Tài liệu VỀ TRIỂN VỌNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING ĐỂ THIẾT KẾ KHÂU ĐIỀU CHỈNH PHI TUYẾN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC doc

1 VỀ TRIỂN VỌNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING ĐỂ THIẾT KẾ KHÂU ĐIỀU CHỈNH PHI TUYẾN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC Perspective of using the backstepping method to design the nonlinear controller for squirel-cage induction motor TSKH. Nguyễn Phùng Quang; KS. Lê Anh Tuấn Phòng Thí nghiệm trọng điểm về Tự động hoá , Trường đại học Bách khoa Hà nội e-mail: autolab-hut@hn.vnn.vn Tóm tắt: Xuất hiện vào những năm cuối của thập kỷ 80, phương pháp backstepping được đánh giá là công cụ thiết kế đầy triển vọng cho một số lớp hệ thống phi tuyến. Phương pháp dựa trên cách thiết kế từng bước bộ điều khiển phản hồi thoả mãn ổn định Lyapunov. Bằng việc sử dụng phương pháp thiết kế đệ qui để xây dựng hàm điều chỉnh, backstepping cho phép xây dựng luật điều khiển phản hồi chế ngự được tính phi tuyến của đối tượng. Việc áp dụng phương pháp vào thiết kế bộ điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha, một đối tượng phi tuyến mạnh, có thể thu được những kết quả thú vị. Báo cáo này trình bày về triển vọng ứng dụng phương pháp backstepping để thiết kế bộ điều khiển động cơ rotor lồng sóc, các bước tiến hành và một số kết quả ban đầu. Abstract: Being mentioned late in 1980s, the backstepping approach has been regarded as a promising design tool for a class of nonlinear systems. This approach is based on feedback controller designing that satisfies Lyapunov stability. By using recursive algorithm to find control function, backstepping could be useful for constructing a feedback control law that overcomes the nonlinear character of object. Applying this approach in designing controller for three-phase AC motor, a type of strong nonlinear objects can lead to interesting results. This paper presents the perspective of using the backstepping method to design the nonlinear controller for squirel-cage induction motor, implementing steps and first results. 1. Backstepping kết hợp với nonlinear-damping Phương pháp backstepping (hay còn được gọi là phương pháp cuốn chiếu) xuất hiện vào khoảng đầu những năm 90, được đánh giá như một phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiều triển vọng cho đối tượng phi tuyến. Dựa trên cách tính toán đệ qui, phương pháp cho phép tính dần hàm điều khiển Lyapunov (clf-control Lyapunov function). Theo P.Kokotovíc và M.Arcak (tài liệu [7]), tư tưởng về thiết kế theo kiểu cuốn chiếu tích phân đã xuất hiện trong các công trình của Tsinias (1989), Sontag và Sussmann (1988). Tuy nhiên, tư tưởng này thực sự thể hiện sức mạnh của nó khi được áp dụng cho hệ thống có những thành phần không chắc chắn (uncertaintly). Với phương pháp cuốn chiếu bền vững (robust backstepping), Kanellakopoulos đã thực hiện xây dựng bộ điều khiển ổn đị nh cho đối tượng với tham số mô hình không rõ (unknown parameters). Với hệ có nhiễu loạn (disturbance), Freeman và Kokotovíc đưa ra phương pháp xây dựng bộ điều khiển phản hồi bằng cuốn chiếu thích nghi (adaptive backstepping). Với mô hình đối tượng có tham số không chắc chắn (uncertainty), phương pháp cuốn chiếu tích phân (integral backstepping) được áp dụng kết hợp với biện pháp tắt dần phi tuyến (nonlinear damping). Để diễn đạt một cách dễ hiểu nhất cách làm của phương pháp thiết kế Backstepping, xét các bước đi xây dựng bộ điều khiển phản hồi cho hệ thống bậc 2 như sau: sinxx u ξ ξ =+ = & & (1a,b) Hệ có điểm cân bằng ( , ) (0,0)x ξ = . Xuất phát từ phương trình (1a), coi ξ là tín hiệu điều khiển, chọn hàm Lyapunov 2 1 () 2 V xx= . Theo tiêu chuẩn ổn định 2 Lyapunov, cần tìm des ξ (destination) thỏa mãn: ( ) 0 khi 0 ( ) 0 khi 0 Vx x Vx x  <≠   ==   & & (2) Có thể chọn được 1 sin des c xx ξ =− − Trong đó 1 c là một hằng số dương. Khi ấy, có được 2 1 () 0Vx cx=− ≤ & . Tuy nhiên, ξ không phải là tín hiệu điều khiển thự c mà chỉ là một biến trạng thái. ξ được gọi là một điều khiển ảo (virtual control). Bước tiếp theo, định nghĩa một đại lượng sai số z là hiệu của đại lượng thực tế và đại lượng mong muốn của điều khiển ảo ξ . des z ξξ =− (3) 1 xcxz=− + & (4) 1 (cos)(sin ) des zucxx ξξ ξ =− =+ + + && & (5) Tiếp tục chọn hàm điều khiển Lyapunov ( ,) a Vxz : 22 11 (,) 22 a Vxz x z=+ (6) Tính đạo hàm a V & , kết hợp với (2): 2 11 (,) [ ( cos)(sin ) ] a Vxz cx zu c x x x ξ =− + + + + + & Bi ểu thức trên gợi ý chọn luật điều khiển cho tín hiệu đầu vào u như sau: 21 ( cos )(sin )uczc x x x ξ =− − + + − (7) trong đó 2 c là hằng số dương. Khi đó kết quả đạo hàm c ủa (,) a Vxz trở thành: 22 12 0 a Vcxcz=− − ≤ & đảm bảo cho hệ ổn định toàn cục tạ i điểm cân bằng x=0. Nh ư vậy, luật điều khiển đã được xây dựng chỉ sau 2 b ước và biểu diễn bằng công thức tường minh. Có th ể nhận xét: số bước lặp lại (backstep) khi tổng h ợp bộ điều khiển chính bằng số bậc của hệ. Ph ương pháp thiết kế cuốn chiếu tỏ ra rất hữu ích đối v ới các ứng dụng trong đó mô hình có thành phần phi tuy ến không xác định (uncertain nonlinearities) hay tham s ố mô hình không rõ. Với mô hình có thành ph ần phi tuyến không xác định, trong tài liệu [5] giới thi ệu một cách thiết kế gọi là tắt dần phi tuyến (nonlinear damping). Định lý được nêu trong tài liệu nh ư sau: Xét h ệ thống có dạng: ( )() ()(,,) T fgu t ϕ  =+ + ∆  & xx x xxu trong đó ( ) ϕ x là vector (p x 1) của các hàm phi tuy ến biết trước, và (,,)t∆ xu là vector (p x 1) các thành ph ần phi tuyến không xác định bị chặn theo x, u, t. Gi ả sử hệ ( )()fg=+ & xxxu t ồn tại bộ điều khiển ph ản hồi trạng thái () α x làm cho hệ ổn định toàn c ục thì bộ điều khiển mới có thể: 2 ( ) ()()|()|, 0 V kg k αϕ ∂ =− > ∂ ux xxx x làm cho h ệ kín ổn định vào-trạng thái (ISS) với nhiễu ( ,,) t ∆ xu . C ụ thể hơn, xét hệ ()()xu x t ϕ =+ ∆ & , với ()xcx α =− , áp d ụng định lý trên, ta có luật điều khiển: 2 ( ) u cx kx x ϕ =− − làm cho hệ ổn định ISS, tức là cũng ổn định toàn cục. 2. Tính phi tuyến của mô hình động cơ dị bộ, rotor lồng sóc (DB-RTLS) Mô hình động cơ DB-RTLS là mô hình có tính chất phi tuy ến mạnh. Trên mô hình, cùng tồn tại sự phi tuy ến của tham số mô hình và sự phi tuyến về cấu 3 trúc. Có th ể thấy rõ điều này khi phân tích hệ phương trình mô t ả đối tượng Xu ất phát từ phương trình điện áp, từ thông trên rotor và stator động cơ, dùng phép chuyển trục toạ độ, ta thu được hệ phương trình vi phân mô tả động cơ DB- RTLS (tài li ệu [2]) như sau: // // / // / // 11 1 1 1 11 1 1 1 11 11 sd sd s sq rd rq sd sr r s sq ssd sq rd rq sq sr r s rd sd rd r rq rr rq sq r rd rq rr di ii u dt T T T L di ii u dt T T T L d i dt T T d i dt T T σσσ ωψωψ σσ σ σ σ σσ σ ωωψψ σσ σ σ σ ψ ψωψ ψ ωψ ψ   −−− =− + + + + +       −− −  =− − + − + +       =− +    =− −    Hệ phương trình có thể được diễn đạt lạ i theo cách viết cho ma tr ận như sau: ff ss d xu dt ω =++ f ff f x ABNx (9) Mô hình toán động cơ cho thấy rất rõ tính phi tuyến, th ể hiện qua hai điểm chính sau: • Tồn tại ở vế thứ 3 của phương trình (9) tích gi ữa biến trạng thái và biến đầu vào s ω : s ω f Nx . Đây chính là đặc điểm phi tuyến c ấu trúc của mô hình. • Tham số mô hình phụ thuộc biến trạng thái do hi ện tượng bão hòa từ 2 1 () ()() m m smrm L L LLLL σσ σσσ =− ⇒ = ++ () rm rrrm r LL TTTL R σ + = ⇒ = () sm sssm s LL TTTL R σ + = ⇒ = Tham số m L phụ thuộc giá trị module từ thông rotor là bi ến trạng thái: / () m rd Lf ψ = . Điều này tạo nên đặc điểm phi tuyến tham số của mô hình. 3. Xây dựng bộ điều khiển phi truyến cho độ ng cơ DB-RTLS theo phương pháp Backstepping Từ hệ phương trình vi phân (8) cho thấy, mô hình đối t ượng động cơ DB-RTLS là mô hình toán dạng cascade. Đây là xuất phát điểm quan trọng để áp dụng ph ương pháp thiết kế backstepping. Bộ điều khiển được thiết kế sẽ giải quyết vấn đề phi tuyến cấu trúc c ủa mô hình. M ục tiêu đặt ra trong phần này là: từng bước thiết kế b ộ điều khiển thỏa mãn hai đại lượng mômen quay ( M ) và dòng từ hoá ( / rd ψ ) đạt đến đại lượng đặt. Từ thông rotor là đại lượng rất quan trọng của mô hình động cơ. Tuy nhiên, giải pháp để đo được trực ti ếp nó rất tốn kém, nếu thực hiện sẽ làm tăng vọt giá thành c ủa hệ truyền động. Vì lý do đó, từ thông rotor th ường được ước lượng bằng một mô hình hay khâu quan sát t ừ thông. Trong thi ết kế, đại lượng này được ước lượng qua m ột khâu đơn giản. Sai số giữa đại lượng tính toán ( ước lượng) được so với giá trị thực là không biết tr ước. Tuy nhiên, sai số là giá trị bị chặn, có giới hạn. Ta s ẽ coi nó như thông số phi tuyến không xác định c ủa mô hình và giải quyết bằng việc thêm vào luật điều khiển thành phần nonlinear-damping. G ọi sai lệch giữa ước lượng và thực tế là r % ψ , có: / // ˆ r rr ψ ψ =− % ψ (11) Viết dưới dạng thành phần: / // / // ˆ ˆ r drdrd r qrqrq ψ ψψ ψ ψψ  =−   =−   % % (12) (8) 4 T ừ hàm Lyapunov / 2/2 11 ( )() 22 rd rq V ψψ =+ %% thu được đạo hàm: /2 /2 1 ()() 0 rd rq r V T ψψ  =− + ≤  & %% (13) V ới mục tiêu đã đặt ra của bài toán, lần lượt giải quy ết như sau: • Điều chỉnh module từ thông rotor Đị nh nghĩa sai lệch giữa giá trị đặt / ,rd ref ψ và giá trị ước lượng được / ˆ rd ψ là z 1 : // 1, ˆ rd rd ref z ψψ =− và / / , 1 ˆ rd ref rd d d z d tdt ψ ψ =− & (14) trong đó / ˆ 0 rq ψ = , ta có: / , / 1 11 ˆ rd ref sd rd rr d zi TT dt ψ ψ =− − & (15) Ch ọn sd i là điều khiển ảo, chọn hàm điều khiển Lyapunov 2 1 1 () 2 Vz z= (16) T ương tự ví dụ đã nêu, ta tìm được: / , / ,11 1 ˆ , 0 rd ref sd ref r rd r d icTz T c dt ψ ψ =− + + > Tuy nhiên, sd i không phải đại lượng điều chỉnh thực s ự, ta tiếp tục định nghĩa một đại lượng: 2,sd sd ref zi i=− (17) L ấy vi phân 2 z , thế các đại lượng vào, ta có được : / 2 /2/ ,, / 11 2 // 111 ˆ 1 ˆ ( )( ) 11 (18) sd s sq rd sd rs rd ref rd ref sd rd r r r rd rq r zii u TTL dd ci cT T Tdtdt T σ σ ωψ σσ ψψ ψ σσ ψωψ σσ − =− + + + +− − − − −− ++ & %% Ti ếp tục chọn 22 12 1 2 1 1 (, ) 2 2 a Vzz z z=+ (19) T ương tự như cách làm ở trên, áp dụng định lý nonlinear-damping ta tìm được: / /2/ ,, / 11 2 2 22 1 22 11 1 ˆ 1 ˆ ( )( ) 1 ( 20) sd sd s sq rd sr rd ref rd ref sd rd r r r r uii LT T dd ci cT T Tdtdt cz z dz T σ σ ωψ σσ ψψ ψ θ − =−− +− − + + −− − Với 2 θ được định nghĩa như sau: 2 2 222 12 11 r T σσ θθθ ω σσ  −−  =+= +     (21) • Điều chỉnh module từ thông rotor Xuất phát từ phương trình mômen: 2 // 3 2 m M c rd sq M rd sq r L m piki L ψψ == (22) Ch ọn s q i là điều khiển ảo, tương tự bước làm như trên, ti ếp tục tìm được: / ,, / //2 2 33 33 3 3 111 ˆ 11 ˆ ( ) ˆˆ () , 0, 0 (23) sq s sd sq rd s Mref Mref sd rd Mrd M rd r ui i LT dm m i kdtkT cz dz c d σ ωωψ σσσ ψ ψψ θ − =+ + +− − −− > > v ới 3 , s qsqref zi i=− (24) Bi ểu thức (20), (23) chính là luật điều khiển cho vector điện áp stator. Biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối nh ư sau: // 11 111 ˆˆ ()( ) s d s sq rd sd rd rr uii ci TTT σ σ ωψ ψ σ − =−− +− − , // 2 /2 11 1 ˆˆ ( ) ˆ () Mref s sd sq rd sd rd Mrd r m ui i i TkT σ ωω ψψ σσ ψ − =+ + − − 4. Kiểm chứng kết quả bằng Matlab-Simulink Trước tiên, tiến hành mô hình hoá động cơ DB-RTLS có đường đặc tính bão hòa từ. Bằng thí nghiệm không t ải, có thể thu được khá chính xác đường đặc tính ( ||) m Li µ . Để có thể mô phỏng hiện tượng bão hoà s ắt từ xảy ra trong động cơ, ta tìm cách nhập được đường đặc tính trên vào mô hình, tại mỗi bước mô ph ỏng giá trị m L sẽ được cập nhật theo module của dòng t ừ hoá. Matlab cung cấp một hàm hữu dụng cho vi ệc này có tên là interp1. H ình 6. S ơ đ ồ kh ố i bộ đi ề u khi ể n 5 Để có thể tính được i µ trong quá trình chạy động, ngoài ph ương trình dòng stator ở (8), cần tới giá trị dòng điện ở rotor r i . 22 rd rq || ( ) ( ) sd sq iiiii µ =+++ (25) Xu ất phát từ phương trình từ thông rotor: / / () () (0 ) r rmsrr r rs m rd rd sdr m rq sq r m L Li Li i i L di d di L dt L dt dt di di L dt L dt ψψ ψ =+⇒ =−  =−   ⇒   =−   (26) V ới hệ phương trình vi phân (8)(26), lập S-function cho động cơ với đặc tính bão hòa từ. Dưới đây là mô hình động cơ sau khi xây dựng được thử nghiệm lại. Điện áp cấp cho động cơ là điện áp ba pha danh định, không có điều chỉnh, tần số danh định. Bộ tham số động cơ để thử như sau: • Động cơ ba pha, không đồng bộ rotor lồng sóc có: công su ất danh định 7.5kW, biên độ điện áp danh định là 340V, tần số danh định 50Hz • Số đôi cực p c =2 • Tốc độ danh định n N =1400 rpm • Dòng pha danh định I N =19.2A • Điện trở stator, rotor 2 .52195 ; 0.976292 sr RR=Ω= Ω • Các giá trị điện cảm 0 .0062148; 0.0095366; 0.1763 srm LLL σσ === • Mômen quán tính rotor 2 0.117 .Jkgm= Ti ếp theo, từ (20)(23) xây dựng được mô hình Simulink cho b ộ điều khiển. B ộ điều khiển phi tuyến có các thông số: + Điện trở rotor, stator , [ ] rs RR Ω + Điện cảm tản phía rotor, phía stator, hỗ cảm , , [H] rsm LLL σσ + Mômen quán tính J, s ố đôi cực c p + Các h ằng số dương 1 2233 , , , , c cdcd Các tín hi ệu vào: + Thông s ố đặt / , , , Mref rdref m ψ + Module t ừ thông rotor, ước lượng / / , ˆ & r d est rd ψψ + s , , , sd sq ii ωω Tín hi ệu ra: + Hai thành ph ần điện áp , sd sq uu B ước cuối cùng, tiến hành ghép thành sơ đồ thử nghi ệm bộ điều chỉnh hoàn thiện gồm: • Mô hình Simulink động cơ. • Mô hình bộ điều khiển phi tuyến. • Mô hình khâu quan sát từ thông. • Phần nghịch lưu coi như có hệ số truyền 1:1, th ể hiện chỉ bằng hai khâu chuyển hệ trục to ạ độ. Sau đó, tiến hành thí nghiệm với các bước sau: ! Thí nghiệm không tải, đảo chiều Th ử nghiệm hệ với mômen tải bằng 0, tốc độ đặt là 1500 vòng/phút ( bằng tốc độ đồng b ộ), đảo chiều (-1500 vòng/phút). ! Thí nghiệm đầy tải, đảo chiều Th ử nghiệm hệ với mômen tải bằng mômen danh định, tốc độ đặt là 1500 vòng/phút (b ằng tốc độ đồng bộ), đảo chiều. ! Thí nghiệm quá tải Hình 8 . T ố c độ n và module dòng từ hoá động cơ DB - RTLS khi không và có tải s Hình 7. Thử nghiệm mô hình động c ơ Hình 9. B ộ đi ề u khi ể n 6 Kh ởi động đầy tải sau đó tăng tải lên gấp đôi giá trị danh định, đảo chiều với giá trị tải l ớn, tăng tốc lên gấp đôi tốc độ danh định. ! Thí nghiệm chế độ nóng lên của động cơ, R r t ăng 10% D ưới đây là kết quả của thí nghiệm thứ 3. Sau khi kh ởi động với tải định mức 2s, tải được tăng lên gấp đôi. Tiếp tục đảo chiều ở thời điểm 2.5s sau đó tăng t ốc độ đặt gấp 2 lần (tải vẫn gấp 2 lần định mức). K ết quả cho thấy: - B ộ điều khiển thực hiện tốt yêu cầ u đã đề ra. - Động cơ vẫn giữ tốt giá trị module từ thông rotor và t ốc độ khi tải đột ngột tăng gấp đôi giá trị danh định. - Đảo chiều tốt trong điều kiện khắc nghiệt (mômen t ải vẫn gấp đôi giá trị danh định). Hình 9. Đặc tính t ố c độ, từ thông khi g ấ p đôi mômen tải danh định, đảo chiều, gấp đôi tốc độ danh định s H ình 10. Đặc tính dòng khi g ấ p đôi mômen tải danh định, đảo chiều, gấp đôi tốc độ danh định s H ình 11. Mô phỏng to à n bộ hệ th ố ng b ằ ng Simu l ink 7 - Dòng điện tại thời điểm ban đầu có đỉnh rất cao. Điều này có thể giải thích: trong thiết kế, giá trị dòng điện chưa được quan tâm tới. Để có thể đưa thu ật toán vào thiết bị điều chỉnh thực tế, vấn đề này c ần phải được giải quyết. - Gi ữa hai thành phần dòng điện , sd sq ii dường như có s ự cách ly khá tốt. Đây là một tín hiệu khả quan c ủa phương pháp. Nếu có thể chứng minh đặc điểm quan tr ọng này bằng lý thuyết, đây sẽ là một lợi thế r ất lớn của phương pháp. 4. Kết luận Sau khi thực hiện các khối cần thiết trên Simulink, h ệ thống được thử nghiệm với các chế độ từ đơn gi ản đến khắc nghiệt. Kết quả hệ thống đáp ứng tốt yêu c ầu đặt ra và thể hiện một số ưu điểm. Những k ết quả trên cho thấy, khả năng ứng dụng phương pháp thi ết kế cuốn chiếu cho bộ điều khiển động cơ DB-RTLS có tri ển vọng rất tốt. Tuy nhiên, đây chỉ là b ước đi đầu tiên nhằm khẳng định một tiềm n ăng. Để có thể ứng dụng phương pháp vào các sản ph ẩm công nghiệp cần có các bước đi tiếp theo. Đó là: • Xây dựng khâu quan sát dựa trên cách thiết k ế cuốn chiếu, ước lượng chính xác từ thông rotor và góc quay ν . • Xây dựng bộ điều khiển phi tuyến cho tr ường hợp tham số hàm của mô hình bằng ph ương pháp cuốn chiếu thích nghi. • Xem xét giải pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuy ến khi điều khiển sensorless, không c ần đo tốc độ quay. • Gián đoạn hoá bộ điều khiển nhằm có thể cài đặt thuật toán cho biến tần. Tiến hành mô ph ỏng thời gian thực làm cơ sở áp dụng ph ương pháp cho các bộ điều khiển công nghi ệp. • Tác động và giải pháp khắc phục khi một số đại lượng bị chặn (ví dụ: dòng, áp). Tài liệu tham khảo [1] Ng.Ph.Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB GD, Hà nội. [2] Ng.Ph.Quang, Andreas Dittrich (2002), Truy ền động điện thông minh, NXB KH và KT, Hà nội. [3] B.Q.Khánh, N.V.Li ễn, P.Q.Hải, D.V.Nghi (2002), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KH và KT, Hà n ội. [4] N.D.Ph ước, P.X.Minh, H.T.Trung (2003), Lý thuy ết điều khiển phi tuyến, NXB KH & KT, Hà nội. [5] M.Krstíc, I.Kanellakopoulos, P.Kokotovíc (1995), Nonlinear and adaptive control design, John wiley & sons, Inc [6] H.Rasmussen, P.Vastrup, H.Borsting , Backstepping strategy for induction motor control, Denmark [7] P.Kokotovíc, M.Arcak, Constructive nonlinear control: a historical perspective, University of California . 1 VỀ TRIỂN VỌNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING ĐỂ THIẾT KẾ KHÂU ĐIỀU CHỈNH PHI TUYẾN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC Perspective. này trình bày về triển vọng ứng dụng phương pháp backstepping để thiết kế bộ điều khiển động cơ rotor lồng sóc, các bước tiến hành và một số kết quả ban