Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity - Based).

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn  5  Passivity – Based nhằm thấy được tính khả thi của việc áp dụng p

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

TUYẾN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based)

MAI VƯƠNG SONG

TN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI

TUYẾN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based)

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

Học Viên: MAI VƯƠNG SONG

Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN – 2011

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

 3 

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Mai Vương Song

Ngày tháng năm sinh : Ngày 03 tháng 08 năm 1976

Nơi sinh : Thị xã Phú Thọ - Tỉnh Phú Thọ

Nơi công tác : Trường Cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ

Cơ sở đào tạo : Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Chuyên ngành : Tự động hóa

Khóa học : K12- TĐH

Ngày giao đề tài :

Ngày hoàn thành đề tài :

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội chúng ta Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luôn được coi là ngành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh

tế Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách đặc biệt Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của ngành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi sự phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực Do đó yêu cầu ngành chế tạo máy điện có những yêu cầu cao hơn

Do nhu cầu năng lượng trên thế giới và nước ta ngày càng tăng Việc nâng cao hiệu suất năng lượng trong các hệ truyền động sử dụng động cơ điện trở nên quan trọng hơn bao giờ hết Với mục đích bảo tồn năng lượng trong các hệ truyền động, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm ứng AC thông thường Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mômen quay tốt hơn

Trong những ứng dụng mômen quay lớn, IPM đem lại rất nhiều lợi ích Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các phương pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào việc đ iều khiển động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu viết tắt là KTVC) sao cho có hiệu suất và chất lượng cao Từ đó góp phần xây dựng đất nước ngày càng văn minh, giàu đẹp và hiện đại

Trong thời gian qua đã có một số công trì nh nghiên cứu tổng hợp kỹ thuật , thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVC nhằm khai thác tốt những tính năng vượt trội vô cùng quý giá này Trong khuôn khổ đề tài này, tôi đưa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

 5 

(Passivity – Based) nhằm thấy được tính khả thi của việc áp dụng phương pháp này

để tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mômen quay tốt hơn, từ đó cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển Sau đó được kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVC bằng mô phỏng Matlab-Simulink.- Plecs

Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho động cơ

động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu)

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

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của

thầy giáo hướng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân em cũng cố gắng tìm hiểu,

nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn

Em xin trân thành cảm ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của

thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy , cô giáo khác như

thầy Đặng Danh Hoằng và các Thầy , Cô giáo khác đã giúp đỡ về chuyên môn và các tài liệu làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc

Em xin trân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học

kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt

để em hoàn thành khóa học

Em xin trân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện Mai Vương Song

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:

Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và có nhiều đóng góp trong các lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: Trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng,

an ninh, hàng hải, hàng không, Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành hai loại: Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến

Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định của trạng thái vòng kín Trong các hệ thống tuyến tính, điều này có thể đạt được bằng cách thay thế trực tiếp các cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng các lý thuyết đặc biệt (thường dựa trên học thuyết của Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến các quá trình động học bên trong hệ thống Khả năng đáp ứng các biến đổi chức năng khác nhau từ việc nhận dạng mô hình và việc chọn phương thức điều khiển

Khi khảo sát các hệ tuyến tính, đại đa số phần tử của nó là phần tử tuyến tính, cho nên việc phân tích và tổng hợp theo phương pháp tuyến tính chỉ đúng trong những điều kiện nhất định Chỉ cần có một phần tử trong hệ là phi tuyến thì hệ phải được xem là phi tuyến Hệ phi tuyến tồn tại dưới hai hình thức: Một là các khâu phi tuyến có sẵn trong hệ điều khiển đã được xem như là phần tử tuyến tính; Một khuếch đại điện tử hay bán dẫn được xem là phần tử tuyến tính vẫn có vùng kém nhạy và bão hòa, nên xét cho cùng cũng là một phần tử phi tuyến Hai là các khâu phi tuyến được người thiết kế đưa vào nhằm đạt được một chế độ hay một kết quả mong muốn trong điều khiển

Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tượng tuyến tính đã có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc còn lại chỉ là chọn một phương pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tượng cần điều khiển cụ thể mà thôi Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chưa phát triển thì việc tổng hợp một bộ điều khiển phi tuyến

là rất khó khăn Do đó, cách giải quyết trong đa số các trường hợp đối tượng phi tuyến là qua các bước, đầu tiên mô hình của đối tượng phi tuyến sẽ được tuyến tính

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

 7 

hoá, sau đó mô hình xấp xỉ tuyến tính đó sẽ được sử dụng để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, đặc biệt khi yêu cầu về tối ưu trong hệ thống được đặt ra thì việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế một bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến là rất khó Bởi vì nếu sử dụng mô hình xấp xỉ tuyến tính của đối tượng thì có nghĩa là ta đã phá

vỡ đi cấu trúc vật lý của đối tượng Vì vậy, xuất phát từ các nhu cầu thực tế, việc phát triển một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến là hết sức cần thiết và thiết thực Nhiều năm trở lại đây đã có nhiều tác giả xây dựng một cách có hệ thống các công cụ và lý thuyết để giải quyết các bài toán điều khiển áp dụng cho các đối tượng phi tuyến Tuy nhiên, không giống như hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng, nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi tuyến là không thể Vì thế nhiều tác giả thấy rằng để lý thuyết điều khiển phi tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra thành các hệ phi tuyến riêng biệt có những tính chất nhất định, đặc trưng cơ bản cho lớp các đối tượng thuộc một hệ phi tuyến cụ thể, để rồi từ đó đi xây dựng một hệ thống lý thuyết có khả năng ứng dụng cho hệ thống phi tuyến đó Để có thể phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến một cách thực dụng, thì đầu tiên ta phải xem xét những đối tượng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý của nó phải được tính đến từ đầu trong quá trình thiết kế

Các phương pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã được hình thành, phát triển và đạt được nhiều kết quả rất quan trọng Đặt nền móng ban đầu phải nói đến các phương pháp điều khiển phi tuyến kinh điển như phân tích tính ổn định tuyệt đối, mặt phẳng pha, cân bằng điều hòa, điều khiển trượt, … Sau đến là các phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain scheduling … và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải quyết được bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính toán Do kỹ thuật máy tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vượt bậc, con người có khả năng tính được nhiều các phép tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trước kia thi các phương pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời

như điều khiển cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thụ động (Passitivy-based), … Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và được ứng dụng trong những năm gần đây được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển thông minh có thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ, lý thuyết mạng Nơron, thuật toán

di truyền, vector không gian, …

Để giải các phương trình phi tuyến, ngoài các phương pháp giải tích và đồ thị ngày nay dùng phương pháp phổ biến dùng máy tính số để mô hình hóa và tìm đáp số của bài toán dựa vào các phần mềm ngày càng hoàn thiện như MATLAB Sau đây chúng ta có thể phân tích khái quát một số phương pháp điều khiển

1.1.1 Điều khiển tuyến tính hóa chính xác

Khi phân tích, khảo sát một đối tượng phi tuyến người ta thường tìm cách tuyến tính hoá đối tượng đó bởi vì đối tượng tuyến tính do thoả mãn nguyên lý xếp chồng nên việc phân tích và khảo sát nói chung rất tiện lợi Hơn nữa ta có thể áp dụng các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính vốn rất phong phú và sẵn

có như hiện nay Tuy nhiên các phương pháp tuyến tính hoá mà chúng ta đang sử dụng vẫn còn nhiều bất cập và hạn chế

Nội dung của phương pháp tuyến tính hoá chính xác là thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho đối tượng phi tuyến (ĐTPT) sao cho hệ kín trở thành tuyến tính Khác với việc tuyến tính hoá xấp xỉ trong lân cận điểm làm việc,

bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác đảm bảo tính chất tuyến tính cho hệ thống trong toàn bộ không gian trạng thái

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá chính xác hệ phi tuyến, hệ mới có đặc

điểm vào-ra tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái.

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

 9 

Bộ điều khiển được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang lại chất lượng cao trong các phương pháp điều khiển phi tuyến Điều khiển hệ phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính tuyến tính hóa là dựa trên cơ sở “hình học vi phân” Theo phương pháp này ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi trạng thái thông qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đưa đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái mới (trong hệ tọa độ mới) Ở phương pháp này ta phải xác định được giá trị của các biến trạng thái cần phản hồi có thể đo trực tiếp nhờ các thiết bị cảm biến hoặc

có thể đo gián tiếp thông qua bộ quan sát trạng thái, quan sát trong một khoảng thời gian

đủ lớn Phương pháp này có triển vọng rất lớn song cũng không phải là không có nhược điểm Nhược điểm ở đây là phải xác định được chính xác giá trị của các biến trạng thái của đối tượng (thông thường đo trực tiếp bằng các sensor) để phản hồi về bộ điều khiển, nhưng trong thực tế không phải lúc nào các biến trạng thái có thể đo trực tiếp được mà phải thông qua bộ quan sát trạng thái Điều này làm khó khăn trong quá trình thiết kề bộ điều khiển, do thông qua bộ quan sát có sai số trong quá trình tính toán, do vậy khi thiết

kế bộ điều khiển theo phương pháp này sẽ rất khó khăn trong quá trình tính toán trong việc tính toán thiết kế bộ quan sát trạng thái

1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling

Kỹ thuật gain scheduling là một dạng đặc biệt của phản hồi phi tuyến Tuy nó chưa có một định nghĩa chặt chẽ nào hoàn hảo về thuật ngữ gain scheduling nhưng ta có thể hiểu đó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà các tham

số của nó được thay đổi như là một hàm của các điểm làm việc theo một cách đã được lập trình trước Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling đã được [1] trình bày trong nhiều trường hợp, các động học của quá trình thay đổi theo các điều kiện của quá trình đó, các tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi bằng cách quan sát các điều kiện làm việc của quá trình đó Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling được thể hiện bằng sơ đồ khối sau:

Hình 1.2 Kỹ thuật Gain scheduling

1.1.3 Phương pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha

Dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2, phương pháp này dựa trên các thông tin cần

thiết của hệ thống từ mô hình hoặc sơ đồ khối như là “điểm cân bằng hoặc điểm

dừng của hệ thống”, “tính ổn định và xác định miền ổn định tương ứng của hệ” và

khả năng tồn tại dao động để phân tích hệ thống từ đó rút ra những những kết luận cơ bản về tính chất động học của hệ thống Bằng việc phân tích các đường quỹ đạo trạng thái khép kín để rút ra kết luận về chất lượng phi tuyến Phương pháp này tưởng như đơn giản, song việc phân tích chất lượng động học của hệ thống trên cơ sở phân tích dạng các đường quỹ đạo trạng thái Do đó nó sẽ có hạn chế là chỉ áp dụng được cho những hệ thống có tối đa là hai biến trạng thái vì chúng ta chỉ có thể xây dựng được

đồ thị đường cong trong mặt phẳng một cách tương đối chính xác Cụ thể cách phân tích, đánh giá và xây dựng phương pháp điều khiển được [1] thể hiện rất rõ

1.1.4 Phương pháp backstepping

Xuất hiện vào những năm cuối của thập kỷ 80, Phương pháp backstepping (hay còn được gọi là phương pháp cuốn chiếu) được đánh giá là công cụ thiết kế đầy triển vọng cho một số lớp hệ thống phi tuyến Dựa trên cách tính toán đệ qui, phương pháp cho phép tính dần hàm điều khiển Lyapunov (clf-control Lyapunov function) Theo P.Kokotovíc và M.Arcak (tài liệu [7]), tư tưởng về thiết kế theo kiểu cuốn chiếu tích phân đã xuất hiện trong các công trình của Tsinias (1989), Sontag và Sussmann (1988) Tuy nhiên, tư tưởng này thực sự thể hiện sức mạnh của

nó khi được áp dụng cho hệ thống có những thành phần không chắc chắn (uncertaintly) Với phương pháp cuốn chiếu bền vững (robust backstepping), Kanellakopoulos đã hực hiện xây dựng bộ điều khiển ổn định cho đối tượng với tham số mô hình không rõ (unknown parameters) Với hệ có nhiễu loạn (disturbance), Freeman và Kokotovíc đưa ra phương pháp xây dựng bộ điều khiển phản hồi bằng cuốn chiếu thích nghi (adaptive backstepping) Với mô hình đối tượng có tham số không chắc chắn (uncertainty), phương pháp cuốn chiếu tích phân (integral backstepping) được áp dụng kết hợp với biện pháp tắt dần phi tuyến (nonlinear damping)

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read

data error !!! can't not

read