Điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

- 1 - 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HỒNG ĐỨC HÙNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SĨC Chuyên ngành: Tự động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 - 2 - 2 Cơng trình được hồn thành tại TRƯỜNG ĐHBK, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đồn Quang Vinh Phản biện 1: GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang Phản biện 2: TS. Nguyễn Hồng Mai Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp 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 - 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với sự tiện dụng, kết cấu vững chắc của ĐCKĐB rotor lồng sĩc và sự hấp dẫn về giá thành sản phẩm này, ĐCKĐB rotor lồng sĩc được sử dụng ngày càng rộng rãi. Một mặt, nhu cầu về việc điều khiển chính xác để đưa đến hệ truyền động cĩ chất lượng cao đã địi hỏi việc xây dựng hệ điều khiển truyền động đáp ứng được yêu cầu thực tiễn. Với bản chất là phi tuyến của ĐCKĐB rotor lồng sĩc, bài tốn kinh tế kỹ thuật được đặt ra giữa một bên là nỗ lực nghiên cứu vật liệu chế tạo rotor và một bên là đầu tư hệ thống điều khiển, cần xem xét đến giá thành tổng thể của hệ thống đã được các nhà chế tạo đầu tư nhiều cơng sức nghiên cứu. Vấn đề đặt ra là làm sao để sử dụng ĐCKĐB với chất lượng hiện cĩ mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về chất lượng hệ thống. Các thơng số động cơ mà điển hình là các tham số của rotor - làm việc trong chế độ ngắn mạch bị biến đổi theo nhiệt độ làm việc. Việc xây dựng hệ thống điều khiển cần thiết phải tính đến việc bù đắp các thay đổi này để đảm bảo chất lượng điều khiển. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng bộ điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sĩc cĩ khả năng tự thích nghi theo sự thay đổi hằng số thời gian rotor của động cơ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sĩc. Phạm vi nghiên cứu chính của đề tài này là xây dựng được hệ thống điều khiển thích nghi theo hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB rotor lồng sĩc. Trong đề tài này, tác giả chỉ đi vào xét ảnh hưởng của - 4 - 4 điện trở rotor mà chưa xét đến ảnh hưởng của cả điện trở và điện cảm rotor trong một mối liên hệ tổng thể. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu, xây dựng các phương án và thiết kế trên lý thuyết. Xây dựng mơ hình mơ phỏng để kiểm chứng trên phần mềm Matlab-Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau vì hiện nay rất nhều hệ truyền động, dây chuyền sản xuất sử dụng ĐCKĐB rotor lồng sĩc vì sự hấp dẫn về kết cấu và giá thành của động cơ nhưng lại địi hỏi độ chính xác cao. 6. Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn gồm phần Mở đầu và 4 chương: Chương 1: Tổng quan về động cơ khơng đồng bộ. Chương 2: Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thơng rotor ĐCKĐB. Chương 3: Điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor. Chương 4: Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor ĐCKĐB. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 1.1. Khái quát chung Ngày nay kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha đã phát triển đến mức gần như hồn thiện. Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý điều khiển T4R thường được sử dụng là điều khiển dịng điện riêng rẽ cũng như áp đặt nhanh mơmen quay. Hai mạch vịng điều khiển tốc độ và từ trường quay được tổng hợp riêng biệt. - 5 - 5 1.2. Mơ hình của ĐCKĐB 1.2.1. Mơ hình 3 pha của ĐCKĐB Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sĩc cĩ 3 pha đối xứng, khe hở khơng khí là đều và phân bố từ thơng theo khe hở khơng khí là Sin. Theo [1], hệ phương trình của ĐCKĐB rotor lồng sĩc viết trong hệ toạ độ 3 pha dạng thu gọn như sau: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] rrsmmmrrr rmssmmsss rrrrr ssss iLiLiLiL iLiLiLiL epiRU piRU +=+= +=+= ++= += σ σ ψ ψ ψ ψ (1.4) 1.2.2. Mơ hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ Hệ phương trình của động cơ trên hệ trục toạ độ trực giao αβ: [ ]       +      =      β α β α β α ψ ψ s s s s s s s p i i R u u [ ]      − +      +      =      β α β α β α ψ ψ r r r r r r r e e p i i R 0 0 [ ] [ ] [ ] [ ]       +      =      +      =      β α β α σ β α β α β α ψ ψ m m M s s s r r M s s s s s i i L i i L i i L i i L (1.6) [ ] [ ] [ ] [ ]       +      =      +      =      β α β α σ β α β α β α ψ ψ m m M r r r s s M r r r r r i i L i i L i i L i i L ( )αββα ψψ srsr r M pM iiL L zm −= 2 3 1.2.3. Mơ hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq Hệ phương trình của động cơ trong hệ trục toạ độ dq: - 6 - 6 ( ) sdrqsqrd r M pM mqrqrsqMrqrrq mdrdrsdMrdrrd mqsqsmqMsqsrqMsqssq mdsdsmdMsdsrdMsdssd rdrrqrqr rqrrdrdr sdssqsqssq sqssdsdssd ii L L zm iLiLiL iLiLiL iLiLiLiLiL iLiLiLiLiL piR piR piRu piRu ψψ ψψ ψψ ψψ ψψ ψωψ ψωψ ψωψ ψωψ σ σ σσ σσ += +=+= +=+= +=+=+= +=+=+= ++= −+= ++= −+= 2 3 0 0 (1.7) a. Mơ hình trạng thái liên tục Theo [2], nếu đặt các vector trạng thái và đầu vào: [ ] [ ]sqsdfTrqrdsqsdfT uuuiix ,;,,, || == ψψ Mơ hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB được viết dưới dạng: s ff s fff f NxuBxA dt dx ω++= (1.20) ; 110 101 11110 11011 2221 1211       =                         − −− −− −      − +− − − −       − +− = ff ff rr rr rrs rrs f AA AA TT TT TTT TTT A ω ω σ σ ω σ σ σ σ σ ω σ σ σ σ σ σ σ ; 00 00 10 01 2 1       =                   = f f s s f B B L L B σ σ             − − = 0100 1000 0001 0010 N (1.21) b. Mơ hình trạng thái gián đoạn Theo [2], mơ hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )  = +Φ=+ kxkCky kukHkxkkx 1 (1.23) - 7 - 7 ( ) ( ) ; 10 10 11111 11111 2221 1211       ΦΦ ΦΦ =                         −−− −− −− −      − +−− −−       − +− =Φ ff ff r s r s rr rrs s r s rs f T TT T T T T T T T T TT TT TT T T TT TT T ωω ωω σ σ ω σ σσ σ ω ω σ σ σ σ ω σ σ       =                   = f f s s f H H L T L T H 2 1 00 00 0 0 σ σ (1.26) 1.3. Hệ thống điều khiển vector ĐCKĐB 1.3.1. Phương pháp điều khiển vector trực tiếp 1.3.2. Phương pháp điều khiển vector gián tiếp CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THƠNG ROTOR ĐCKĐB 2.1. Điều khiển T4R của ĐCKĐB nghịch lưu nguồn áp (FOC) Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thơng rotor: Để diển giải phương pháp này, quan sát trên Hình 2.1, trong đĩ hệ trục tọa độ dq được tựa vào vector từ thơng roto. Ở chế độ tựa xác lập, các vector khơng gian đều quay với tốc độ Hình 2.1 - Đồ thị vector trường hợp tựa hệ dq từ thơng rotor. ids ϑs ϑr γi jq d α=as us ωs ωs ωs is iqs uqs ϑ ψr ω - 8 - 8 đồng bộ nên gĩc γi biến thiên rất chậm, các thành phần chiếu của vector dịng điện lên các trục sẽ giống như các đại lượng một chiều, cho phép cĩ thể tổng hợp các bộ điều khiển vơ hướng cho từng thành phần. Trong phương pháp này cần phải xác định được vị trí gĩc của vector từ thơng rotor để cĩ thể tựa hệ trục dq vào đĩ. 2.2. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển dịng điện trong hệ thống điều khiển T4R. 2.2.1. Mơ hình gần đúng của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq tựa từ thơng rotor: Hình 2.2 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vector tựa từ thơng rotor. - 9 - 9 mM 3 i_sq 2 i_sd 1 LM Tr zp J.s LM Tr .s+1 1 Ti .s+1 1 Ti .s+1 1/Rs Ts.s+1 1/Rnm Tnm .s+1 3*zp*Lm /(2*Lr) Ls Lnm C mC 4 e_rq3 u_sq 2 u_sd 1 esq esd i_sq i_sd w ws wr 2.2.2. Điều khiển dịng điện riêng rẽ Coi nghịch lưu điện áp là bộ khếch đại cơng suất cĩ hệ số khếch đại Knl, thời gian thực hiện của nĩ là Tnl và xem ωs và ω biến thiên khá chậm hơn các đại lượng điện từ. Ta thực hiện được mơ hình sau: Các bộ điều khiển dịng điện trên Hình 2.6 được xác định: Hình 2.6 - Cấu trúc bộ điều khiển dịng điện riêng rẽ. Hình 2.5 - Mơ hình gần đúng của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq tựa từ thơng rotor. - 10 - 10                     +       + =      nm nmnms ss s s inli pT LL L pT L KKTRR RR 11 11 2 1 2221 1211 ω ω (2.9) Nếu xem tất cả các sức điện động đều là nhiễu biến thiên chậm thì cĩ thể thực hiện việc tổng hợp hai bộ điều khiển dịng riêng rẽ và sau đĩ thực hiện việc tách kênh bằng các mạch bù sức điện động như trên Hình 2.7 với các bộ điều khiển xác định được như sau: ( ) ( );11'11 pRpR = ( ) ;'12 nli ss KK L pR ω = ( ) ;'21 nli nms KK L pR ω = ( ) ( );22'22 pRpR = ( ) nl r bu K pR ω = Một phương pháp khác cũng hay được sử dụng là dịng điện riêng rẽ cĩ bù sức điện động như trên Hình 2.8. Các bộ điều khiển R11, R12 được lấy theo biểu thức (2.9) và từ thơng Ψsα và Ψsβ xác định theo (2.10) ( theo tài liệu [1]). dt i i Rs u ut s s s s s s ∫              −      =      0 β α β α β α ψ ψ (2.10) Từ ưu điểm của cấu trúc điều khiển dịng điện riêng rẽ cĩ bù sức điện động là hạn chế sai số, tác giả đã sử dụng cấu trúc này kết hợp Hình 2.7 - Cấu trúc bộ điều khiển dịng điện riêng rẽ cĩ bù tách kênh bằng dịng điện. Hình 2.8 - Cấu trúc bộ điều khiển dịng điện riêng rẽ cĩ bù sức điện động. - 11 - 11 với các bộ điều khiển tốc độ và từ thơng bằng PI kinh điển. Từ đĩ nghiên cứu và giải quyết bài tốn thích nghi trên nền của phương pháp điều khiển này. 2.3. Tổng hợp bộ điều khiển dịng điện riêng rẽ cĩ bù sức điện động cho ĐCKĐB 2.3.1. Tổng hợp các bộ điều khiển dịng điện Trong cấu trúc điều khiển dịng điện riêng rẽ cĩ bù sức điện động, bộ điều khiển dịng điện được sử dụng theo kết quả đã phân tích ở trên. Theo đĩ, bộ điều khiển dịng: ; 11 2 1 11       += s s inli pT L KKT R       += nm nm inli pT L KKT R 11 2 1 22 2.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển từ thơng Bộ điều khiển là khâu PI, xác định theo chuẩn tối ưu mơ đun: ( ) p K KpR ip ψ ψψ += (2.12) ; 4 iM r p TL T K =ψ iM i TL K 2 1 =ψ 2.3.3. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ ( ) p K KpR ip ω ωω += (2.13) ; 2 21KKT JK a p =ω a p i T K K 4 ω ω = 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của Tr đến chất lượng điều khiển 2.4.1. Phân tích ảnh hưởng của Tr đến chất lượng truyền động Hằng số thời gian rotor thiếu chính xác sẽ gây sai số gĩc pha của vector từ thơng và lệch pha giữa dịng mơ hình và dịng động cơ: sj ss eii ϑ~ ˆ= , sss ϑϑϑ −= ˆ ~ (2.15) Hậu quả này sẽ dẫn đến sai lệch tĩnh của mơmen và module từ thơng. Tùy theo thực trạng kỹ thuật và địi hỏi về chất lượng truyền động, các sai số trên trong nhiều trường hợp là khơng chấp nhận được. Ngồi ra, sai số xác lập của mơmen và từ thơng sẽ cĩ ảnh - 12 - 12 hưởng xấu đối với các hệ truyền động chất lượng cao. 2.4.2. Quan sát ảnh hưởng của Tr đến các trạng thái và đáp ứng Từ kết quả thiết kế các bộ điều khiển ở trên và sử dụng động cơ mẫu 10HP trong thư viện SimPowerSystems của phần mềm Matlab Simulink để thực hiện mơ phỏng. Kết quả mơ phỏng và quan sát các đáp ứng đối với các trường hợp chưa cĩ sự biến động điện trở rotor và khi cĩ sự thay đổi điện trở rotor như sau: 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Time (s) P s i r d ( W b ) Psird-150 Psird-100 Psird-Ref Kết quả quan sát cho thấy, ở giai đoạn khởi động ban đầu và chưa mang tải thì từ thơng ít bị ảnh hưởng bởi sự biến động của điện trở rotor Rr. Khi động cơ mang tải định mức và điện trở rotor bị biến động đã làm xấu đặc tính của đáp ứng từ thơng rotor. Trong trường hợp cực hạn, điện trở rotor tăng thêm 50% (thể hiện ở đường Psird- 1.5Rr) thì từ thơng rotor, khi đã đến vùng ổn định vẫn dao động và lệch biên độ với biên độ sai khác khoảng ± 0.6% so với giá trị ổn định như thể hiện trong Hình 2.17. Hình 2.16 - Đáp ứng từ thơng rotor khi biến động tăng điện trở rotor. - 13 - 13 2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3 0.805 0.81 0.815 0.82 0.825 Time (s) P s i r d ( W b ) Psird-150 Psird-100 Psird-Ref 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 500 1000 1500 2000 2500 Time (s) n ( V / p ) n-Ref n-100 n-150 Quan sát đáp ứng tốc độ thấy rằng, trường hợp điện trở rotor tăng lên 1.5 lần ngồi việc ảnh hưởng đến độ quá điều chỉnh khi khởi động cịn ảnh hưởng đến biên độ tuyệt đối của tốc độ trong vùng ổn định khi mang tải định mức. Khi động cơ mang tải định mức đồng thời với sự biến đổi tăng lên 150% của điện trở rotor, tốc độ động cơ nằm trong vùng ổn định mới với biên độ trung bình sai khác so với giá trị mong muốn là 15v/p (1.04%). 2.905 2.91 2.915 2.92 2.925 2.93 2.935 2.94 2.945 1430 1440 1450 1460 Time (s) n ( V / p ) n-Ref n-100 n-150 Hình 2.17 - Hiện tượng sai lệch từ thơng rotor khi tăng điện trở rotor. Hình 2.18 - Đáp ứng tốc độ động cơ khi biến động tăng điện trở rotor. Hình 2.19 - Hiện tượng lệch biên độ tốc độ động cơ trong vùng ổn định khi tăng điện trở rotor. Psird-150 Psird-100 n-150 n-100 - 14 - 14 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 Time (s) m M ( N . m ) mM-150 mM-100 mC 2.82 2.84 2.86 2.88 2.9 2.92 2.94 2.96 2.98 3 35 40 45 50 55 60 65 Time (s) m M ( N . m ) mM-150 mM-100 mC Kết quả cho thấy, khi điện trở rotor bị thay đổi tăng lên 150% so với giá trị nguội thì đáp ứng mơmen của động cơ bị ngược (âm) khi khởi động và dao động mạnh khi mang tải định mức với biên độ dao động ±27.6%. 2.4.3. Kết luận Từ kết quả quan sát cho thấy khi điện điện trở rotor thay đổi tăng lên trong quá trình làm việc ảnh hưởng đến việc ổn định đặc tính từ thơng và mơmen, đặc biệt là biên độ của tốc độ động cơ khơng cịn bám theo chính xác giá trị tốc độ mong muốn. Vấn đề này sẽ được Hình 2.20 - Đáp ứng mơmen độ động cơ khi biến động tăng điện trở rotor. Hình 2.21 - Hiện tượng dao động mơmen độ động cơ khi tăng điện trở rotor. mM-150 mM-100 - 15 - 15 giải quyết theo hướng thích nghi với sự thay đổi của điện trở rotor. CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR 3.1. Tổng quan về điều khiển thích nghi Một hệ thống mà bộ điều khiển cĩ khả năng tự thay đổi thơng số hay cấu trúc của bộ điều khiển, hoặc cả về thơng số lẫn cấu trúc của bộ điều khiển dựa trên chu trình làm việc định trước hoặc các thơng số, cấu trúc của đối tượng được quan sát thực tế trong quá trình làm việc được gọi là hệ thống điều khiển thích nghi. Ứng dụng trong đề tài nghiên cứu của mình, tác giả chỉ trình bày phương pháp thích nghi sử dụng bộ điều khiển cĩ cấu trúc cố định và thơng số được cập nhật trực tiếp. 3.2. Hệ thích nghi sử dụng mơ hình tham chiếu (MRAS) 3.2.1. Tổng quan về hệ thích nghi sử dụng mơ hình tham chiếu Hệ thích nghi sử dụng mơ hình tham chiếu (Model reference adaptive system) được viết tắt là MRAS cĩ sử dụng bộ điều khiển thích nghi cĩ mơ hình theo dõi (Model reference adaptive control) được viết tắt là MRAC, nguyên lý cơ bản của hệ được thể hiện bằng sơ đồ tổng quát như sau: Theo [3], nguyên tắc làm việc của bộ ĐKTN MRAC được tĩm Hình 3.2 - Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi cĩ mơ hình theo dõi. - 16 - 16 tắt như sau: Để hệ kín, bao gồm đối tượng điều khiển và bộ điều khiển, luơn cĩ được chất lượng mong muốn ứng với hàm truyền đạt mẫu mong muốn thì bộ điều khiển cần phải được thiết kế và hiệu chỉnh thường xuyên sao cho tín hiệu đầu ra y(t) của hệ kín luơn như đầu ra ym(t) của mơ hình tham chiếu. Mục tiêu là: 0)()()()()( ≈−=⇔≈ tytytetyty mm (3.1) Như vậy vấn đề cịn lại của bài tốn là thiết kế cơ cấu thay đổi tham số bộ điều khiển để luơn cĩ được sai số e(t) ≈ 0 và điều này phải khơng được phụ thuộc vào sự thay đổi bên trong đối tượng. Để thực hiện việc hiệu chỉnh tham số p cho bộ điều khiển với cấu trúc xác định, cho trước, điển hình là mơ hình điều chỉnh theo luật MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác định dương đặt trước. 3.2.2. Luật hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển MIT (Massachusetts Institude Technology) Theo [3], nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay đổi vector thơng số p sao cho đảm bảo mục tiêu (3.1). Tức là cần cĩ: ( ) 0< dt tde e (3.2) Và để đạt được (3.2) ta chỉ cần thay đổi p sao cho: T p e e dt pd         ∂ ∂ −= γ hoặc cĩ thể viết ( ) T p e e dt pd         ∂ ∂ −= sgnγ (3.3) Trong đĩ γ là hằng số dương tùy ý và được gọi là hệ số khuếch đại thích nghi, tốc độ để ( ) 0lim 0 = >− te t phụ thuộc theo độ lớn của γ. 3.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển nhờ cực tiểu hĩa hàm mục tiêu hợp thức (xác định dương) Cũng theo [3], phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hĩa hàm - 17 - 17 mục tiêu xác định dương V(e) của các vector sai lệch e. ( ) 0,0 ≠∀> eeV và ( ) 00 =V Và chỉ cần xác định bộ điều khiển sao cho ( ) dt edV xác định âm theo e. Theo lý thuyết Lyapunov, điều kiện này cũng đảm bảo để ( ) 0→te . 3.3. Hệ thích nghi sử dụng bộ điều khiển tự chỉnh định (STR) Một bộ điều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc cĩ khả năng tự xác định lại mơ hình tốn học mơ tả đối tượng để từ đĩ tự chỉnh định lại bản thân nĩ cho phù hợp vĩi sự thay đổi của đối tượng là bộ ĐKTN tự chỉnh (Self tuning regulator), viết tắt là STR. Bộ ĐKTN tự chỉnh đơn giản nhất là bộ ĐKTN tự chỉnh tham số, tức là nĩ khơng tự thay đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số đối tượng để từ đĩ tự chỉnh định lại các tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp. Một hướng giải quyết bài tốn khác khi sử dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp như được đề cập đến trong [9]. Mơ hình này sử dụng cơ cấu nhận dạng tham số đối tượng kết hợp thuật tốn xác định tham số điều khiển thành bộ quan sát trực tiếp tham số đối tượng để cập nhật cho bộ điều khiển. Sơ đồ trên Hình 3.3 cĩ thể viết lại như sau: Hình 3.3 - Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh. - 18 - 18 3.4. Điều chỉnh tự động và lịch trình độ lợi Trong nhiều trường hợp, cĩ thể biết được sự thay đổi động học của quá trình theo các điều kiện vận hành. Nguồn gốc của sự thay đổi động học cĩ thể là tính phi tuyến. Cĩ thể thay đổi tham số của bộ điều khiển bằng cách giám sát các điều kiện vận hành của quá trình. Phương pháp này được gọi là lịch trình độ lợi. 3.5. Điều khiển mờ thích nghi Kỹ thuật điều khiển mờ đã được phát triển thêm tính thích nghi để tạo nên một hệ thống điều khiển trong đĩ thơng số và cấu trúc của bộ điều khiển thay đổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất lượng điều khiển của hệ thống khi cĩ sự hiện diện của các yếu tố bất định cũng như sự thay đổi thơng số trong hệ thống. 3.6. Ứng dụng điều khiển thích nghi để điều khiển ĐCKĐB Như đã phân tích trong Chương 2, sự thay đổi hằng số thời gian rotor Tr làm ảnh hưởng đến tốc độ đồng bộ của động cơ. Các bộ điều khiển và mơ hình từ thơng được xây dựng trên cơ sở hằng số thời gian Tr xác định dẫn đến thơng số bộ điều khiển khơng cịn là tối ưu và kéo dài thời gian quá độ, tựa sai hướng từ thơng rotor khi mà Tr bị biến đổi. Xem xét các phương pháp thích nghi được trình bày trong 3.2 và xét về giới hạn phạm vi cần thích nghi theo yêu cầu nghiên cứu (thích nghi theo Tr), đối với hệ thống này chúng ta chỉ cần sử dụng một bộ Hình 3.4 - Cấu trúc điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp. - 19 - 19 điều khiển thích nghi cĩ khả năng tự chỉnh định thơng số theo Tr. Để giải quyết vấn đề này, một bộ điều khiển PI được thiết kế theo phương pháp truyền thống cĩ các thơng số phụ thuộc vào hằng số thời gian rotor Tr kết hợp với việc quan sát trạng thái cĩ thể đáp ứng được. Trên cơ sở đĩ đưa đến cấu trúc cho hệ ĐKTN theo hằng số thời gian rotor như sau: 3.7. Nhận xét Để thực hiện cấu trúc này tác giả thực hiện việc thiết kế các bộ điều khiển từ thơng và tốc độ cĩ thơng số hiệu chỉnh được theo tham số Tr. Quan sát từ thơng rotor và hằng số thời gian rotor để tính tốn lại tốc độ đồng bộ ωs phục vụ cho các khâu chuyển đổi hệ trục tọa độ. CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR 4.1. Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng 4.1.1. Thuật tốn lọc Kalman Hình 3.5 - Cấu trúc tổng thể bộ điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor. - 20 - 20 4.1.2. Ứng dụng lọc Kalman quan sát trạng thái của ĐCKĐB Theo [5], thuật tốn lọc Kalman được xây dựng để ứng dụng quan sát trạng thái ĐCKĐB rotor lồng sĩc như sau: Mơ hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ dq (1.23) được viết lại:    = +=+ kk kkk Cxy BuAxx 1 (4.5) Các ma trận trọng số trong (4.5): ( ) ( ) ; 10 10 11111 11111                         −−− −− −− −      − +−− −−       − +− = r s r s rr rrs s r s rs T TT T T T T T T T T TT TT TT T T TT TT T A ωω ωω σ σ ω σ σσ σ ω ω σ σ σ σ ω σ σ ; 00 00 10 01             = sL TB σ T C             = 00 00 10 01 (4.6) Đặt τ = 1/Tr, và xem như một hằng số ngẫu nhiên cĩ dạng: kkk ξττ +=+1 (4.7) Trong đĩ { }kξ là nhiễu ồn trắng phân bố chuẩn Gaussian khơng tương quan với nhiễu đo lường { }kη và cĩ phương sai là một ma trận dương cho trước ( ) kk SVar =ξ . Mơ hình động cơ (4.5) với giả thiết (4.7) cĩ thể được viết lại thành hệ phi tuyến như sau: ( ) [ ]      +      =       +      +      =      + + k k k kk k kkkk k kkk k k x Cy GuBxAx η τ ξ ξ τ τ τ 0 01 1 (4.8) Trong đĩ: - 21 - 21 1 1 11 (1 ) 1 1 1( ) 1 (1 ) 0 1 ( ) 0 ( ) 1 A k s k s k k s k k s k k s k s k T T T T T TT T T T T T T T T T σ σ σ τ ω τ ω σ σ σ σ στ ω σ τ ω τ σ σ σ τ τ ω ω τ ω ω τ    − − − + −         − − = − − + − −       − −    − − −  CCBB kk == , Gk là ma trận trọng số nhiễu. Các vector nhiễu kξ và kη được giả thiết là các nhiễu trắng phân bố chuẩn Gaussian, kỳ vọng bằng 0 và với mọi k, j, ta cĩ: ( ) ( ) kjkjkkjkjk RCovQCov δηηδξξ == ,,, (4.9) Các bước thực hiện sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng để nhận dạng biến trạng thái mới τ như sau: • Dự báo (Predict): ( )       +      =      −− − −−− − − 0ˆ ˆˆ ˆ ˆ 11 1 111 1, 1, kk k kkk kk kk uBxAx τ τ τ (4.10) ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]       + +         Ι ∂ ∂         Ι ∂ ∂ = − −−− −−−−− −− −−−−− − 1 111 11111 1,1 11111 1, 0 0 0 ˆˆˆ 0 ˆˆˆ k T kkk T kkkkk kk kkkkk kk S GQG xAAPxAAP ττ ττ τ τ (4.11) ( )[ ] ( ) ( ) ( ) ( )                 − − − − − − = ∂ ∂ −−− kk kk kk kk kkk xxT xxT xxT xxT xA 42 31 24 13 111 1 1 ˆˆ σ σ σ σ τ τ (4.12) • Hiệu chỉnh (Correction): [ ] [ ] [ ][ ] 11,1, 000 −−− += kTkkkkTkkkk RCPCCPK (4.13) ( )1, 1 1, ˆ ,ˆ ˆ ˆ ˆ − − − −+      =      kkkkk kk kk k k xCyK xx ττ (4.14) [ ][ ] 1,, 0 −−Ι= kkkkkk PCKP (4.15) Sơ đồ cấu trúc hệ thống với bộ lọc Kalman để nhận dạng các biến - 22 - 22 trạng thái như Hình 4.5. 4.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi ĐCKĐB Từ kết quả Chương 2 ta cĩ được các bộ điều khiển tốc độ và từ thơng và cĩ các tham số động được xác định như sau: 4.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 3 11 2 109 2 87 ; rrr iw rr pw T K T K T KK T K T KK ++=+= Các hệ số K7, K8, K9, K10, K11 khơng phụ thuộc vào Tr. 4.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển từ thơng Mi i Mi p LT K LT TrK 2 1 ; 4 == ψψ 4.3. Mơ phỏng và kiểm chứng 4.3.1. Các thơng số của động cơ Các thơng số của ĐCKĐB rotor lồng sĩc sử dụng cho việc mơ phỏng như đã trình bày trong Chương 2 của luận văn. 4.3.2. Các sơ đồ mơ phỏng và kết quả mơ phỏng - 23 - 23 powergui Discrete , Ts = 2e-006 s. Psird_fix w^ Psird* Gia tri dat mC Psird_fix wN EKF w^ us_dq^ is_dq^ Tr^ ws^ Psird^ Dieu khien Psir* w* w^ is_dq us_alp is_alp Psird^ Tr^ ws^ Udc Xung_dk Chap hanh mC Xung_dk us_abc is_abc w(rad/s) mW Udc Bo quan sat va chuyen doi ws^ is_abc us_abc us_dq is_dq is_alp us_alp Psird^ 3 ws^ 2 Tr ^ 1 is_q is_d S-Function Ex_Kalman Psirq^ Lm zp 1/u is_dq^ 3 us_dq ^ 2 w^ 1 Hình 4.5 - Sơ đồ khối lọc Kalman mở rộng. Hình 4.2 - Mơ hình tổng thể hệ thống điều khiển. - 24 - 24 Xung _dk 1 SVPWM usd usq ws Udc Xung_dkR_w w* w^ Tr isq* R_psi Psir* Psir^ Tr isd* R_22 isq* isq usq* R_11 isd* isd usd* Bu_SDD usd* usq* is_alp us_alp ws usd usq Udc 10 ws^ 9 Tr^ 8 Psird^ 7 is_alp 6 us_alp 5 is_dq 4 w^ 3w* 2 Psir* 1 isd* 1 R_Psi_A Adaptive PID e_Psi Tr Tr 3 Psir^ 2 Psir* 1 isq* 1 R_w_A Adaptive PID e_w Tr G Km Tr 3 w^ 2 w* 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 500 1000 1500 2000 2500 Time (s) n ( V / p ) n-Ref n-Nm n-Adc Hình 4.8 - Sơ đồ bộ điều khiển tốc độ nghi theo Tr. Hình 4.9 - Đáp ứng tốc độ với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Hình 4.7 - Sơ đồ bộ điều khiển từ thơng thích nghi theo Tr. Hình 4.6 - Sơ đồ tổng thể khối điều khiển thích nghi. - 25 - 25 Kết quả cho thấy, sử dụng ĐKTN đã làm giảm đáng kể độ quá điều chỉnh khi khởi động (đặc tính n-Adc). Giải quyết được hiện tượng sai lệch về biên độ tốc độ như thể hiện trong Hình 4.10. 2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3 1400 1420 1440 1460 Time (s) n ( V / p ) n-Ref n-Nm n-Adc 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -200 -100 0 100 200 300 400 Time (s) m M ( N . m ) mC mM-Nm mM-Adc 2.82 2.84 2.86 2.88 2.9 2.92 2.94 2.96 2.98 3 35 40 45 50 55 60 65 Time (s) m M ( N . m ) mC mM-Nm mM-Adc Hình 4.10 - Tốc độ động cơ vùng tải định mức với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Hình 4.11 - Đáp ứng mơmen với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Hình 4.12 - Khắc phục dao động mơmen khi sử dụng bộ ĐNTN với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. n-Nm n-Adc mM-Nm mM-Adc - 26 - 26 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Time (s) P s i r d ( W b ) Psird Psird-Nm Psird-Adc 2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3 0.81 0.815 0.82 0.825 0.83 Time (s) P s i r d ( W b ) Psird Psird-Nm Psird-Adc 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 Time (s) T r ( s ) Trx Tr^ 4.4. Nhận xét Quan sát các đặc tính mM-Adc và Psird-Adc trên Hình 4.11 và Hình 4.13, mơmen và từ thơng rotor của động cơ trong trường hợp sử dụng bộ ĐKTN đã khắc phục được các ảnh hưởng do điện trở Hình 4.14 - Khắc phục hiện tượng sai lệch từ thơng rotor khi sử dụng ĐKTN với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Hình 4.15 - Quan sát hằng số thời gian rotor Tr^ với Trx = Tr/1.5. Hình 4.13 - Từ thơng rotor với hằng số thời gian rotor Trx = Tr/1.5. Psird-Nm Psird-Adc - 27 - 27 rotor thay đổi, dẫn đến thay đổi hằng số thời gian rotor. So với trường hợp bình thường (Normal) chỉ sử dụng các bộ điều khiển PI khơng thích nghi kết hợp với mơ hình từ thơng rotor như các đặc tính mM- Nm và Psird-Nm, thì việc sử dụng ĐKTN kết hợp với việc quan sát trạng thái đã đáp ứng được theo chất lượng thiết kế ban đầu. KẾT LUẬN Luận văn đã giải quyết thành cơng vấn đề ĐKTN hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB rotor lồng sĩc, trong đĩ sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng để nhận dạng hằng số thời gian rotor. Các kết quả mơ phỏng đã cho thấy bộ ĐKTN hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB rotor lồng sĩc đã giải quyết được vấn đề đặt ra của đề tài: loại bỏ được ảnh hưởng của hằng số thời gian rotor đến chất lượng của hệ thống. Kết quả mơ phỏng đã khẳng định tính đúng đắn của các giải pháp đề xuất và cho thấy triển vọng sử dụng trong thực tiễn. Luận văn đã đưa ra cách giải quyết vấn đề trên lý thuyết và kiểm nghiệm bằng mơ phỏng. Từ đây, cĩ thể cho phép nghiên cứu để triển khai mơ hình thực nghiệm, ứng dụng vào thực tiễn và đĩ cũng là một hướng để một lần nữa khẳng định và phát triển đề tài./.