Tóm tắt luận án Nghiên cứu phát triển các giải pháp sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điểu khiển động cơ xoay chiều

Đề xuất một số thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không sử dụng cảm biến tốc độ.. Các nội dung nghiên cứu chính của luậ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

………….***…………

LÊ HÙNG LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 62 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TSKH Phạm Thượng Cát Người hướng dẫn khoa học 2: TS Phạm Minh Tuấn

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Động cơ xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong dân dụng do các tính năng ưu việt cấu trúc nhỏ gọn, công suất lớn cũng như hiệu quả kinh kế, thuận tiện trong việc thiết kế, điều khiển và bảo dưỡng Động cơ xoay chiều được ứng dụng trong máy bơm, máy nén, trong ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt, quạt công nghiệp hay dân dụng, thang máy, máy nâng hạ, máy kéo, cần cẩu trong ngành xây dựng, robot hay trong tàu biển Do vậy, trong ba thập kỷ gần đây động cơ xoay chiều đã thay thế động cơ một chiều do loại bỏ được các nhược điểm của động cơ một chiều như chi phí bảo dưỡng cao đối với hệ thống cổ góp - chổi than, mô men quán tính cao, không an toàn trong môi trường rung chấn, dễ cháy nổ Các động cơ xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi do các tính năng vượt trội của nó Tuy nhiên, để khai thác triệt để hơn loại động cơ này có nhiều vấn đề đặt ra cần được giải quyết Mặc dù trong và ngoài nước đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và hạ giá thành sản phẩm, nhưng các kết quả đạt được vẫn còn bộc lộ nhiều hạn chế Chẳng hạn các phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman, lọc phi tuyến hay bộ quan sát theo chế độ trượt để ước lượng tốc độ góc và từ thông của động cơ nhưng hiệu quả điều khiển phụ thuộc căn bản vào thuật toán điều khiển, ước lượng các đại lượng cần thiết và độ chính xác của mô hình động cơ gây nên những khó khăn đáng kể Mô hình toán của động cơ thường khó đạt độ chính xác mong muốn vì trong

hệ thống chứa nhiều tham số không xác định trước như các hệ số ma sát, mô men quán tính

và điện trở…, chúng thường thay đổi trong quá trình vận hành Ngoài ra, việc ước lượng các đại lượng cần thiết như tốc độ góc hay từ thông động cơ dùng làm các thông tin cho các bộ điều khiển thay cho các cảm biến đòi hỏi đạt được độ chính xác mong muốn là những vấn

đề khó và cần tiếp tục nghiên cứu Trong những năm gần đây, sự phát triển của mạng nơ ron nhân tạo đã góp phần rất lớn vào việc giải quyết các bài toán trong điều khiển, đặc biệt đối với các đối tượng điều khiển có đặc trưng phi tuyến và tham số bất định Mạng nơ ron nhân tạo đã cho phép xử lý các yếu tố phi tuyến khá tùy ý trong các hệ điều khiển với các trọng

số tự chỉnh khi vận hành

Luận án đi sâu nghiên cứu và phát triển phát triển một số thuật toán ước lượng thông

số và điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Đề xuất một số thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều

Đề xuất một số thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không sử dụng cảm biến tốc độ

3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

Đề xuất 02 thuật toán điều khiển, 02 thuật toán ước lượng các thông số động cơ:

a) Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định

và tải thay đổi trên hệ trục tọa độ (d,q) sử dụng mạng nơ ron nhân tạo

b) Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định và tải thay đổi sử dụng phương pháp điều khiển không tác kênh trên

hệ trục tọa độ (α,β)

c) Thuật toán ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và bộ tự thích nghi

d) Thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông động cơ sử dụng bộ tự thích nghi

Luận án đã chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán điều khiển và ước lượng tốc độ và từ thông động cơ đề xuất nêu trên sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ

đề Barbalat và tiến hành mô phỏng kiểm chứng các phương pháp đề xuất bằng công cụ mô phỏng Matlab

Bố cục của luận án:

Chương 1, luận án trình bày tổng quan một số vấn đề trong điều khiển động cơ

Chương 2, luận án phát triển một số thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ Chương 3, luận án phát triển một sốthuật toánước lượng tốc độ và từ thông của động

cơ không đồng bộ

Kết luận của luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Việc điều khiển động cơ xoay chiều còn có một số trở ngại như hai thành phần dòng rotor hoặc từ thông không phải lúc nào cũng đo được trực tiếp hay như tồn tại một số tham

số bất định trong mô hình hệ thống như điện trở rotor, hệ số ma sát, mô men quán tính hay

tải thay đổi trong quá trình hoạt động Vấn đề đặt ra là:

1 - Xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ rotor và từ thông rotor động cơ một cách chính xác, tiết kiệm chi phí

2 - Phát triển các thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham số bất định

3 - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ thông minh trên các công nghệ chế tạo vi mạch điều khiển mới

1.2 Tổng quan về phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều

Các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều được phân loại như sau:

Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số

Điều khiển chuyển động sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp ngày càng đòi hỏi

độ chính xác cao Các động cơ hiện nay chủ yếu sử dụng các mô hình điều khiển như phương pháp điện áp/tần số (V/F), điều khiển trực tiếp mô men và điều khiển tựa từ thông

Điều khiển vô hướng

U/f = const is=f(ωr)

Dòng stator

Điều khiển véc tơ

Điều khiển tựa

từ thông

Điều khiển trực tiếp mô men DTC

Circular flux trajectory

Hexagonal flux trajectory

Tựa từ thông rotor RFO

Tựa từ thông stator SFO

Trực tiếp DRFO

Gián tiếpIRFO

Tựa từ thông tự nhiên NFO

Điều khiển động cơ xoay chiều

Trong khuôn khổ của luận án này, phương pháp điều khiển tựa từ thông được lựa chọn nghiên cứu và áp dụng cho động cơ xoay chiều 3 pha với yêu cầu điều khiển tốc độ và mô men hiệu suất cao

Các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung nhận dạng điện trở rotor ít kể đến các yếu tố bất định khác như hệ số ma sát, mô men quán tính hay tải thay đổi Do vậy, trong khuân khổ luận án này sẽ tập trung nghiên cứu, đề xuất các thuật toán điều khiển và ước lượng tốc độ động cơ cho động cơ xoay chiều có các tham số bất định nêu trên

1.3 Các vấn đề nghiên cứu của luận án

- Phát triển một số thuật toán ước lượng tốc độ rotor và từ thông rotor của động cơ xoay chiều

- Phát triển một số thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham

số bất định

- Sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống và sử dụng Matlab mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán điều khiển, ước lượng

CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CHO ĐỘNG

CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH

Tác giả xây dựng hai thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông rotor:

- Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với

thuật học online để bù các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ quay (d,q)

- Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều không tách kênh và sử

dụng mạng nơ ron nhân tạo để bù lại các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ cố định (α,β)

2.1 Mô hình động cơ xoay chiều

Mô hình toán học của động cơ xoay chiều có thể viết trên hệ trục tọa độ cố định (,):

Trong mô hình toán học của động cơ xoay chiều trên hệ trục tọa độ quay (d,q) khi từ

thông rq theo hướng trục q bị triệt tiêu, từ (2.15) ta có:

2.2 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều

tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q)

2.2.1 Xây dựng mô hình bộ điều khiển

Từ phương trình (2.16) ta có thể viết rút gọn như sau:

Hình 2.2 Mô hình điều khiển động cơ

Bộ điều chỉnh tốc

độ ref

Như vậy, bài toán điều khiển động cơ trở về xác định tín hiệu điều khiển ( )u t sao cho

tốc độ động cơ  bám theo tốc độ ref mong muốn trong khi không biết rõ các tham số

k, k

J B và mô men tải mk thay đổi không biết trước

2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ

  ,

k

f f J

   , '

k

D D

K K J

Như vậy, bài toán điều khiển trở thành tìm '

u sao cho hệ (2.31) ổn định tiệm cận trong

khi không biết f Một mạng nơ ron có đầu ra là ' ˆf để xấp xỉ hàm f '

Định lý 1 [1][2]: Tốc độ ω của động cơ cảm ứng (2.16), (2.22) sẽ bám theo giá trị

Trong đó ,  luôn hữu hạn, do vậy V luôn hữu hạn =>V liên tục đều theo thời gian

Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì V 0  ,0 Từ (2.31), ta có

R

L L

trong đó chọn G là ma trận đường chéo xác định dương

và đặt ξ i sdq isdq là véc tơ sai lệch giữa dòng mong muốn và dòng điều chỉnh

rd

Thay (2.43) vào (2.42) và từ (2.44) ta có:

Như vậy véc tơ sai lệch ξ  0 tức là isdq isdq

Xây dựng mô hình bộ điều chỉnh dòng Hình 2.4:

2.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng

Mô hình hệ thống điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định sử dụng phản hồi tốc

độ như Hình 2.2 Ta sử dụng động cơ cảm ứng 4 cực lồng sóc 1.5 kW của LEROY SOMER với vận tốc góc mong muốn như Hình 2.5 và vận tốc góc ổn định ref  100 Rad/s (956 prm), từ thông mong muốn r*ref=1.5 (Wb) Động cơ được gắn với hệ thống máy khoan

Bảng thông số của động cơ

Công suất 1.5 KW Điện cảm stator (L s) 0.253 H

Dải điện áp stator 220/380 V Điện cảm rotor (L r) 0.253 H

Dải dòng điện stator 6.1/3.4 A Hỗ cảm (L m) 0.213 H

Điện trở stator (R s) 4.58 Ω Mô men quán tính (J) 0.023 Nms2/rad

Điện trở rotor (R r) 4.468 Ω Hệ số ma sát (B) 0.0026 Nms/rad

Hình 2.5 là vận tốc góc rotor mong muốn và động cơ bắt đầu khởi động tại thời điểm

t=0,1(s)

Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref

Ta mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ với các tham số bất định được giả thiết:

với: m L1 có thành phần tải cố định của hệ thống là 3 (Nm),

m L2 thành phần tải không biết trước khi khoan các lỗ vào vật liệu như Hình 2.6a

sd

i

Hình 2.6a m L2 thành phần tải không biết trước khi khoan các lỗ vào vật liệu

Hình 2.6b Δm L thành phần tải không biết trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu

Hình 2.6cm L thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống

Hình 2.8 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor

khi sử dụng mạng nơ ron

0 1 2 3 4

Time (s)

-1 -0.5

0 0.5

Time (s)

-4 -3 -2 -1 0 1

Time (s)

Hình 2.9 Thời gian quá độ vận tốc góc khi tải với m L

- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch vận tốc góc xấp xỉ 3,5% Tại các thời điểm tải thay đổi đột biến thì sai lệch vận tốc góc xấp xỉ 1,5%

- Tại các thời điểm này, vận tốc góc rotor có quá trình quá độ nhất định nhưng chỉ sau một khoảng thời gian ngắn mạng nơ ron tự học đưa vận tốc rotor về với vận tốc mong muốn

Thời gian ổn định vận tốc góc của rotor trong xấp xỉ 1 giây

2.3 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ không đồng bộ ba pha

có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (,)

2.3.1 Xây dựng mô hình bộ điều khiển

-4 -3 -2 -1 0 1

M3~ m L

Hình 2.12 Mô hình điều khiển động cơ

r m r

Tiếp tục biến đổi, ta chọn:

Như vậy bài toán điều khiển động cơ trở về xác định tín hiệu điều khiển v sao cho tốc

độ và từ thông của động cơ đạt được các giá trị mong muốn   ref,

ref

r r r r

     trong khi không biết rõ các tham số J B R , , r và tải thay đổi m L

không biết trước

2.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông rotor

với C là ma trận đường chéo xác định dương; e  x - xreflà sai lệch giữa giá trị thực

ref r ref

x x

Như vậy, khi s0 thì kéo theo sai lệch e0

Hình 2.13 Cấu trúc mạng nơ ron RBF xấp xỉ đại lượng f



 

  

  véc tơ hàm đầu ra của nơ ron i

và τ sai số xấp xỉ bị chặn: η 0 Như vậy, để sai lệch s0, sai lệch e  ( x - xref)  0 ta

phải chọn v và luật tự chỉnh các trọng số Wcủa mạng nơ ron sao cho hệ (2.56) ổn định tiệm cận

Định lý 2 [4][6]: Tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều (2.14) sẽ bám theo giá trị

ref

r r r r

biết rõ các tham số J B R , , r và tải thay đổi m W nếu tín hiệu điều chỉnh v và các trọng số





Trong đó s s, luôn hữu hạn và η η, cũng luôn hữu hạn, do vậy V luôn hữu hạn, suy ra

V liên tục đều theo thời gian

Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì V  0 s s,0 Từ (2.57), sai lệch

e0 Do đó xxref hay nói cách khác tốc độ và từ thông động cơ bám theo tốc độ và từ thông mong muốn với sai lệch bằng 0

Bộ điều khiển tốc độ và từ thông rotor của động cơ như Hình 2.14

2.3.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng

Trong phần mô phỏng này, ta vẫn dùng các giả thiết về động cơ xoay chiều ba pha, tốc

độ như mục 2.2.4 và từ thông mong muốn 2

ref

r

 =2.25 (Wb2)

Điện trở rotor là R r Rˆr  R r , trong đó ΔR r thay đổi theo nhiệt độ trên các cuộn dây

rotor của động cơ Giả sử ΔR r thay đổi như Hình 2.15

Hình 2.15 ΔR r thay đổi theo thời gian

Hình 2.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor

Hình 2.18 Thời gian quá độ vận tốc góc với tải m L

Hình 2.19 Sai lệch giữa từ thông mong muốn r2ref và từ thông thực tế 2

r



Hình 2.20 Thời gian quá độ giữa từ thông thực tế r2và từ thông mong muốn r2ref

với tải m L

Vận tốc góc rotor và từ thông rotor đã được điều khiển bám sát với vận tốc góc rotor

và từ thông rotor mong muốn

- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động, vận tốc góc, từ thông rotor có quá trình quá

độ nhất định sai lệch xấp xỉ 0,08% với vận tốc góc rotor và 70% với từ thông rotor Chúng

sẽ được điều chỉnh về vận tốc góc, từ thông rotor mong muốn trong khoảng thời gian ngắn

- Tại các thời điểm tải thay đổi đột biến, vận tốc góc, từ thông rotor có quá trình quá

độ nhất định sai lệch xấp xỉ 0,2% với vận tốc góc rotor và 0.001% với từ thông rotor Chúng

sẽ được điều chỉnh về vận tốc góc, từ thông rotor mong muốn

Thời gian quá độ tốc độ rotor và từ thông rotor là nhỏ và gần như tức thời

2.4 Kết luận chương 2

Trong chương này, tác giả đã xây dựng hai thuật toán điều khiển tốc độ, từ thông động

cơ có nhiều tham số bất định (hệ số ma sát B, mô men quán tính J, điện trở rotor R r , tải thay đổi lớn) trên mô hình tham chiếu trên hệ trục tọa độ quay (d,q) và hệ trục tọa độ cố định

(α,β)

Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với

thuật học online để bù các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ quay (d,q) Độ ổn định tiệm

cận toàn cục của hệ thống điều khiển sử dụng mạng nơ ron được chứng minh chặt chẽ bằng

lý thuyết ổn định Lyapunov và bổ đề Barbalat Các kết quả mô phỏng ở mục 2.2.4 đã minh chứng hiệu quả của thuật toán điều khiển đề xuất

Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều không tách kênh và tự thích nghi sử dụng mạng nơ ron với thuật học online xấp xỉ các đại lượng bất định trên hệ

trục tọa độ cố định (α,β) Độ ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống điều khiển sử dụng

mạng nơ ron được chứng minh chặt chẽ bằng phương pháp ổn định Lyapunov và bổ đề Barbalat Các kết quả mô phỏng ở mục 2.3.3 đã minh chứng hiệu quả của thuật toán điều khiển đề xuất

Dựa vào kết quả mô phỏng kiểm chứng tại mục 2.2.4 và mục 2.3.3 ta thấy thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông ở mục 2.3.2 có kết quả tốt hơn với thuật toán điều khiển tốc

độ mục 2.2.2 và điều chỉnh dòng mục 2.2.3 Cụ thể:

- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động, sai số thuật toán điều khiển tốc độ mục 2.3.2 chỉ có sai lệch khoảng 0,08% trong khi đó thuật toán điều khiển tốc độ mục 2.2.2 và điều chỉnh dòng mục 2.2.3 có sai lệch là khoảng 3,5%

- Tại thời điểm động cơ hoạt động với tải thay đổi lớn, sai lệch của thuật toán điều

khiển tốc độ trên trục tọa độ cố định (α,β) của mục 2.3.2 là 0,2% và thuật toán điều khiển tốc độ trên trục tọa độ quay (d,q) của mục 2.2.2 và điều chỉnh dòng mục 2.2.3 đều là khoảng

1,5%

Tác giả đã công bố các công trình liên quan đến chương này là bài báo[1][2][4] và [6]

trong danh mục các công trình đã công bố

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG

CƠ XOAY CHIỀUCÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH 3.1 Bài toán ước lượng tốc độ và từ thông rotor của động cơ cảm ứng

Trong chương này, tác giả nghiên cứu các phương pháp ước lượng thông số động cơ

và phát triển hai thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông động cơ trên mô hình tham chiếu:

- Thuật toán ước lượng tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên cơ sở mạng nơ ron và tự thích nghi

- Thuật toán tự thích nghi ước lượng tốc độ và từ thông của động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định

Đồng thời chương này, tác giả cũng khảo sát sự kết hợp giữa hai thuật toán điều khiển được xây dựng ở chương 2 với hai thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông đề xuất trong mô hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ

3.2 Phát triển các thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông của động cơ không đồng bộ

ba pha có nhiều tham số bất định

3.2.1 Xây dựng bộ ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và tự thích nghi