Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) áp dụng cho bài toán phân chia công suất hai động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆPNGUYỄN VĂN ĐÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU MRAS ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG C

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN ĐÀO

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào.

Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975

Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệpThái Nguyên

Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” do thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương

hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu thamkhảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nộidung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gìtrong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời camđoan của mình

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn

tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài

“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”

đã được hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn

Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên vàmột số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trìnhhọc tập để hoàn thành luận văn này

Công ty cổ phần tự động hóa Hoàng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất

và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệmthực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vìvậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và cácbạn bè đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII LỜI NÓI ĐẦU X

C HƯ Ơ NG 1 : BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI

CỨNG TRỤC 1

1.1 Bài toán thực tế: 1

1.1.1 Giải pháp truyền thống 3

1.1.2 Giải pháp đề xuất 6

1.2 Mô hình hệ thống 8

1.2.1 Giới thiệu: 8

1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống 9

1.3 Tham số hệ thống 13

C HƯ Ơ NG 2 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH

MẪU MRAS 2-15

2.1 GIỚI THIỆU 2-15

2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp 2-15 2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 2-15 2.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 2-19 2.3 Phương pháp ổn định của Lyapunov .2-29

C HƯ Ơ NG 3 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

39

3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 39

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1 40

3.3 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS 45

3.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 54

C HƯ Ơ NG 4 : THỰC NGHIỆM

62 4.1 Giới thiệu: 62

4.2 Các mạch điện thực hiện 63

4.3 Thực nghiệm trên mô hình 67

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

System

Hệ thống thích nghi theo

mô hình mẫu

phản hồi

trình lặp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ 1

Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ 2

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau

3 Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ 5

Hình 1-5: Giải pháp truyền thống 6

Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất 7

Hình 1-7: Mô hình hệ thống 9

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập

12 Hình 1-10: Mô hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải 13 Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số 2-16 Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu 2-17 Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp 2-18 Hình 2-4: Mô hình đối tượng và mô hình mẫu 2-21 Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra 2-22 Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tượng khi thay đổi tham số bp 2-23 Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp 2-23 Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb 2-24 Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tượng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT 2-24 Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu 2-25 Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT 2-25

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb 2-27

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tượng và mô hình mẫu 2-27

Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb 2-28 Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi 2-28 Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phương pháp ổn định Lyapunov 2-36

Hình 2-17: Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tượng và mô hình mẫu 2-37 Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb 2-37

Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển 40

Hình 3-2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện 41

Hình 3-3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện 1 44

Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện 1 44

Hình 3-5: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2 51

Hình 3-6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu 51

Hình 3-7: Các tham số của bộ điều khiển 52

Hình 3-8: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu khi thông số phần ứng thay đổi 53

Hình 3-9: Các tham số của bộ điều khiển khi thông số phần ứng thay đổi 53

Hình 3-10: Cấu trúc mạch vòng tốc độ 55

Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ 57

Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ 58

Hình 3-13: Tốc độ động cơ dưới điều kiện định mức 59

Hình 3-14: Đáp ứng và sai lệch dòng điện của hai động cơ 59

Hình 3-15: Tham số của bộ điều khiển 60

Hình 4-1: Mô hình đối tượng 62

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 4-2: Tổng thể hệ thống 63

Hình 4-4: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực hiện 64

Hình 4-4: Mặt trước tủ điều khiển 65

Hình 4-5: 06 Thyristor của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha 65

Hình 4-5: Mạch khuếch đại và truyền xung 65

Hình 4-5: Mạch điều khiển pha xung 66

Hình 4-5: Mạch điều khiển 66

Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm 67

Hình 4-10: Điện áp đồng bộ và điện áp răng cưa 68

Hình 4-11: Điện áp điều khiển và điện áp răng cưa 68

Hình 4-12: Điện áp răng cưa và đầu ra khâu so sánh 69

Hình 4-13: Điện áp răng cưa và đầu ra khâu sửa xung 69

Hình 4-14: Xung chùm 70

Hình 4-15: Nhân xung chùm 70

Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor 71

Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ của động cơ 71

Hình 4-17: Dòng điện 2 động cơ 72

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay,việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển,

từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ở một ngã

tư cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong nhà máy, xí nghiệp được đặcbiệt quan tâm Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệthống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức nănghơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹthuật phải có trình độ ngày càng cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt côngnghệ mới tốt Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang được sử dụng lạiyêu cầu người cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệcho các hệ thống đó

Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặpnhiều khó khăn Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơcông suất lớn Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với

nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộnghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn Tương tự như đã đặt vấn

đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằngrất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tươngxứng

Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”, tác giả đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên

khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn yêucầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục Ưu điểm củagiải pháp là: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biếnđổi đi kèm có công suất nhỏ hơn

Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ một chiềunối cứng trục

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS áp

dụng cho bài toán chia tải hai động cơ

- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm

Matlab/Simulink.

- Thiết kế chế tạo mô hình và bộ điều khiển bằng mạch điện tử sử dụngkhuếch đại thuật toán

Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau:

Chương 1: Bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục.

Vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục được xem xét Đồngthời xây dựng mô hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ nối cứng trục

Chương 2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu - Model

Reference Adaptive Systems – MRAS.

Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hìnhmẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp được giới thiệu trong chương này

Lý thuyết ổn định Lyapunov được áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông

số của đổi tượng điều theo thông số của mô hình mẫu

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển.

Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS được

trình bày ở Chương 2 cho việc thiết kế hệ thống điều khiển như đã đề xuất tạiChương 1 Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độbên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong Bộ điều khiển PID mạch vòng dòngđiện của động cơ thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là

cố định Dòng phần ứng của động cơ thứ nhất được xem là dòng điện mẫu Bộđiều khiển PID thích nghi mạch vòng dòng điện động cơ thứ 2 sau đó được thiết

kế dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov theo đó dòng điện phần ứng động cơ thứ

2 luôn bám sát dòng điện mẫu – dòng phần ứng động cơ 1 Kết quả thiết kế, tínhtoán được đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

C HƯ ƠN G 1 : BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ

NỐI CỨNG TRỤC.

1.1 Bài toán thực tế:

Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động

cơ một chiều hay xoay chiều công suất đến hàng nghìn KW (Hình 1-1) Thiết bịcán Block là khâu cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu sử dụngcông suất vào khoảng 5000 Kw là một thí dụ điển hình Hệ thống quạt gió lò,trạm nén khí, trạm bơm,…là các hệ thống điển hình mà ở đó thường yêu cầu sửdụng động cơ công suất lớn

ộng cơ ộng

cơ

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặpnhiều khó khăn Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơcông suất lớn Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sửdụng cũng như việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu

tố trọng lượng và kích thước Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa vớiviệc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động

cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn Tương

tự như đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thểkhẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi côngsuất lớn tương xứng

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ưu điểm: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ

biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễdàng hơn Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dâycủa máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thànhphần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau.

Trước hết ta phân tích giải pháp đơn giản nhất là thay thế 01 động cơ mộtchiều bởi 02 động cơ một chiều giống nhau có tổng công suất bằng công suấtđộng cơ cần thay thế, các động cơ đã nêu có chung tốc độ định mức Yêu cầu đặt

ra là trong quá trình vận hành hai động cơ trên luôn đóng góp phần công suất củamình cho phụ tải chung là như nhau Yêu cầu khắt khe này không thực hiện đượcnếu không có sự can thiệp của điều khiển bởi lẽ trong thực tế ta không thể tìmđược hai động cơ giống nhau tuyệt đối.

Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau,các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắcnối tiếp các cuộn dây phần ứng (Hình 1-3) Khi đó sự đóng góp của hai động cơ

là hoàn toàn giống nhau Giải pháp tưởng như đơn giản tuy nhiên không thể thựchiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêucầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổiyêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên Ta có thể kết luận ởđây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trongthực tế

Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phảidùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4) Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằngnếu không có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sựđóng góp công suất như nhau của 02 động cơ Thực tế đã khẳng định rằng, nếu

02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng tháinguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải;Trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cảđộng cơ còn lại

AC AC

Tải

Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ.

Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạchvòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện képbên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòngdòng điện (Hình 1-5) Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnhbằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điệnmột cách phù hợp Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất Tuynhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vậnhành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn vềdòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%) Chính vì vậy, cùng vớiquá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộđiều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhượcđiểm cơ bản của thiết kế đã nêu

(+) (-)

BĐK Dòng Điện 1

Tải

Máy phát tốc Hình 1-5: Giải pháp truyền thống.

1.1.2 Giải pháp đề xuất

1 2

BĐK Tốc Độ

Giải pháp đề xuất trong luận văn này được phát triển dựa theo giải phápvừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển haimạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chungcho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòngđiện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 vớithông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộđiều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòngđiện giữa 02 động cơ (Hình 1-6) Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng củađộng cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫuđược tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số củađộng cơ đó Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứnhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 vớisai số nhỏ nhất Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau –điều mà chúng ta mong đợi.

1.2 Mô hình hệ thống.

1.2.1 Giới thiệu:

Nhằm mục đích kiểm tra khả năng của bộ điều khiển đề xuất trước khi đưavào ứng dụng trong thực tế sản xuất, một mô hình của hệ thống hai động cơ một

chiều nối cứng trục, chung tải đã được xây dựng tại Phòng Thí Nghiệm Điện –

Điện tử thuộc Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên.

Ngoài ra, trên mô hinh còn gắn một máy phát tốc (Tacho) đưa tín hiệu

phản hồi tốc độ về bộ điều khiển

1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống.

a) Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập:

-Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Phương trình cân bằng điện áp của động cơ:

Từ các phương trình (1.1) - (1.3) ta có mô tả của động cơ một chiều dưới dạng không gian trạng thái như sau:

 d  

C u i

i C

Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập.

b) Mô hình hệ thống 02 động cơ nối cứng trục:

Tương tự như trường hợp một động cơ, từ (1.1) ta có phương trình cân bằng áp cho hai động cơ như sau:

Từ đó ta có mô hình của hệ hai động cơ 1 chiều nối cứng trục, chung tải như sau:

1.3 Tham số hệ thống.

Động cơ sử dụng trong mô hình có thông số:

Các tham số của mô hình được cho trong bảng sau:

Sử dụng các tham số này, ta có mô hình không gian trạng thái của động cơ nhưsau:

Sau khi phân tích ưu nhược điểm của từng giải pháp, tác giả đã đề xuất phương án

sử dụng hai động cơ nối cứng trục, vấn đề phân chia tải giữa chúng được thực hiện thông qua việc điều khiển dòng điện của hai động cơ luôn bám theo nhau

Để đạt được yêu cầu khắt khe này trong điều kiện hệ thống chịu tác động của nhiễu, cũng như bất định tham số, giải pháp đưa ra là sử dụng bộ điều khiển

thích nghi theo mô hình mẫu MRAS.

Cũng trong chương I, mô hình toán của hai động cơ nối cứng trục, và các tham

số của hệ thống cũng được trình bày

Luận văn cao học - Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

C HƯ ƠN G 2 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO

MÔ HÌNH MẪU MRAS

Nội dung chương giới thiệu về hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS (Model Reference Adaptive Systems) do giáo sư Job Van Amerongen – đại học Twente – Hà lan đề xuất Các khái niệm về mô hình mẫu, điều khiển thích nghi tham số, điều khiển thích nghi tín hiệu, điều khiển thích nghi trực tiếp

và gián tiếp đã được đưa ra thảo luận Các bước thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa trên lý thuyết ổn định Lypunov được trình bày một cách chi tiết.

2.1 GIỚI THIỆU

Phần nội dung dưới đây được trích dẫn tóm tắt từ tài liệu Intelligent Control (part

1) –MRAS của tác giả Job Van Amerongen [10].

2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp

Điều khiển thích nghi trực tiếp : Hệ thống với sự chỉnh định trực tiếp các

thông số bộ điều khiển mà không cần nhận dạng rõ các tham số của đối tượng

Điều khiển thích nghi gián tiếp : Hệ thống với sự điều chỉnh gián tiếp các

thông số điều khiển cùng việc nhận dạng rõ các thông số của đối tượng

2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình mẫu, hầu hết được gọi là MRAC (Model Reference Adaptive Controllers) hay MRAS (Model Reference Adaptive

Systems), chủ yếu áp dụng đối với điều khiển thích nghi trực tiếp Triết lý cơ bảnđằng sau việc áp dụng MRAC đó là đặc trưng mong muốn của hệ thống đượcđưa ra bởi một mô hình toán học, hay còn gọi là mô hình mẫu

Học viên: Nguyễn Văn Đào.

Khi hành vi của đối tượng khác với hành vi “lý tưởng” được xác định bởi

mô hình mẫu, đối tượng sẽ được sửa đổi theo 2 cách, hoặc bằng cách chỉnh địnhcác thông số của bộ điều khiển (Hình 2-1), hoặc bằng cách tạo ra tín hiệu bổsung đầu vào cho đối tượng này (Hình 2-2) Điều này có thể được chuyển thànhbài toán tối ưu hoá, ví dụ tối thiểu hoá tiêu chuẩn:

Ngoài việc tối thiểu hoá sai lệch giữa những tín hiệu đầu ra của đối tượng

và mô hình mẫu, thì tất cả các biến trạng thái của đối tượng và mô hình mẫu cònđược đưa vào tính toán Nếu các biến trạng thái của đối tượng được ký hiệu là

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

niệm nhớ không được thể hiện trong hệ thống thích nghi tín hiệu Do đó, vònglặp thích nghi vẫn còn cần thiết trong mọi trường hợp, để liên tục tạo ra nhữngtín hiệu phù hợp ở đầu vào Do vậy, các hệ thống thích nghi tín hiệu cần phảiphản ứng nhanh hơn hẳn đối với những thay đổi động học của đối tượng so vớicác hệ thống thích nghi tham số vì hệ thích nghi tín hiệu không sử dụng thông tin

từ quá khứ Trong những hệ thống mà các thông số liên tục thay đổi trong mộtphạm vi rộng, sự có mặt của tính chất nhớ là rất có lợi Tuy nhiên, trong một môitrường ngẫu nhiên, ví dụ như trong các hệ thống với rất nhiều nhiễu, điều này lại

là bất lợi Hệ số cao trong vòng thích nghi có thể gây nhiễu đưa tới đầu vào củađối tượng

Bộ điều khiển thứ nhất của hệ

u + - y

Bộ điều khiển thứ hai của hệ

Mô hình mẫu

Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp

h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Khi các tham số của đối tượng thay đổi chậm những hệ thống thích nghitham số sẽ thực hiện tốt hơn vì chúng có nhớ Hiện nay đã có một vài thuật toánthích nghi kết hợp những ưu điểm của cả hai phương pháp trên Trong nhữngquan tâm sau đây chủ yếu tập trung vào các hệ thống thích nghi tham số, mặc dùvậy việc kết hợp giữa thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu cũng được bànđến

Nội dung trình bày tiếp theo cho chúng ta thấy phép nhân trong bộ điềukhiển thích nghi luôn luôn dẫn đến một hệ thống phi tuyến Điều này có thể đượcgiải thích rằng điều khiển thích nghi mang đậm phản hồi phi tuyến

Một cách khác để xem xét hệ thống như sau Vòng điều khiển phản hồi cơbản được xem như là một hệ thống điều khiển sơ cấp phản ứng nhanh, chính xácnhằm phản ứng đối với nhiễu “thông thường” Những biến thiên lớn trong cáctham số đối tượng hoặc là tác động của nhiễu với cường độ lớn được xử lý bởi

hệ thống điều khiển thích nghi (thứ hai) phụ tác động chậm hơn (Hình 2-3)

2.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT:

Trong lĩnh vực điều khiển nâng cao, một vài phương pháp đã được sử dụng

để thiết kế hệ thống thích nghi Nhưng chúng ta có thể có được cái nhìn sâu sắchơn với phương pháp này bằng cách tư duy làm cách nào tự tìm được các thuậttoán cho mình Điều này giúp ta thực sự hiểu được những gì đang diễn ra Do đó,trong lúc này chúng ta sẽ hoãn lại việc xem xét những hàm toán học và xem xétcác ý tưởng cơ bản của MRAS với một ví dụ đơn giản Khi chúng ta cố gắngthiết kế một bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống đơn giản này, chúng ta sẽ gặpphải những vấn đề mà cần đến nền lý thuyết cơ bản hơn Những tính chất nóichung với những phương pháp thiết kế khác nhau cũng như là sự khác biệt của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

các phương pháp này sẽ trở lên rõ ràng Trong Hình 2-4 một sơ đồ khối được đưa ra cho hệ thống mà sẽ được dùng như là một ví dụ xuyên suốt tài liệu này

khiển thực tế Trong thực tế, chúng ta giả thiết ở phần này là các thông số đốitượng có thể được chỉnh định trực tiếp

Trong ví dụ này, đối tượng (tuyến tính) được mô tả bằng hàm truyền:

1

(2.5)

Hình 2-4: Mô hình đối tượng và mô hình mẫu

Mô hình tham chiếu (tuyến tính) đã có bậc giống với đối tượng Giá trị tính toán sau được lựa chọn:

Trong trường hợp chỉ có (DC – Direct Control) điều khiển thích nghi trựctiếp – hệ số khuếch đại của đối tượng và mô hình mẫu khác nhau bởi hệ số bằnghai Điều này có thể được nhận ra trong các đáp ứng bước nhảy đơn vị của hệthống này (Hình 2-5, Hình 2-6 và Hình 2-7)

2 m p

nhiên là Kb nên được điều chỉnh tăng lên Một sự lựa chọn hợp lý cho việc chỉnh

K b (t) = K b (0) + β edt

Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra.

Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp.

Với “ hệ số thích nghi” β tốc độ chỉnh định có thể được đặt lại Các chứcnăng nhớ yêu cầu được thực hiện bằng cách lấy tích phân mà cũng phải đảm bảo

2-9, Hình 2-10 và Hình 2-11

Setpoint Doi tuong

Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT.

Mặc dù kết quả là tốt, nhưng điều này nhanh chóng được nhận thấy rõ

ràng rằng vẫn còn một vài vấn đề tồn tại Khi tín hiệu đầu vào u bị đảo dấu việc

không ổn định trong trường hợp này Tuy nhiên, giải pháp cho vấn đề này rấtđơn giản Khi dấu của tín hiệu vào được đưa vào tính toán, ví dụ bằng cách nhân

e và u, kết quả của việc chỉnh định thông số lại phù hợp với Hình 2-8 Điều này

nhận được luật điều chỉnh được gọi là luật MIT:

Kb (t) = K b (0) + β (eu)dt

những luật chỉnh định giống nhau cho mỗi tham số Rõ ràng không chỉ là việcchỉnh định trực tiếp các tham số phải đóng vai trò quan trọng, mà còn là lượngđiều chỉnh mỗi tham số, quan hệ với những tham số khác Vì “tốc độ động củaviệc chỉnh định” được thực hiện bằng cách hiệu chỉnh từng tham số, và phụthuộc vào hiệu quả của việc hiệu chỉnh này có làm giảm sai lệch Lý do này dẫnđến các luật chỉnh định sau:

Kb (t) = Kb (0) + β (eu)dt

Ka (t) = Ka (0) + α (ex 2 )dt

tham số hội tụ đến một giá trị chính xác 0.5 và 0.6 Và vì vậy, kết quả là đáp ứngcủa đối tượng và mô hình mẫu trở nên bằng nhau Tốc độ thích nghi được chọn