Mô phỏng được thực hiện trên công cụ Matlab/simulink, trong miền rời rạc Runge-Kuta với thời gian lấy mẫu là 0.05 ms. Động cơ sử dụng trong mô phỏng có thông sốkỹ thuật như bảng 4.1.
Bảng 4.1. Thông số động cơ điện một chiều được sử dụng trong mô phỏng
Điện trở phần cảm R 1.6 Ω
Độ tự cảm phầm cảm L 0.0052 H
Hằng số EMF ke 0.011 V rpm
Mô-men quán tính J 0.0043 kg.m2
Để kiểm chứng những ưu điểm của lý thuyết nghiên cứu, kết quả ước lượng được so sánh với các phương pháp khác và được biểu diễn trên cùng hệ trục tọa độ, thuận lợi cho quan sát và so sánh. Trong thiết kế bộ điều khiển SLM, giá trị hệ số k được chọn là 350, tần số bộ lọc Lowpass-Filter là 12Khz, bộ ước lượng NTSM với các thông số điều khiển:p5,q3, 0.06 , 0.008 và bộ ước lượng đề xuất FONTSM có các thông số điều khiển lần lượt: p5,q3, 0, 0.0001,
100 , 001 . 0 , 250 2 1 2 1 k k (khi chọn 1,n 500).
Hình 4.2. Kết quả ước lượng tốc độ rotor
Tốc độ ước lượng được so sánh với giá trị tốc độ thật thông qua đồ thị được thể hiện trong hình 4.2, trong đó đồ thị màu xanh là giá trị tốc độ thật được đo trực tiếp từ trục rotor của động cơ, đường màu tím là tốc độ ước lượng được xác định từ phương pháp được đề xuất trong luận án (FONTSM), màu vàng là tốc độ ước lượng được từ phương pháp điều khiển trượt bậc cao (NTSM), và màu cam là tốc độ của rotor được ước lượng từ bộ điều khiển trượt cổ điển (SLM). Từ đồ thị ta nhận thấy rằng, tốc độ ước lượng được từ phương pháp đề xuất trong luận án đạt được phản hồi nhanh nhất, kế đó là tốc độ ước lượng từ phương pháp NTSM và trễ nhất là phương pháp SLM, ngoài ra phương pháp SLM còn tồn tại biên độ dao động khá lớn do ảnh hưởng của hiện tượng chattering, thông số đáp ứng của các phương pháp điều khiển được thể hiện cụ thể ở bảng 4.2.
Bảng 4.2. Bảng so sánh kết quả ước lượng tốc độ rotor của các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.036 0.033 0.027
2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.095 0.053 0.045
3 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.490 0.121 0.020
4 Thời gian đạt đỉnh (tp) (s) 0.154 0.160 0.150
5 Giá trị đỉnh (Rad/s) 237.36 236.49 236.25
6 Sai số xác lập (rad/s) 5.3 0.65 0.03
7 Tích phân bình phương sai
Để thấy rõ hiện tượng chattering trong các phương pháp điều khiển, cũng như ưu điểm của phương pháp FONTSM trong vấn đề triệt tiêu chattering, xét đồ thị phóng to trong khoảng thời gian từ 0.155 (s) – 0.16 (s) khi tốc độ động cơ ổn định.
Hình 4.3. Kết quả phóng to giá trị tốc độ ước lượng từ 0.155 (s)-0.169 (s)
Hình 4.4. Đồ thị hiển thị sai số giữa tốc độ ước lượng và tốc độ thật Từ đồ thị kết quả đáp ứng tốc độ được phóng to và sai số giá trị tốc độ ước lượng ở hình 4.3, 4.4, chứng minh tốc độ ước lượng của bộ điều khiển trượt cổ điển vẫn còn tồn tại hiện tượng chattering do ảnh hưởng tín hiệu đóng ngắt của hàm sign, và sai số khoảng 7 (rad/s). Hiện tượng chattering có giảm ở phương pháp điều khiển NTSM, tuy nhiên vẫn còn tồn tại một giá trị lớn biên độ dao động quanh giá trị thực tế 0.5 (rad/s), điều này ta có thể thấy được ở đồ thị phóng to hình 4.3, và cuối cùng kết quả ước lượng của lý thuyết được nghiên cứu trong luận án cho đáp ứng với thời gian ngắn nhất (0.045s), và đạt được sai số xác lập gần như bằng không (0.03rad/s). Chất lượng tốc độ ước lượng phụ thuộc vào sai số dòng điện quan sát và dòng điện thực tế, dưới tác động của tín hiệu điều khiển làm cho sai số càng nhỏ chứng tỏ dòng
điện quan sát càng tiến tới giá trị dòng điện thực tế, khi đó tốc độ quan sát càng gần giá trị tốc độ thực tế.
Hình 4.5. Đồ thị hiển thị sai số giữa dòng điện ước lượng và dòng điện thực
Hình 4.6. Phóng to sai số giữa dòng điện ước lượng và dòng điện thật Đồ thị hình 4.5 và 4.6 hiển thị kết quả sai số của dòng điện thực tế và dòng điện ước lượng từ các phương pháp điều khiển. Ta thấy dòng điện ước lượng sử dụng bộ điều khiển SLM có sai số xác lập lớn nhất và duy trì quanh giá trị 5mA. Sai số dòng điện được ước lượng từ bộ điều khiển NTSM tuy biên độ có giảm nhưng vẫn duy trì một sai số xác lập, và đạt đáp ứng trong thời gian rất chậm 0.05ms so với hai bộ điều khiển còn lại, đồng thời trong khoảng thời gian từ 0 đến 0.02(s) biên độ dao động sai số khá lớn khoảng 20mA, do dòng điện của động cơ thay đổi lớn trong quá trình khởi động. Đồ thị màu tím hiển thị đáp ứng sai số dòng điện dưới tác động bộ điều khiển được thiết kế trong luận án, giá trị dòng điện sai số tiến về 0 khá nhanh trong khoảng thời gian khoảng 0.005(s) và duy trì sai số xác lập nhỏ gần như bằng 0.
Thông số chi tiết đáp ứng sai số dòng điện của các phương pháp điều khiển được thể hiện ở bảng 4.3.
Bảng 4.3. Kết quả sai số dòng điện ước lượng từ các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 1.3x10-4 0.058 2.8x10-3
2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.07 0.15 0.03 3 Thời gian đạt đỉnh (tp) (s) 0.5x10-4 1.3x10-3 0.7x10-3 4 Giá trị đỉnh (Rad/s) 9x10-3 18.4x10-3 4.18x10-3 5 Sai số xác lập (A) 13x10-3 14x10-4 1.4x10-4 6 Tích phân bình phương sai lệch (ISE) 30.1x10-5 14.6x10-5 1.9x10-5
Hình 4.7 thể hiện tính hiệu điều khiển của bộ điều khiển FONTSM (màu tím) có biên độ nhỏ hơn tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển NTSM (màu vàng), thể hiện hiện tượng chattering của tín hiệu điều khiển trong lý thuyết nghiên cứu gần như được khắc phục.
Hình 4.7. Tín hiệu điều khiển
Để chứng minh tính bền vững của lý thuyết nghiên cứu trước sự thay đổi của mô hình, các thông số động cơ thường bất ổn định như:điện trở, độ tự cảm được khảo sát ở hai trường hợp khác nhau, bao gồm trường hợp thay đổi giá trị
L L
R
Rˆ 1.5 , ˆ 1.5 và khi Rˆ 3R, Lˆ2L, thông số củatải thay đổi khi động cơ hoạt động cũng được khảo sát ở hai thời điểm đóng tải là 0.2(s) và 0.4(s).
Xét trường hợp giá trị điện trở và độ tự cảm thay đổi: Rˆ 1.5R,Lˆ1.5L
Hình 4.8. Giá trị ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ 1.5R, Lˆ1.5L
Hình 4.9. Sai số ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ 1.5R, Lˆ 1.5L
Hình 4.10. Kết quả sai số dòng điện khi Rˆ 1.5R, Lˆ1.5L
Đồ thị hình 4.8 thể hiện giá trị tốc độ thật của động cơ và các giá trị tốc độ ước lượng được từ các bộ điều khiển, kết quả được thể hiện cụ thể bằng số liệu được tổng hợp ở bảng 4.4.
Bảng 4.4. Bảng kết quả ước lượng tốc độ khi Rˆ 1.5R, Lˆ 1.5L
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.0379 0.0377 0.0376 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.1202 0.0577 0.0504 3 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.5310 0.4378 0.0592
4 Giá trị đỉnh (rad/s) 237.45 237.23 236.33
5 Sai số xác lập (rad/s) 6.02 1.87 0.13
6 Tích phương sai lệch (ISE) phân bình 137 79.52 28.43
Từ bảng thông số mô tả chất lượng đáp ứng của các bộ điều khiển khi hệ thống có thông số mô hình thay đổi, ta nhận thấy phương pháp FONTSM vẫn đạt được tính ổn định khi có độ vọt lố khoảng 0.06%, nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp SLM (0.5%) và NTSM (0.4%), giá trị đỉnh đạt 236.33 (rad/s) gần sát với giá trị tốc độ thật của động cơ là 236 (rad/s), giá trị sai số xác lập của phương pháp SLM tăng từ 5.3 lên 6.02 (rad/s), phương pháp NTSM tăng từ 0.65 lên 1.87 (rad/s), trong khi đó phương pháp FONTSM chỉ tăng từ 0.03 lên 0.13 (rad/s).
Đồ thị hình 4.10 chứng minh tính ổn định của dòng điện quan sát khi sử dụng phương pháp FONTSM, trong khi đó dòng điện ước lượng được sử dụng phương pháp NTSM và SLM có biên độ dao động khá lớn khi thông số động cơ thay đổi.
Xét trường hợp giá trị điện trở và độ tự cảm thay đổi: Rˆ 3R, Lˆ 2L
Hình 4.12. Sai số ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ3R, Lˆ 2L
Hình 4.13. Kết quả sai số dòng điện khi Rˆ 3R,Lˆ2L Bảng 4.5. Bảng kết quả ước lượng tốc độ khi Rˆ 3R, Lˆ 2L
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.0375 0.0335 0.0269 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.5995 0.06 0.0491 3 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.9173 0.4905 0.0419
4 Giá trị đỉnh (Rad/s) 238.36 237.35 236.29
5 Sai số xác lập (rad/s) 7.01 2.301 0.118
6 Tích phân bình
phương sai lệch (ISE) 186.1 121.7 54.4
Xét trường hợp động cơ có tải thay đổi: giá trị tốc độ ước lượng được từ phương pháp FONTSM được sử dụng trực tiếp cho bộ điều khiển. Để chứng minh trường hợp kết quả ước lượng ổn định và áp dụng được trong trường hợp có tải thay đổi, xét hai trường hợp tải thay đổi theo giá trị dương và âm ở hai thời điểm là 0.2(s) và 0.4(s).
Hình 4.14. Tốc độ thật và tốc độước lượng khi có tải thay đổi
Hình 4.15. Sai sốdòng điện của các bộước lượng
Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả tốc độ ước lượng của các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.0299 0.0264 0.022 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.0592 0.049 0.0423 3 Thời gian đạt đỉnh (tp) (s) 0.0742 0.0663 0.0621
4 Giá trị đỉnh (Rad/s) 203.4 203.8 203
5 Sai số xác lập (rad/s) 5.7 0.53 0.298
6 Tích phân bình phương
sai lệch (ISE) 102.9 57.64 14.56
Từ đồ thị hình 4.15, nhận thấy rằng giá trị sai số dòng điện của phương pháp ước lượng SLM (màu cam) vẫn duy trì sai số xác lập lớn do đặc tính đóng ngắt của hàm sign và hệ số hiệu chỉnh của nó, phương pháp NTSM có biên độ chattering nhỏ hơn, tuy nhiên giá trị sai số dao động với biên độ lớn ở những thời điểm tải của động cơ thay đổi, do đó dẫn đến giá trị tốc độ ước lượng không chính xác, ngược lại, sai số dòng điện khi sử phụng phương pháp FONTSM (màu tím) luôn duy trì sai số xác lập
với biên độ nhỏ và ổn định khi có tải thay đổi. Vì vậy giá trị tốc độ ước lượng được hoàn toàn có thể làm tín hiệu hồi tiếp cho các bộ điều khiển.