Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phương pháp phản hồi trạng thái

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ƠNG HỒNG NGỌC HƯNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Chuyên ngành: Tự động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : TS. Trần Đình Khơi Quốc Phản biện 1 : PGS. TS. Bùi Quốc Khánh Phản biện 2 : TS. Phan Văn Hiền Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chon đề tài Ngày nay trong các hệ truyền động của các dây truyền sản xuất hiện đại, ĐCKĐB rotor lồng sĩc đang được sử dụng rộng rãi bởi cĩ nhiều ưu điểm như: Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy và an tồn. Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển và các ngành cĩ liên quan làm cho ĐCKĐB rotor lồng sĩc đang chiếm dần ưu thế trong các hệ truyền động. Trong quá trình điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sĩc. Để động cơ làm việc được chính xác và ổn định thì cĩ nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp cĩ những ưu điểm và nhược điểm, nhưng mục đích chung là phương pháp phải đơn giản, ổn định, chính xác, chi phí thấp....và cĩ hiệu quả cao. Phương pháp phản hồi trạng thái sử dụng các tín hiệu phản hồi để điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sĩc làm việc theo đúng yêu cầu đặt ra, đáp ứng nhanh được các tín hiệu đầu vào, loại bỏ được các nhiễu loạn trong hệ thống, ít nhạy với thay đổi các lỗi về kích cỡ. Việc chuyển đổi điều khiển hiệu quả và linh họat bằng cách biến đổi khuyếch đại điều khiển, Máy mĩc được điều khiển chính xác dưới nhiễu loạn từ các biến đổi bên ngồi. Vì vậy tơi đã chọn Đề tài “Điều khiển động cơ khơng đồng bộ bằng phương pháp phản hồi trạng thái” để làm đề tài nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sĩc ở hệ tuyến tính, hệ phi tuyến. Xây dựng mơ hình và mơ phỏng kết quả trên Matlab-Simulink 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: ĐCKĐB rotor lồng sĩc 4 Phạm vi nghiên cứu: Điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sĩc theo phương pháp phản hồi trạng thái. 4. Phương pháp nghiên cứu Phường pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn đề về phương pháp phản hồi trạng thái, các mơ hình ĐCKĐB rotor lồng sĩc, Tổng hợp bộ điều khiển PHTT theo phương án đã chọn. Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng cơng cụ tính tốn trong phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mơ phỏng, mơ phỏng kiểm chứng thuật tốn và đánh giá kết quả. 5. Ý nghĩa khoa học thực tiển của đề tài Đề tài được nghiên cứu thành cơng sẽ gĩp phần kiểm chứng và phát triển phương pháp điều khiển bằng PHTT, một phương pháp điều khiển linh hoạt, tồn diện trong khơng gian trạng thái vào đối tượng điều khiển đang sử dụng rộng rãi hiện này là ĐCKĐB rotor lồng sĩc. Đây sẽ là cơ sở để xây dựng các hệ thống điều khiển cĩ chất lượng cao về độ chính xác, ổn định và thỏa mãn đối với các hệ thống truyền động cĩ yêu cầu nghiêm ngặt về mặt động học 6. Cấu trúc luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan về khơng gian trạng thái Chương 2: Phương pháp phản hồi trạng thái Chương 3: Mơ hình hĩa động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sĩc Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái điều khiển động cơ khơng đồng bộ 3 pha Kết luận Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI 1.1. Giới thiệu vệ khơng gian trạng thái 1.2. Các biến trạng thái của một hệ thống động 5 1.3. Phương trình trạng thái của hệ thống 1.3.1. Mơ hình trạng thái liên tục của hệ thống 1.3.2. Mơ hình trạng thái gián đoạn của hệ thống 1.4. Các tính chất của hệ thống trên khơng gian trạng thái 1.4.1. Tính ổn định 1.4.2. Tính điều khiển được 1.4.3. Tính quan sát được 1.5. Kết luận Chương 2 PHƯƠNG PHÁP PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 2.1. Giới thiệu về phương pháp phản hồi trạng thái 2.2. Phương pháp phản hồi trạng thái 2.2.1. Đặt vấn đề 2.2.2. Phương pháp phản hồi trạng thái cho hệ tuyến tính Từ hệ phương trình (2− 1)    += += )()()()()( )()()()()( kukDkxkCky kukBkxkAkx Ta cĩ cấu trúc phản hồi trạng thái (Hình 2.2) Với )()()( kKxkwku −= ( )22− Ở đây w(k)= 0 Thay ( )22 − vào hệ phương trình ( )12 − ta được    +−= +−=+ )().()().).()(( )().()().).()(()1( kwkDkxKkDkCy kwkBkxKkBkAkx ( )32 − Nhiệm vụ là phải thiết kế K sao cho ma trận [A(k)− B(k)K] nhận n Hình 2.3. Mơ hình điều khiển PHTT yk wk Z-1 Ak Bk Ck K uk xk+1 xk Dk 6 giá trị si, i = 1,2...,n, đã chọn trước từ yêu cầu chất lượng cần cĩ của hệ thống thống gồm các bước sau Bước 1: Xác định đa thức đặc trưng ∆(s) của ma trận A(k) ∆(s) = det(sI −A(k)) = sN + a1 sN-1 + a2 sN −2 + ...+ aN ( )42 − Bước 2: Chọn các nghiệm sk = ( s1, s2, ...sN ) mong muốn cho phương trình đặc trưng của hệ thống. Ta sẽ thiết kế bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái K theo phương pháp Roppenecker để chuyển các điểm cực trên tới những vị trí mới Bước 3: Kiểm tra lại các thơng số xem K cĩ tổng hợp được, ma trận hệ kín A(k) - B(k).K Phương pháp Roppenecker tìm ma trận K Nhiệm vụ đặt ra là phải tìm bộ điều khiển phản hồi trạng thái K sao cho hệ kín ( ) )().()(.).()()1( kwkBkxKkBkAkx +−=+ nhận những giá trị si, i=1,..,n cho trước làm điểm cực. Trích luận văn (tr.19,20) ta tìm được bộ điều khiển phản hồi trạng thái K ( )( ) 12121 ...... −−= NN aaatttK ( )72− 2.2.3. Phương pháp phản hồi trạng thái cho hệ phi tuyến Xét phương trình trạng thái hệ phi tuyến cĩ m tín hiệu vào, m tín hiệu ra, n biến trạng thái (n ≥ m) cĩ dạng      = +=+= ∑ = )( )()()()( 1 xgy uxhxfuxHxf dt dx i m i i )82( )82( b a − − Trong đĩ           = nx x x M 1 ;           = mu u u M 1 ;           = )( )( )( 1 xg xg xg m M ; ( ))(),...,(),()( 21 xhxhxhxH m= Thiết kế bộ điều khiển PHTT cho hệ phi tuyến (2−8) là ta tìm cách đổi hệ trục tọa độ z = m(x) để chuyển hệ phương trình phi tuyến sang 7 dạng hệ phương trình tuyến tính phương pháp TTHCX. Phương pháp Tuyến Tính Hĩa Chính Xác. Trích từ luận văn (tr.21-24) ta cĩ các bước sau Bước 1: Xác định vector bậc tương đối (r1,r2,…,rm) của đối tượng 0)( =xgLL jkfhi khi k ≤ rj - 2 với mọi i, j = 1,2, ... , m. Bước 2: Kiểm tra điều kiện r = r1+r2, +…+rm = n và Ma trận L(x) khơng suy biến với               = −−− −−− −−− )()()( )()()( )()()( )( 111 2 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 21 22 2 2 1 11 2 1 1 xgLLxgLLxgLL xgLLxgLLxgLL xgLLxgLLxgLL xL m r fhm r fhm r fh r fh r fh r fh r fh r fh r fh m m mm m m L MOMM L L ( )92− Bước 3: Thực hiện phép đổi hệ trục tọa độ ta sẽ đưa hệ phi tuyến (2–8) trở thành hệ tuyến tính MIMO như sau     = += Cwy BwAz dt dz . )112( )112( b a − − Trong đĩ               ΘΘ ΘΘ ΘΘ = MA A A A L MOMM L L 2 1 ;               ΘΘ ΘΘ ΘΘ = Mb b b B L MOMM L L 2 1 ;               ΘΘ ΘΘ ΘΘ = T m T T c c c C L MOMM L L 2 1 Với: Θ là ma trận gồm tồn các phần tử 0,               Θ = 000 100 00 L L MOMM L A thuộc kiểu rk×rk ;               = 1 0 0 M kb thuộc kiểu rk×1 ( )001 L=Tkc thuộc kiểu 1×rk, Bước 4: Tìm bộ điều khiển PHTT cho đối tượng (2 - 8) được tạo ra bởi phép biến đổi trục sau 8 wxLxau )()( 1−+= )122( − Với:           = −− −− )()( )()( )( 11 1 1 1 1 1 11 1 xgLLxgLL xgLLxgLL xL m r fhm r fh r fh r fh m m m m L MOM L ;           −= − − )( )( )()( 1 1 1 1 xgL xgL xLxa m r f r f m M )132( − Ta xây dựng được mơ hình tuyến tính hĩa chính xác Khi đã được tuyến tính hĩa chính xác, hệ kín (tuyến tính) với mơ hình trạng thái )112( − sẽ cĩ ma trận truyền đạt: )( 10 01 )( 1 sW s s sY mr r               = L MOM L )142( − Bộ điều khiển )122( − và phép đổi biến trục tọa độ khơng những đã tuyến tính hĩa được đối tượng mà cịn tách được nĩ thành m kênh riêng biệt. 2.3. Dự đốn trạng thái của hệ thống Hệ thống được mơ tả bằng hệ phương trình )12( − sau đây:    += += )()()()()( )()()()()( kukDkxkCky kukBkxkAkx Trích từ luận văn (tr.24-26). Ý tưởng chính của phương pháp thiết kế bộ quan sát trạng thái Luenberger là sử dụng khâu như (Hình 2.5) cĩ hệ phương trình Hình 2.4. Điều khiển tuyến tính hĩa chính xác quan hệ vào-ra hệ phi tuyến MIMO. 9    = −−++=+ )()()( )]()()()([)()()()()1( 1 kqkCky kukDkykyLkukBkqkAkq )152( − Để cĩ được sự xấp xĩ q(k)≈ x(k) ít nhấy là sau một khoảng thời gian T đủ ngắn nĩi cách khác là cĩ được 0)()( ≈− ∞ tdtx khi t ≥ T Nhiệm vụ thiết kế là xác định L trong (2 – 15) là tìm LT để phương trình (A(k)-C(k)L)T = AT-CTLT nhận các giá trị s1,s2,…sn làm giá trị riêng gồm các bước sau: Bước 1: Chọn trước n giá trị s1 s2,…,sn cĩ giá trị nằm trong đường trịn < 1 ứng với thời gian T mong muốn để quan sát tín hiệu vào Bước 2: Sử dụng phương pháp đã biết Roppenecker để tìm bộ điều khiển LT phản hồi trạng thái gán điểm cực s1,s2,…,sn cho đối tượng )()()()()1( kukCkxkAkx TT +=+ ( )162− Bộ quan sát trạng thái thường được sử dụng kèm với bộ điều khiển phản hồi trạng thái (Hình 2.5) Hình 2.6. Mơ hình quan sát trạng thái y(k) A(k),B(k) C(k) x(k) q(k) A(k),B(k) C(k) L K y1(k) u(k)    += +=+ )k(u)k(D)k(x)k(C)k(y )k(u)k(B)k(x)k(A)1k(x [ ])k(y)k(yL )k(u)k(B)k(q)k(A)1k(q 1−+ +=+ u(k) y(k) q(k) Hình 2.5. Mơ hình quan sát trạng thái hệ thống 10 2.4. Kết luận Phương pháp PHTT là dùng các biến trạng thái đo được ở đầu ra với các tín hiệu đo được ở đầu vào để lấy tín hiệu thơng qua bộ quan sát trạng thái. Những trạng thái quan sát được đĩ chính là những trạng thái điều khiển ổn định của hệ thống qua một ma trận điều khiển. Với mơ hình tuyến tính ta dùng phương pháp gán điểm cực để tìm bộ phản hồi trạng thái, với mơ hình phi tuyến ta dùng phương pháp tuyến tính hĩa chính xác để tìm bộ phản hồi trạng thái Chương 3 MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3.1. Giới thiệu 3.2. Quan hệ điện từ trong động cơ khơng đồng bộ 3 pha 3.3. Mơ hình trạng thái liên tục trên hệ trục tọa độ dq Từ các phương trình (3-1),(3-2),(3-3), (Trích từ luận văn tr.28-3) ta thu được hệ phương trình mới ( ) ( )              −−−= −+−=       +      − +      − −      − +−−=       +      − +      − ++      − +−= // , / // , / / , / , / , / , 11 11 11111 11111 rq r rdssq r rq rqsrd r sd r rd sq s rq r rdsq rs sds sd sd s rqrd r sqssd rs sd T i Tdt d T i Tdt d u LT i TT i dt di u LT ii TTdt di ψψωωψ ψωωψψ σ ψ σ σψω σ σσ σ ω σ ψω σ σψ σ σ ω σ σ ( )113− Trong đĩ: m rd rd L ψψ =' ; m rq rq L ψψ =' rs m LL L21−=σ Hệ số từ tản tồn phần. s s s R LT = ; r r r R LT = Hằng số thời gian stator, rotor. 11 ( ) sqrdspsqrd r m pM iLziL L zm '1 2 3 ' 2 3 2 ψσψ −== ( )123− Đặt các vector: ( )'' ;;; rqrdsqsd iix ψψ= Vector trạng thái. ( )sqsd uuu ;= Vector đầu vào ( )sqsd iiy ;= Vector đầu ra Từ hệ phương trình ( )113− viết dưới dạng mơ hình trạng thái     += += DuCxy BuAx dt dx )133( )133( b a − − ( ) ( )                        −−− −−− −− −      − +−− −−       − +− = r s r s rr rrs s r s rs TT TT TTT TTT A 110 101 1111 1111 ωω ωω σ σ ω σ σσ σ ω ω σ σ σ σ ω σ σ ;                 = 0 0 1 0 0 0 0 1 s s L L B σ σ       = 0 0 0 0 1 0 0 1 C       = 00 00 D Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq như (Hình 3.3.) Hình 3.3. Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq ∫ A B C u x D y dt dx 12 3.4. Mơ hình trạng thái gián đoạn trên hệ trục tọa độ dq Từ kết quả ở mục (1.3.2) ta cĩ được hệ PTTT gián đoạn    += +=+ )()()()()( )()()()()1( kukDkxkCky kukBkxkAkx )143( )143( b a − − Theo trích dẫn luận văn (tr.34-36) ta cĩ các biến đầu vào usd, usq và ωs là hằng số trong phạm vi chu kỳ trích mẫu T. Hệ phương trình ở trạng thái gián đoạn như sau ( ) ( )            −      −+−+= −+      −+=       +      − +      − −              − +−+−=       +      − +      − ++              − +−= )183(1 1 11111 11111 // , / // , / / , / , / , / , rq r rdssq r rq rqsrd r sd r rd sq s rq r rdsq rs sds sd sd s rqrd r sqsd rs sd T TTi T T dt d T T Ti T T dt d u L T T TTi TT TTi dt di u L TT T TTii TT T dt di ψψωωψ ψωωψψ ω ψ σ σψω σ σσ σ ω ω ψω σ σψ σ σ ω σ σ Từ phương trình trạng thái ( )143− ta cĩ các ma trận ( ) ( )                       − − − − −− − − − −       − +− −       − +− = r s r s r r r rs s r s rs T T T T T T T T T T T T T T TT T T T T T TT T kA 1 1 1 1 1 1 0 111 0 111 )( ωω σ σ ω σ σ ωω ω σ σ σ σ σ σ ω ω σ σ                 = 0 0 0 0 0 0)( s s L TL T kB σ σ       = 0 0 0 0 1 0 0 1)(kC ;       = 00 00)(kD 13 3.5. Đặc điểm phi tuyến của mơ hình động cơ KĐB Động cơ KĐB cĩ ba đặc điểm phi tuyến đĩ là: Cấu trúc phi tuyến, tham số phi tuyến và đặc điểm phi tuyến rác. 3.6. Kết luận Mơ hình hố đối tượng điều khiển (ĐCKĐB 3 pha) là ta đi thiết lập ta đi thiết lập các phương trình tốn học để mơ tả các mối quan hệ giữa các biến trạng thái và mối quan hệ vào ra của đối tượng, việc mơ tả được thực hiện bằng cách phân tích chức năng, phân tích vật lý và phân tích tốn học các phương trình của động cơ từ đĩ ta lập được các mơ hình trạng thái liên tục của động cơ khơng đồng bộ 3 pha để thuận lợi cho việc nhận dạng khi ta áp dụng vào hệ thống MIMO, mặt khác ta đi thiết lập phương trình trạng thái gián đoạn của động cơ khơng đồng bộ. Chương 4 THIẾT KẾ BỘ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 4.1. Giới thiệu 4.2. Thơng số của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sĩc 4.3. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái điều khiển động cơ khơng đồng bộ 3 pha ở dạng tuyến tính Xét khi ω biến đổi bé quanh điểm làm việc.Trích dẫn luận văn (tr.39-41) Hình 3.4. Mơ hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq. Z-1 A(k) B(k) C(k) x(k) D(k) y(k) u (k) 14 Khi động cơ chạy với Momen tải mC = 50, ta đo được Tốc độ ωs = 2*pi*fn =314.1593 rad/s ω = 2*pi*ndm*Zp/60 =303.6873 rad/s Ta tìm được các ma trận               − −− = 9826.0 0314.0 3507.0 3403.18 0314.0 9826.0 3403.18 3507.0 0174.0 0 2811.0 9425.0 0 0174.0 9425.0 2811.0 )(kA ;               = 0 0 4986.0 0 0 0 0 4986.0 )(kB       = 0 0 0 0 1 0 0 1)(kC ;       = 00 00)(kD Thay các thơng số vào hệ ( )14− ta được phương trình trạng thái của động cơ           −      +      =               +               − −− =+ )34()( 00 00)( 0 0 0 0 1 0 0 1)( )( 0 0 4986.0 0 0 0 0 4986.0 )( 9826.0 0314.0 3507.0 3403.18 0314.0 9826.0 3403.18 3507.0 0174.0 0 2811.0 9425.0 0 0174.0 9425.0 2811.0 )1( kukxky kukxkx 4.3.1 Xét các tính chất của hệ thống trên khơng gian trạng thái Trích dẫn luận văn tr.41,42) ta xét xem hệ thống ( )34− cĩ điều khiển và quan sát được được khơng. 4.3.1.1.Tính điều khiển được Rank(U) = 4 N = 4 là hạng của ma trận A(k).Vậy hệ ( )34− trên điều khiển được 4.3.1.2. Xét tính quan sát được Rank(V) = 4 N =4 là hạng của ma trận A(k).Vậy hệ ( )34− trên quan sát được 15 4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp gán điểm cực Theo trích dẫn luận văn (tr.42-43) ta cĩ mơ hình phản hồi trạng thái (Hình 4.1) và tìm được phương trình dưới đây ( ) )()()()()()1( kwkBkxKkBkAkx +−=+ 4.3.2.1. Tìm ma trận phản hồi trạng thái K Theo trích dẫn luận văn (tr.43-48) với các điểm cực s1=0.67;s2=0.29;s3 = 0.068; s4 = -0.567 làm các giá trị riêng để hệ thống đạt được chất lượng mong muốn. chọn các vector tham số      − = 3 1 1t ;      − = 2 4 1t ;      − = 1 3 1t ;      − = 4 6 1t Ta tìm được       −− − −== 2936.156 0019.116 2303.83 8475.75 1207.4 6849.2 5986.0 1871.1 K 4.3.2.2.Thiết kề trên phần mềm Matlab Simulink Theo trích dẫn luận văn (tr.48) 4.3.2.3.Kết quả mơ phỏng yk Z-1 Ak Bk Ck K wk u( xk+1 xk Dk Hình 4.1. Mơ hình phản hồi trạng thái lý tưởng 16 4.3.3. Thiết kế bộ quan sát trạng thái Theo trích dẫn luận văn (tr.49,50) ta cĩ phương trình quan sát trạng thái    = −−++=+ )()()( )]()()()([)()()()()1( 1 kqkCky kukDkykyLkukBkqkAkq ( )44− 4.3.3.1. Tìm ma trận quan sát trạng thái L Bước 1: Chọn trước giá trị s1 = - 0.1 ; s2 = 0.1; s3 = - 0.2; s4 = 0.2 Tìm LT để (A(k)-C(k)L)T = AT-CTLT nhận các điểm cực làm giá trị riêng Bước 2: Sử dụng phương pháp đã biết Roppenecker để tìm bộ điều khiển LT phản hồi trạng thái gán điểm cực đã chọn Theo trích dẫn luận văn (tr.50,52) ta tìm được ma trận quan sát L               −− == 6867.0 4964.0 5969.3 3186.12 3425.0 2771.0 4322.3 2433.6 L 4.3.3.2. Thiết kề quan trạng thái sát trên phần mềm Matlab Simulink Theo trích dẫn luận văn (tr.53) isd isq Hình4.3.Kết quả mơ phỏng dịng điện isd,isq 17 4.3.3.3. Kết quả mơ phỏng 4.3.4. Thiết kế bộ PHTT và quan sát trạng thái trên phần mềm Matlab Simulink Hình 4.8. Mơ hình phản hồi trạng thái cĩ bộ quan sát trên Matlab Simulink Hình 4.7. Các kết mơ phỏng quan sát isd,isq,ψ’rd, ψ’rq bám sát nhau 18 4.3.5. Kết quả mơ phỏng Kết quả mơ phỏng dịng điện isd,isq 4.3.6 Đánh giá kết quả 4.3.6.1. Kết quả đạt được Bộ điều khiển phản hồi trạng thái K làm cho dịng điện đầu ra isd ,isq khơng bị dao động nhiều khi khởi động, và đạt chế độ xác lập trong khoảng thời gian ngắn Bộ quan sát trạng thái với ma trận L làm cho tín hiệu sai lệch của đầu ra dịng điện bám sát nhau và cùng đạt xác lập. Và dựa vào đĩ ta lấy được các trạng thái quan sát. các tín hiệu quan sát isd, isq,ψ’rd, ψ’rq của bộ quan sát và các tín hiệu isd,isq,ψ’rd, ψ’rq cần quan sát. Kết quả mơ phỏng trên (Hình 4.6, Hình 4.7) các trạng thái bám sát nhau và cùng đạt chế độ xác lập Khi kết hợp giữa bộ quan sát và bộ phản hồi trạng thái thì ta thấy kết quả đạt được tín hiệu đầu ra đúng theo yêu cầu của mơ hình trạng thái lý tưởng ở (Hình 4.3 và Hình 4.8) Hình 4.9. Kết quả mơ phỏng dịng điện isd,isq isd isq Hình 4.11. Kết quả mơ phỏng quan sát isd,isq,ψ’rd, ψ’rq bám sát nhau 19 4.3.6.2. Những hạn chế Mơ hình chỉ sử dụng cho hệ tuyến tính với tốc độ ωs,ω là hằng số. Nhưng thực tế thì những thơng số này thay đổi trong quá trình động cơ làm việc. Để giải quyết bài tốn này ta dùng phương pháp Tuyến tính hĩa chính xác cho mơ hình động cơ KĐB ta tách mơ hình dịng điện của động cơ để thực hiện. 4.3. Thiết kế bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ 3 pha ở dạng hệ phi tuyến 4.3.1. Tuyến tính hĩa chính xác mơ hình động cơ KĐB Từ hai phương trình đầu tiên của hệ phương trình (3-7) phương trình của gĩc lệch từ trường ϑs ta cĩ ta cĩ hệ:            =       +      − +      − −      − +−−=       +      − +      − ++      − +−= s s sq s rq r rdsq rs sds sd sd s rqrd r sqssd rs sd dt d u LT i TT i dt di u LT ii TTdt di ω ϑ σ ψ σ σψω σ σσ σ ω σ ψω σ σψ σ σ ω σ σ 11111 11111 / , / , / , / , ( )64− Theo trích dẫn luận văn (tr.57-59) ta tìm được hệ phương trình sau     = +++= • )( )( 332211 xgy uhuhuhxfx )94( − Trong đĩ ; 0 ' ' )( 2 1           −− +− = rdr rd cTdx cdx xf ωψ ψ ; ; 0 01           = a h ; ; 0 0 2           = ah           −= 1 1 2 3 x x h y1 = g1(x) = x1 ; y2 = g2(x) = x2; y3 = g3(x) = x3 Bây giờ ta thực hiện tuyến tính hĩa chính xác mơ hình dịng điện của động cơ KĐB đã viết dưới dạng )94( − . Theo trích dẫn luận văn (tr.59-63) ta tìm được bộ điều khiển phản hồi trạng thái 20 ( )                     − +                     −+      − +       − −      − + =           = 3 2 1 1 2 2 1 3 2 1 100 0 0 0 '111 ' 111 w w w xLL xLL LxL TT L T xL TT u u u u ss ss rdss rs rds r s rs σσ σσ ψωσσ σ ψσσ σ )204( − Được viết gọn lại wxLxpxLwxLxau )()()()()( 111 −−− +−=+= Mơ hình trạng thái mới ta thu được bây giờ )204( − cĩ thể được sử dụng cho việc thiết kế bộ điều khiển. Mơ hình tuyến tính thu được sau khi đã TTHCX như sau: )( 100 010 001 )( sW s s s xY                 = , Hay cĩ thể viết          = = = 3 2 1 w dt d w dt di w dt di s sq sd ϑ 4.4.2. Cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp Sau khi đã thực hiện TTHCX thành cơng trong khơng gian trạng thái mới z, quan hệ tách kênh đầu vào-đầu ra đã được đảm bảo hồn a(x) L-1(x) w Hình 4.12. Sơ đồ cấu trúc của đối tượng ĐCKĐB sau khi thực hiện TTHCX. 21 tồn.Viết riêng quan hệ vào/ra của hai thành phần dịng của ĐC ta cĩ      = = • • 2 1 wi wi sq sd )244( − Ta tách mơ hình động cơ thành 2 thành phần: Thành phần tạo từ thơng (dịng sdi ), thành phần tạo mơmen (dịng sqi ). 4.4.2.1.Mơ hình con phần điện (tạo từ thơng)      −= = • • rd r sd r rd sd T i T wi ' 11 ' 1 ψψ )254( − Đặt các biến trạng thái và các ma trận       = rd sdi x ' 1 ψ ; ( )11 wu = ; ( )sdiy =1 ;         − = rr TT A 11 00 1 ;       = 0 1 1B ; ( )011=C Mơ hình )254( − được viết lại dưới dạng mơ hình trạng thái phần điện như sau:     = += • 111 11111 xCy uBxAx )264( − 4.4.2.2. Mơ hình con phần cơ (tạo mơmen)      −= = • • )( 2 CM p M mm J z kwm ω )274( − Đặt các biến trạng thái và các ma trận       = ω Mm x2 ; ( )22 wu = ; ( )Mmy =2 ; ( )Cmn =2         = 0 00 2 J zA p ;       = 02 k B ; ( )012=C ;           − = J zD p 0 2 22 Mơ hình )274( − được viết lại dưới dạng mơ hình trạng thái phần cơ như sau     = ++= • 222 2222222 xCy nDuBxAx )284( − Dựa trên những kết quả đĩ ta thấy thay thế bộ điều chỉnh dịng hai chiều trong sơ đồ cấu trúc hệ truyền động tựa theo từ thơng rotor kinh điển bằng một khâu PHTT hay khối chuyển trục tọa độ và hai bộ điều chỉnh dịng riêng biệt cho hai thành phần trục d và q. 4.3.3. Tổng hợp các bộ điều khiển: 4.3.3.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh Risq và Rω: Giả thiết điều chỉnh tốc độ động cơ ở mức dưới tốc độ định mức. Khi nĩ giống như điều chỉnh tốc độ động cơ điệu 1 chiều, ta sẽ theo lụât từ thong khơng đổi → nhánh từ hĩa ψrd cĩ ∆ψrd =0 ( )           = = +      − −−= + sqrd r m pM sd rdr sq s rd m ssdmsq i L L zm i T u LL iLi T sT ψ ψ ω σ ωψ σ σ ω σ σ 2 3 1 111 0 00 )294( − Hình 4.13. Cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp của động cơ KĐB. 23 Tổng hợp mạch điều khiển gồm khâu điều chỉnh tốc độ và khâu điều chỉnh dịng, coi khâu nghịch lưu cĩ quán tính rất nhỏ Tnl=0.0017 Theo trích dẫn luận văn (tr.68-71) Ta tìm được bộ điều khiển dịng sau ).2.2 11 sTnl L Knl Ds sTnl DL Knl s DRi ss sq σσ + = + == )314( − sTC sTTnlR C C 28 )2(21 ++ =ω )364( − 4.4.3.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh Risd: Khi khởi động ta làm như máy điện 1 chiều sau khi ổn định việc cấp nguồn phía kích từ isd xong mới cấp momen quay isq. Ta cĩ thể bỏ qua ảnh hưởng của phần ứng trong quá trình khởi động lúc đĩ mạch cĩ dạng (Hình 4.16) Theo trích dẫn luận văn (tr.71-73) ta tìm được bộ điều khiển sTnl L TKnl sTRi s sd .2 ).1( σ σ σ+ = )384( − 4.4.4. Thiết kề trên phần mềm Matlab Simulink Hình 4.14. Sơ đồ mơ phỏng phản hồi trạng thái hệ phi tuyến 24 4.4.5. Kết quả mơ phỏng Trích từ luận văn (tr.76-77) ta cĩ kết quả 4.4.6 . Nhận xét Từ kết quả mơ phỏng (Hình 4.24) ta thấy mM = mC tại thời gian đĩng tải t=2s, và đạt xác lập khi t>2.5s Tốc độ động cơ mơ phỏng (Hình 4.23) khi khởi động thì tăng lên rồi quay về đúng bằng giá trị đặt. Khi đĩng tải thì tốc độ giảm xuống rồi tăng lên lại và đạt xác lập Dịng điện mơ phỏng (Hình 4.22) khi khởi động thì isd, isq tăng lên. dịng isd đạt giá trị xác lập. cịng dịng isq = 0. Khi cĩ tải thì dịng isq tăng lên và đạt giá trị xác lập 4.5. Đánh giá kết quả Dịng điện isd , isq cả hai mơ hình (Hình 4.25) và (Hình 4.26) qủa trình khởi động và đĩng tải vào dịng điện thay đổi. (Hình 4.25) đạt giá trị xác lập nhanh hơn nhưng giá trị xác lập cả hai mơ hình đều đạt kết quả như nhau. Trong quá trình điều khiển thì mơ hình phản hồi trạng thái phi tuyến được thiết kế với các biến trạng thái trực tiếp và đầu vào là giá trị đặt tốc độ gĩc ωdm , từ thơng ψ’rddm nên quan sát được tốc độ n, momen...và linh hoạt hơn Mơ hình phản hồi trạng thái tuyến tính và Hình 4.22. Mơ phỏng dịng điện isd,isq 25 được sử dụng cho khơng cơ khơng đồng bộ 3 pha Dịng điện isd , isq cả hai mơ hình (Hình 4.25) và (Hình 4.26) quá trình khởi động và đĩng tải vào dịng điện thay đổi. (Hình 4.25) đạt giá trị xác lập nhanh hơn nhưng giá trị xác lập cả hai mơ hình đều đạt kết quả như nhau. Trong quá trình điều khiển thì mơ hình phản hồi trạng thái phi tuyến được thiết kế với các biến trạng thái trực tiếp và đầu vào là giá trị đặt tốc độ gĩc ωdm , từ thơng ψ’rddm nên quan sát được tốc độ n, momen...và linh hoạt hơn Mơ hình phản hồi trạng thái tuyến tính và được sử dụng cho khơng cơ khơng đồng bộ 3 pha KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn đã giải quyết thành cơng vấn đề điều khiển phản hồi trạng thái cho động cơ khơng đồng bộ trong đĩ cĩ sử dụng hai mơ hình ở dạng Tuyến tính và Tuyến tính hĩa chính xác mơ hình Luận văn đã giải quyết được các vấn đề: - Nghiên cứu mơ hình trạng thái của động cơ khơng đồng bộ trên hệ trục tọa độ dq. Phân tích bản chất phi tuyến của động cơ. - Nghiên cứu về phương pháp phản hồi trạng thái, bộ quan sát Hình 4.25. Mơ phỏng dịng điện isd,isq phi tuyến Hình 4.26. Kết quả mơ phỏng dịng điện isd,isq tuyến tính 26 trạng thái và xây dựng bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ tuyến tính. -Nghiên cứu về phương pháp tuyến tính hĩa chính xác và xây dựng bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ phi tuyến Các kết quả mơ phỏng cho thấy khả năng ứng dụng tốt bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho động cơ khơng đồng bộ với các kết quả mơ phỏng là dịng điện đo gián tiếp isd , isq đã khẳng định đúng các giải pháp đã đề xuất nghiên cứu. Dịng điện isd và isq ban đầu dao động và đạt giá trị xác lập gần giống nhau Mơ hình phản hồi trạng thái tuyến tính đạt được xác lập nhanh khoảng 0,5s nhanh hơn mơ hình phản hồi trạng thái phi tuyến Trong quá trình điều khiển thì mơ hình phản hồi trạng thái phi tuyến được thiết kế với các biến trạng thái trực tiếp và dầu vào là giá trị đặt tốc độ gĩc ωdm , từ thơng ψ’rddm nên quan sát được tốc độ n, momen...và linh hoạt hơn Mơ hình phản hồi trạng thái tuyến tính và được sử dụng cho khơng cơ khơng đồng bộ 3 pha. Luận văn này chỉ mới hồn thành: Phần lý thuyết đưa ra phương pháp giải quyết là điện áp, vận tốc gĩc từ trường đầu vào là usd , usq , ωs dịng điện đầu, vận tốc gĩc tốc độ động cơ đầu ra là isd , isq, ω và các biến trạng thái là isd isq , ψ’rd , ψ’rq, ωs. và dùng các biến trạng thái phản hồi về để điều khiển động cơ. Phần mơ phỏng của phương pháp trên phần mềm Matlab-Simulink. Vì điều kiện thời gian, nên luận văn chỉ mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu về lý thuyết và mơ phỏng trên phần mềm Matlab- Simulink chưa thực nghiệm được kết quả nghiên cứu bằng mơ hình thực. Đây cũng là vấn đề tác giả dự định tiếp tục phát triển, nghiên cứu trong thời gian tới.