Tiến sĩ Trường Đại học Tổng hợp vô tuyến điện tử Ryazan, Liên bang Nga năm 2014 Tác giả giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế điều khiển hệ truyền động điện, nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển đại Số 25 23 ... đổi, hệ thống đảm bảo độ xác chế độ động chế độ tĩnh, sai số chế độ tĩnh trường hợp khác KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết tổng hợp BĐK tốc độ phương pháp điều khiển chiếu cho hệ điện nhiều động. .. trúc trên, báo xây dựng điều khiển tốc độ cho động vịng trong, lực căng vịng ngồi dùng điều khiển PID, vòng dòng điện xử lý biến tần Trước hết tính tốn tham số hệ truyền động dùng động không đồng... Inventer Motor rn Inventer n Motor n r r r Bộ điều khiển tốc độ f Hình Mơ hình hệ truyền động nhiều động Theo [1-2] mơ hình tốn hệ truyền động động khơng đồng dây chuyền sản xuất có dạng: