.6 Tốc độ quan sát

66

Bộ điều khiển tốc độ cho SRM sử dụng kỹ thuật điều khiển Backstepping kết hợp với bộquan sát trạng thái - đã được kiểm chứng tính chính xác ởtrên, sẽ được đánh giá chất lượng điều khiển ở phần dưới đây. Dịng điện các pha và mơ men của hệđược thể hiện ở Hình 4.7, Hình 4.8. Dịng điện pha đóng vai trị quan trọng trong quá trình điều khiển động cơ từ trở, việc xác định thời điểm cấp dòng cho các pha là một vấn đề cần thiết được nghiên cứu kỹ. Do vậy, trong giới hạn của luận án, tác giả tạm thời bỏ qua vấn đề này, chỉ tập trung nghiên cứu về bộ điều khiển Backstepping nhằm cải thiện đặc tính tốc độ của SRM. Cũng chính vì khơng tập trung nghiên cứu về bộđóng/mở các khóa chuyển mạch logic nên đặc tính mơ men thu được ở Hình 4.8 cho kết quảchưa được thuyết phục.

Hình 4.7 Dịng điện các pha

Trên cơ sở mơ hình kết hợp phi tuyến của SRM với bộ điều khiển Backstepping

đã được khẳng định về chất lượng điều khiển ởchương 3. Trong phần này, đáp ứng tốc độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping được sử dụng làm quy

chiếu để so sánh với đáp ứng tốc độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping kết hợp với bộquan sát (Backstepping-quan sát). Mục đích: từ sự so

sánh về chất lượng điều khiển của hai hệ thống, luận án đưa ra đánh giá về khả năng thực thi của hệ thống điều khiển SRM giảm bớt thiết bị đo (đo tốc độ, đo từ

67

Hình 4.8 Mơ men điện từ của động cơ từ trở

Hình 4.9 là đáp ứng tốc độ của hai hệ thống với giá trị đặt d 16 (rad s/ ). Kết quả cho thấy, chất lượng điều khiển của hai hệ thống là tương đương nhau khi đều cho sai số xác lập và lượng quá điều chỉnh bằng 0. Bộ điều khiển Backstepping cho kết quả tốt hơn không đáng kể khi thời gian xác lập được rút ngắn 0,1s so với bộ điều khiển Backstepping-quan sát. Hình 4.10 là đáp ứng tốc độ của hai hệ thống với tốc độ đặt trung bình và định mức, tương ứng d 150 (rad s/ ) và

300 ( / )

d rad s

  . Kết quảmơ phỏng cho thấy ở tốc độtrung bình và định mức, bộ điều khiển Backstepping và Backstepping kết hợp bộ quan sát cho chất lượng điều khiển tương đương nhau, đảm bảo được yêu cầu điều khiển là sai số xác lập bằng 0 và khơng có lượng q điều chỉnh.

68

Hình 4.10 Đặc tính tốc độtrường hợp tốc độđặt 150 và 300 rad/s

Hình 4.11 Đặc tính tốc độvà sai số

Bảng 4.2 Chất lượng điều khiển của Backstepping và Backstepping-quan sát

Backstepping Backstepping-quan sát

Sai sốxác lập 4

10 104

Thời gian quá độ 0,4 0,5

Lượng quá điều chỉnh (%) 0 0

Hình 4.11 là kết quả so sánh đáp ứng tốc độ giữa bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển Backstepping sử dụng bộ quan sát trạng thái với giá trị đặt

10 ( / )

d rad s

  . Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ quan sát trạng thái cho chất lượng gần như tương đương với bộ điều khiển Backstepping không dùng bộ quan sát. Kết quả so sánh chất lượng điều khiển với trường hợp này được thể hiện trong Bảng 4.2. Lượng quá điều chỉnh và sai số xác lập gần như bằng 0 ở cả hai hệ thống. Thời gian quá độ của bộ điều khiển Backstepping (0,4s) ngắn hơn so với bộ Backstepping quan sát (0,5s) không đáng kể.

Như vậy, các kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng hệ thống điều khiển SRM bằng bộđiều khiển Backstepping kết hợp bộquan sát trạng thái phi tuyến hoàn toàn đạt được các chất lượng mong muốn, tương đương với hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping thông thường. Như vậy trong thực tế chúng ta có thể tổng hợp các bộ điều khiển khơng cần đo các tín hiệu ra của động cơ như từ thông, tốc độ và vị trí của rotor thơng qua các bộquan sát trạng thái.

69

4.2 Bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ ƣớc lƣợng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo

4.2.1 Đặt vấn đề

Phần 4.1 tác giả đã trình bày bộđiều khiển Backstepping kết hợp với bộquan sát trạng thái phi tuyến cho động cơ từ trở. Ưu điểm của phương pháp này là có thểáp dụng cho hệ thống điều khiển SRM không cần cảm biến. Tuy nhiên, để xây dựng được bộ quan sát từ thông là khơng đơn giản, trải qua các phương trình tính tốn phức tạp. Mặt khác, nhiều phương pháp thiết kế bộđiều khiển đã lựa chọn giải pháp tính tốn trực tiếp từ thông từ các cơng thức tốn học gần đúng. Tuy nhiên, bằng cách đó, sai số tính tốn so với giá trị từ thơng thực nhiều khi q lớn. Đồng thời, phương trình từ thơng với các tham số không dễ xác định được nên trong thực tế người ta phải sử dụng các thiết đo từ thơng ởcác thời điểm dịng và góc rotor khác nhau, sau đó dùng cơng thức nội suy tuyến tính để có được đặc tính từ thơng đưa vào bộ điều khiển. Quá trình này vơ tình làm cho quá trình truy xuất dữ liệu từ thông khi điều khiển bị chậm lại. Để khắc phục nhược điểm này, luận ánnghiên cứu xây dựng bộ ước lượng từthông bằng mạng nơ ron nhân tạo (ANN). Bộước lượng từ thông ANN được huấn luyện offline trước khi kết hợp với bộ điều khiển phi tuyến. Chính vì vậy mà giảm được đáng kể thời gian quan sát từ thông. Bộ điều khiển Backstepping kết hợp với bộ ước lượng từ thông là một giải pháp hợp lý trong việc nâng cao chất lượng điều khiển cho SRM.

4.2.2 Bộ ƣớc lƣợngtừ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo

Bộ ước lượng từ thông bằng ANN kết hợp kỹ thuật học sâu được trình bày chi tiết trong mục 2.3 của chương 2 của luận án. Để áp dụng thay thế thiết bị đo từ thông sử dụng trong bộ điều khiển Backstepping, trước tiên phải huấn luyện ANN offline cho đến khi đạt được độ chính xác cần thiết, sau đó mới được sử dụng thay thế thiết bị đo. Trong luận án sử dụng bộ dữ liệu mẫu lấy từ mơ hình SRM với các thông số trong Bảng phụ lục 3.

4.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển

Bộđiều khiển Backstepping được đề xuất ở phần 3.2 chỉ thực hiện được khi các biến trạng thái của SRM gồm biến từ thông, tốc độ, vị trí rotor được cung cấp đầy đủ. Trong các biến trạng thái trên, biến trạng thái tính từ thơng với các tham số khó xác định được cung cấp từ bộ nhận dạng được trình bày ở phần 2.3. Kỹ thuật điều khiển Backstepping (3.65) cho SRM kết hợp bộước lượng từthơng bằng mạng nơ ron có cấu trúc như trong Hình 4.12. Mạng nơ ron nhân tạo sau khi được huấn huyện offline được đưa vào bộ điều khiển. Như vậy, thay vì từ thông của SRM được cung cấp cho bộ điều khiển bằng online, thì chúng được cung cấp ở trạng thái offline. Điều này sẽgiúp hệ thống giảm được thời gian tính tốn.

70

Hình 4.12 Hệ thống điều khiển Backstepping kết hợp bộước lượng từthông bằng mạng

nơ ron nhân tạo

4.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng

Chất lượng của bộ ước lượng từ thông và hệ thống điều khiển SRM được mô phỏng kiểm chứng bằng trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả kiểm chứng đặc tính từthơng nhận dạng được cho trong Hình 4.13. Đặc tính từthơng nhận dạng từ bộ ước lượng bằng mạng nơ ron và từ thông thực được so sánh với nhau. Kết quả cho thấy bộ ước lượng từ thông cho kết quả gần như trùng khớp với từthông thực, sai lệch từthông là bằng 0, Hình 4.13b. Kết quảnày cho thấy có thể sử dụng bộước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo để cung cấp giá trị từ thông cho bộ điều khiển thay cho giá trị từthông đo lường thực nghiệm, hoặc giá trị từthơng tính tốn từcác phương trình xấp xỉ gần đúng. Đặc tính mơ men của động cơ từ trởthu được từ hệ thống sử dụng bộđiều khiển Backstepping kết hợp với bộ ước lượng từthông bằng mạng nơ ron, Hình 4.14. Đặc tính mơ men có biên độ đập mạch cao, chất lượng mô men chưa tốt với lý do được tác giả trình bày ở phần 4.1 khi tác giả tạm thời bỏ qua ảnh hưởng của bộ điều khiển khóa chuyển mạch logic trong luận án này.

71

Hình 4.14 Đặc tính mơ men điện từ

Mục đích giống như phần 4.1, đáp ứng tốc độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping với mơ hình kết hợp phi tuyến của SRM được sử dụng để so

sánh với hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping kết hợp với bộ nơ ron ước lượng từthông. Sự tương đồng về chất lượng điều khiển của hai hệ thống được sử

dụng làm cơ sở cho khả năng thực thi của hệ thống điều khiển SRM trong thực tế, nhằm giảm bớt thiết bị đo (đo từ thông) mà chỉ cần dùng bộ ANN để ước lượng từ thông.

Bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển khiển Backstepping kết hợp bộ nơ ron (Backstepping-nơ ron) được sử dụng đểđiều khiển tốc độ cho SRM. Chất lượng của hai hệ thống được so sánh thông qua đánh giá chất lượng của đáp ứng tốc độ của SRM trong các trường hợp khác nhau. Hình 4.15 là đáp ứng tốc độvà sai số tốc độ của hai hệ thống Backstepping và Backstepping-nơ ron khi tốc độ đặt

10 ( / )

d rad s

  . Chất lượng của hai bộđiều khiển là tương đương nhau, được thể hiện chi tiết trong Bảng 4.3. Sai số xác xác lập và lượng quá điều chỉnh gần như bằng 0, thời gian quá độ giống nhau của cả hai hệ thống với 0,45s.

Hình 4.15 Đặc tính tốc độvà sai lệch tốc độtrường hợp tốc độđặt 10 rad/s

Bảng 4.3 Chất lượng điều khiển giữa Backstepping và Backstepping-nơ ron

Backstepping Backstepping–nơ ron

Sai lệch tĩnh 10-4 10-4

Thời gian xác lập 0,45 0,45

72

Trường hợp tốc độ đặt trung bình và định mức, ứng với d 150 (rad s/ )và 300 ( / )

d rad s

  trong Hình 4.16, đáp ứng tốc độ của bộ Backstepping và Backstepping-nơ ron tiếp tục cho thấy sự giống nhau, chất lượng điều khiển rất tốt. Ở cả hai trường hợp tốc độ trung bình và định mức, lượng quá điều chỉnh và sai số xác lập của hai đường đặc tính tốc độ đều bằng 0, thời gian quá độ của bộ Backstepping-nơ ron (0,45s) tốt hơn bộ Backstepping (0,5s) chỉ 0,05s. Tiếp tục kiểm chứng với trường hợp tốc độ đặt thay đổi từ d 15 (rad s/ ) lên

20 ( / )

d rad s

  như Hình 4.17. Chất lượng điều khiển của hai hệ thống gồm hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping và hệ thống sử dụng bộ điều khiển Backstepping-nơ ron xét tại thời điểm t = 1s (là thời điểm giá trị đặt thay đổi) được cho trong Bảng 4.4. Kết quảmô phỏng cho thấy hai đường đáp ứng tốc độ gần như là một, chất lượng điều khiển với các chỉ tiêu đánh giá như lượng quá điều chỉnh, thời gian quá độ và sai sốxác lập là như nhau. Thời gian đáp ứng của đặc tính tốc độ do bộ Backstepping-nơ ron vẫn nhanh hơn đặc tính tốc độ của bộ Backstepping, mặc dù khơng đáng kể.

Hình 4.16 Đặc tính tốc độ trường hợp tốc độ đặt 150 và 300 rad/s

Hình 4.17 Đặc tính tốc độvà sai lệch tốc độtrường hợp tốc độđặt thay đổi

Bảng 4.4 Chất lượng điều khiển giữa Backstepping và Backstepping-nơ ron khi tốc độ đặt thay đổi

Backstepping Backstepping-nơ ron

Sai lệch tĩnh 0 0

Thời gian xác lập 0,3 0,3

73

Các kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng hệ thống điều khiển SRM bằng bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron tương đương với hệ thống điều khiển Backstepping thường. Đồng thời, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển SRM bằng bộđiều khiển Backstepping kết hợp bộước lượng từthông bằng mạng nơ ron nhanh hơn so với hệ thống điều khiển Backstepping thường. Điều này góp phần cải thiện được thời gian cũng như tính phức tạp trong tính tốn các giá trị biến trạng thái phi tuyến của động cơ từ trở. Hơn nữa, hệ thống điều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thơng bằng ANN hồn tồn có thể được sử dụng trong thực tế nhằm giảm bớt thiết bịđo từ thông.

4.3 Đánh giá ảnh hƣởng sai lệch đặc tính từ thơng quan sát và đặc tính từ thơng ƣớc lƣợng đến chất lƣợng hệ thống điều khiển

4.3.1 Đặt vấn đề

Mặc dù bộ quan sát từ thông cho chất lượng tốt và sai số chấp nhận được, có thể áp dụng kết hợp cùng bộ điều khiển Backstepping nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ từ trở. Tuy nhiên, từ thông nhận dạng thu được từ bộ ước lượng bằng mạng nơ ron nhân tạo cho sai số gần như bằng 0. Điều này góp phần đáng kể trong việc nâng cao chất lượng điều khiển SRM. Phần 4.3 trình bày so sánh về chất lượng điều khiển tốc độ của hệ thống trong hai trường hợp: bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộquan sát từthông và bộđiều khiển Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thông bằng mạng nơ ron nhân tạo, có xét đến ảnh hưởng của sựthay đổi tải.

Để đánh giá ảnh hưởng tính chính xác trong việc xác định giá trị của từ thông đến chất lượng đáp ứng quá độ tốc độ của hệ thống điều khiển, luận án trình bày và đánh giá chi tiết thông qua chất lượng của hệ thống điều khiển xét với trường hợp tải thay đổi.

4.3.2 Trƣờng hợp giảmtải

Trường hợp tải giảm từ 2 Nm xuống 1,5 Nm, chất lượng của bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển Backstepping kết hợp bộ quan sát được thể hiện trong Hình 4.18. Kết quả đáp ứng tốc độ ở Hình 4.18 cho thấy bộ điều khiển Backstepping-quan sát cho đáp ứng tốc độổn định nhanh khi có tải thay đổi.

74

Hình 4.18 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-quan sát khi

giảm tải

Tương tự, Hình 4.19 là đáp ứng tốc độ của bộ điều khiển Backstepping với từ thơng tính tốn và bộ Backstepping kết hợp bộ ước lượng từ thơng khi có tải thay đổi 1 Nm. Kết quả cho thấy sự tương đồng trong chất lượng điều khiển tốc độ của hai hệ thống (Bảng 4.5) trong trường hợp có sựthay đổi tải.

Chất lượng điều khiển tốc độ cho SRM của ba hệ thống điều khiển xét với trường hợp có tải thay đổi được thể hiện ở Bảng 4.5. Chất lượng của bộ Backstepping-nơ ron và bộ Backstepping là tốt như nhau với lượng quá điều chỉnh chỉ khoảng 10%, thời gian quá độ 0,3 – 0,4s. Bộ Backstepping-quan sát cho chất lượng kém hiệu quả hơn khi lượng quá điều chỉnh lên tới 15% và thời gian quá độlà 0,45s. Điều này có thể nhận định rằng, chất lượng điều khiển chịu ảnh hưởng khơng nhỏ do tính chính xác của biến trạng thái từ thơng đem lại. Từ thơng được ước lượng bằng mạng nơ ron chính xác hơn so với từthông từ bộquan sát mang lại chất lượng điều khiển tốt hơn.

Hình 4.19 Đáp ứng tốc độ của hệ thống Backstepping và Backstepping-nơ ron khi giảm tải

Bảng 4.5 Thông số chất lượng hệ thống điều khiển của Backatepping, Backstepping-nơ ron và Backstepping-quan sát với tải giảm

Thơng số Backstepping-nơ ronCó tải thay đổ Backstepping Backstepping-i tại thời điểm 1s quan sát Độquá điều chỉnh 11% 10% 15%

Thời gian quá độ 0,35 0,35 0,45

75

4.3.3 Trƣờng hợp tăng tải

Tương tự, chất lượng điều khiển giữa các hệ thống được so sánh trong trường hợp có tải thay đổi tăng từ 2 Nm lên 3 Nm, tại thời điểm 1s. Hình 4.20 và Hình 4.21 là đáp ứng tốc độ của hệ thống giữa bộ Backstepping và Backstepping-quan sát, giữa bộ Backstepping và Backstepping-nơ ron. Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng