tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật tổng quan về điều khiển phi tuyến và áp dụng cho hệ thống truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

LỜI CẢM ƠN 2DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC 10 1.1 Các phươn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tác giả tổng hợp và nghiêncứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tàiliệu tham khảo Các số liệu và kết quả mô phỏng được thực hiện dưới sự hướng dẫn

của PGS.TS Nguyễn Như Hiển là trung thực.

Tác giả Luận văn

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Như Hiển – Phó Hiệu trưởng

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và khích

lệ tác hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS Đặng Danh Hoằng Phó giám đốc Trung tâm

thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quantrọng để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong khoa Đào tạo sau đại họcTrường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện và khích lệ tácgiả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy trong ban Giám Hiệu Trường Cao đẳngKinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc, và các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, Trường Caođẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc đã khích lệ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thànhluận văn

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP

DỤNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC

10

1.1 Các phương pháp điều khiển phi tuyến 101.1.1 Phương pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc 101.1.2 Điều khiển tuyến tính hình thức 10

1.2.3 Triển vọng áp dụng phương pháp dựa trên thụ động

(Passivity-based) để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho

hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ KĐB-RTLS

11

Chương 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 142.1 Khái quát về ngành sản xuất xi măng lò đứng 142.1.1 Sơ lược về ngành sản xuất xi măng 142.1.2 Nguyên liệu và nhiên liệu để sản xuất xi măng 142.2 Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hóa 14

2.3 Tìm hiểu công nghệ hệ thống cân băng định lượng được

dùng trong nhà máy xi măng

15

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý kết cấu băng tải cân băng 152.3.3 Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống cân băng định lượng 152.4 Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định

lượng dùng động cơ KĐB-RTLS với bộ điều khiển phi tuyến

16

2.4.1 Sơ đồ khối và nguyên lí điều khiển 162.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng

động cơ KĐB-RTLS với bộ điều khiển phi tuyến

17

Chương 3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI

TUYẾN TỰA THEO THỤ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG

18

3.1 Điều khiển tựa theo thụ động đối với động cơ KĐB-RTLS 183.1.1 Thiết kế bộ điều khiển tựa theo thụ động 18

3.2 Phương trình của bộ điều khiển trên hệ tọa độ từ thông

4.2 Tham số của động cơ và bộ điều khiển 22

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu

u u các thành phần vector điện áp stator trên hệ toạ độ dq

,s, r vận tốc cơ, mạch stator, mạch rotor

inf giá trị chặn dưới nhỏ nhất

) sin(

) sin(

) cos(

T 4 R Tựa theo từ thông rotor

LỜI GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

Tính cấp thiết của đề tài

Các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc RTLS) là một đối tượng có mô hình phi tuyến, nhưng hiện nay lại được sử dụng rấtrộng rãi trong công nghiệp Vì vậy chất lượng điều khiển là vấn đề được nhiều ngườiquan tâm Phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based) làphương pháp dựa trên hệ phương trình mô tả động học Euler - Lagrange, mà trongthực tế có rất nhiều đối tượng động học được mô tả bởi hệ này, trong đó có ĐCKĐB-RTLS Việc thiết kế bộ điều khiển này nhằm đưa ra một phương pháp thiết kế mới,cũng như kiểm tra, đánh giá chất lượng của bộ điều khiển cho một số hệ truyền động

(ĐCKĐB-cụ thể trong thực tiễn (hệ thống cân băng định lượng, cán thép ), như chất lượng làmviệc của hệ thống tốt, đáp ứng nhanh khi lượng đặt thay đổi

Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển tựa theo thụ động cho hệ truyền động điện sử

dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động

sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc bằng phương pháp điều khiểnphi tuyến tựa theo thụ động (Passivity – based)

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển

- Mô hình hoá và mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần bổ sung một phương pháp điều khiểnphi tuyến cho hệ truyền động điện (dây truyền cân băng định lượng) sử dụng động

cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc

- Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu của đề tài là để đảm bảo chất lượng điều khiển hệ truyền động

sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc bằng phương pháp điều khiển phituyến tựa theo thụ động (Passivity – based)

Nôi dung của luận văn:

Luận văn được chia làm 4 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến và áp dụng cho hệ thống truyền

động sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Chương 2 Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống

Chương 3 Áp dụng phương điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho hệ

thống

Chương 4 Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO HỆ

THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ 3 PHA

ROTOR LỒNG SÓC

Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động họcphi tuyến và động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là một trong số đó, tức làkhông thoả mãn nguyên lý xếp chồng; và không phải đối tượng nào, hệ thống nàocũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nàonhững giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thoả mãn.Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộđiều khiển phi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứutính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán họcphi tuyến

Để nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơkhông đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc bằng phương pháp điều khiển phi tuyến, chươngnày sẽ tổng hợp về một số phương pháp điều khiển các hệ phi tuyến như đã được trìnhbày chi tiết trong [1], [5], [8] và sự áp dụng của nó cho hệ thống truyền động điện sửdụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc Sau đây là một số phương pháp điềukhiển ổn định hệ thống phi tuyến

1.1 Các phương pháp điều khiển phi tuyến

1.1.1 Phương pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc

1.1.2 Điều khiển tuyến tính hình thức

1.1.3 Điều khiển bù phi tuyến

1.1.4 Phương pháp backstepping

1.1.5 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động (PBC)

1.2 Triển vọng áp dụng điều khiển phi tuyến cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

T T 0

nang luong luu giu nang luong cap

( ( ), ( )) T T ( (0), (0))

           

1.2.1 Tính phi tuyến của động cơ KĐB-RTLS

1.2.2 Triển vọng áp dụng phương pháp Backstepping để thiết kế bộ điều khiểnphi tuyến cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ KĐB-RTLS

1.2.3 Triển vọng áp dụng phương pháp tựa theo thụ động (Passivity-based) đểthiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơKĐB-RTLS

* Kết quả nghiên cứu chương 1:

- Cơ sở lý luận phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (Passivity – Based) như sau:

- Hệ Euler-Lagrange (EL) thụ động là hệ mà động học của chúng được mô tảbởi các phương trình EL và bản thân hệ thống không tự sinh ra năng lượng Như vậykhi nhắc đến hệ EL ta hiểu ngay rằng đó là hệ có bản chất thụ động

- Điều khiển tựa theo thụ động (Passivity Based Control - PBC) là thuật toánđiều khiển mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của đối tượng (hệ hở)với mục tiêu làm cho hệ kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng

F x được gọi là hàm tiêu thụ Rayleigh, và thoả mãn:

Xét một hệ được ký hiệu là S có hàm tổng lưu giữ năng lượng , vector tín hiệuđiều khiển u, y là vector tín hiệu đầu ra và coi như hệ thống không chịu tác động củanhiễu Như vậy tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ thống sẽ là yTu Hệ trên được gọi





x x

F





Từ (1.18), (1.22), (1.24) sau khi biến đổi ta được:

Suy ra hệ EL là hệ thụ động và hệ có một tính chất đặc biệt là khi phân tích hệ

EL thành các hệ EL con cũng như hệ kín (có bộ điều khiển) đều thoả mãn là thụđộng Đây là một trong những đặc điểm quan trọng khi thiết kế bộ điều khiển theophương pháp PBC

Động cơ KĐB-RTLS là đối tượng thuộc lớp các đối tượng có đặc điểm thụ động mà

ta đã nghiên cứu ở phần trước Đây là đặc điểm cơ bản làm nền tảng cho việc xây

dựng nguyên lý điều khiển cho động cơ, được gọi là Điều khiển dựa trên thụ động

* Chứng minh được Động cơ KĐB-RTLS là đối tượng thuộc lớp các đối tượng

có đặc điểm thụ động như sau:

Ta xét hàm tổng năng lượng của động cơ sau:

2

2

1 2

1



J Li i H H

m

 (1.50)Trong đó

       

W

T s

i H

t H

) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

0 ( ) (         (1.51)

Như vậy, từ phương trình cân bằng năng lượng trên ta thấy năng lượng của động

cơ luôn nhỏ hơn năng lượng do nguồn năng lượng bên ngoài cung cấp Tức là,

] , [ ]

,

[u T m W  i T  là quan hệ thụ động, với hàm lưu giữ tổng năng lượng H(i,  ).Vậy từ cơ sở lý luận phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (Passivity –Based) những đặc tính điều khiển của động cơ KĐB-RTLS Ta rút ra rằng hoàn toàn

có thể áp dụng phương pháp này để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền độngđiện sử dụng động cơ KĐB-RTLS

Chương 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Ở chương này luận văn nghiên cứu công nghệ hệ thống cân băng định lượngdùng trong nhà máy xi măng Sau đó đưa ra cấu trúc điều khiển cho hệ thống cânbăng định lượng sử dụng động cơ KĐB-RTLS bằng phương pháp điều khiển phituyến

2.1 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH SẢN XUẤT XI MĂNG

2.1.1 Sơ lược về ngành sản xuất xi măng

2.1.1.1 Sản xuất theo công nghệ lò đứng thủ công

2.1.1.2 Sản xuất theo công nghệ lò đứng cơ giới hóa

2.1.1.3 Các phương án lò quay

2.1.2 Nguyên liệu và nhiên liệu để sản xuất xi măng

2.1.2.1 Nguyên liệu để sản xuất xi măng

2.1.2.2 Nhiên liệu để sản xuất xi măng

2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG LÒ ĐỨNG CƠ GIỚI HÓA

Năng lượng

động cơ

Năng lượng tiêu thụ

Năng lượng cung cấp

từ bên ngoài

2.2.1 Chế tạo phối liệu

2.2.1.1 Chế biến sơ bộ và đồng nhất nguyên liệu

2.3 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG ĐƯỢC DÙNG TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG

2.3.1 Hệ thống cân băng định lượngHình 2.1: Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hoá của một nhà máy xi măng

6 cân băng

Si lô bột liệu A

Si lô bột liệu B

Si lô bột liệu C

Đồng nhất Trộn ẩm

Vê viên

Nung

Máy kẹp hàm

Thạch cao

Nghiền xi măng và phân ly

Phụ gia Clinke A Clinke B Clinke C

5 cân băng

Băng tải chính (dài)

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý kết cấu băng tải cân băng

2.3.3 Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống cân băng định lượng

Trong dây chuyền sản xuất của hầu hết các nhà máy xi măng đều trang bị các

hệ thống tự động làm việc liên tục, chính xác và ổn định đạt năng suất cao như:

- Hệ thống cân băng định lượng

- Hệ thống tự động đo mức clinker

- Hệ thống lọc bụi tĩnh điện

- Hệ thống cân đóng bao xi măng

Với các hệ thống tự động trong dây truyền sản xuất xi măng, luận văn chỉnghiên cứu về hệ thống cân băng định lượng Sau đó thiết kế bộ điều khiển phi tuyếntựa theo thụ động cho hệ thống cân băng định lượng sử dụng động cơ KĐB-RTLS

Khung cân (8) Băng tải cân (9)

Chân đế (10)

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý kết cấu cân băng tải

2.4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG DÙNG ĐỘNG CƠ KĐB-RTLS VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN 2.4.1 Sơ đồ khối và nguyên lí điều khiển

Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng hình 2.3

2.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng động cơ RTLS với bộ điều khiển phi tuyến

KĐB-Theo [8] ta có cấu trúc chung cho hệ thống điều khiển động cơ KĐB-RTLS như sau:

Con lăn cân (1)

(6)

Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống

Đầu đo khối

ĐC

Hình 2.6: Cấu trúc hệ điều khiển thống động cơ KĐB-RTLS dùng bộ điều khiển phi tuyến

Kết hợp hình 2.3, hình 2.6 và nguyên lí điều khiển của hệ thống cân băng định lượng Ta thu được sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển hệ thống khi dùng bộ điều khiển phi tuyến như sau:

CHƯƠNG 3

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

TỰA THEO THỤ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG

Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng sử dụng động

cơ KĐB-RTLS dùng bộ điều khiển phi tuyến

3.1 ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO THỤ ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ KĐB-RTLS

3.1.1 Thiết kế bộ điều khiển tựa theo t hụ động

Như đã chỉ ra ở chương trước, chương này đi vào áp dụng cụ thể phương phápđiều khiển tựa theo thụ động để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống cânbăng định lượng sử dụng động cơ DB-RTLS

Thiết kế bộ điều khiển tựa theo thụ động cho một hệ thống cơ điện về cơ bản có hai cách khác nhau:

- Cách thứ nhất, xem hệ thống cơ điện là một hệ thụ động, sau đó PBC được thiết kế cho toàn bộ hệ thụ động đó bằng cách sử dụng hàm lưu giữ tổng năng lượng của toàn hệ

- Cách thứ hai xuất phát từ tính chất có khả năng phân tích một hệ thụ độngthành các hệ thụ động con

Để áp dụng theo phương pháp thứ 2 ta tách ĐCKĐB - RTLS thành hai phần đó

là động học phần điện và động học phần cơ như sau:

Hình 3.1: Phân tích động cơ KĐB-RTLS thành động học phần điện và phần cơ

Trong đó coi hệ thống điện He là đối tượng cần điều khiển và hệ thống cơ Hm là nhiễu thụ động Để đảm bảo hệ Hm không phá vỡ sự ổn định của hệ thống He (tính thụ động) thì một tín hiệu phụ – gọi là tín hiệu suy giảm sẽ được xếp chồng với tín hiệu điều khiển us.

3.1.2 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển

3.1.2.1 Phát biểu bài toán

Động cơ DB-RTLS có mô hình được mô tả bởi các phương trình (1.43) - (1.46),với các vector trạng thái [isT,,]T, điện áp cung cấp cho hệ thống cuộn dây stator làvector điện áp u Tốc độ đầu ra được điều khiển là  và biên độ từ thông rotor r Thiết kế một bộ điều khiển PBC sao cho tốc độ và từ thông rotor thoả mãn:

t   với tất cả các trạng thái trong bị giới hạn

3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển PBC

Khi đó cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng như trên hình 3.2:

Hình 3.2: Cấu trúc của bộ điều khiển

3.2 PHƯƠNG TRÌNH CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TỪ

r d

f s

 ) ~ (

s f

PBC

f s f

s j

PBC

i K

u u

i K

u e

~ ) (

~ ) (

) 1 1 (

1 1

) 1 1 (

rq m r s rd m s sd s s sq r s s

sq s sq

rq m s rd m r s sq s s sd r s s

sd s sd

L T

L L

L i L i T T

L dt

di L u

L

L L

T L i L i T T

L dt

di L u

(

1 )

1 1 (

) )(

(

1 )

1 1 (

m s sd s s sq r s s

sq s

PBC

sq

sd sd rd

m r s sq s s sd r s s

sd s

PBC

sd

i i K L

L i L i T T

L dt

di

L

u

i i K L

T L i L i T T

L dt

L i

R

L L

i

rd p m

r sq

rd r

r rd m sd





(3.36)

Vậy bộ điều khiển PBC được xác định bởi phương trình (3.34), (3.35), (3.36) và sơ

đồ cấu trúc của bộ điều khiển như hình (Hình 3.3)

Cuối cùng ta có phương trình bộ lọc điều khiển tố độ

m z z

là mô phỏng và đánh giá kết quả, nội dung này được hoàn thành ở chương cuối cùng(chương 4)

*

sq i

d

L m



2 2

*

sd i s

W'rd m*

In3

MT

P'S Omega n isq isd OmegaS

v s

Subsystem Step

-K-Gain

Divide1 Divide

Clock

1 0.002s+1

Bo loc1

iSD*

Isd Isq*

isq omega W*rd mM*

Usd

Usq

Vs

Bo dieu khien dong

4.1 SƠ ĐỒ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG MÔ HÌNH MATLAB- SIMULINK

4.2 THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN

4.2.1 Tham số của động cơ

4.2.2 Tham số của bộ điều khiển

- Tham số của bộ điều khiển PCB:  0 04 ,d  42

- Tham số của bộ điều khiển tốc độ:a 600 ;b 50000

- Hệ số quy đổi kv = 30

4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình 4.1: Sơ đồ của bộ điều khiển trong Matlab-Simulink