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 CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là cơng trình do tác giả tổng hợp và nghiên
cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài
liệu 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

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Như Hiển – Phó Hiệu trưởng
Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun đã tận tình hướng dẫn và khích
lệ tác hồn 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 Cơng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quan
trọng để tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong khoa Đào tạo sau đại học
Trường Đại học Kỹ Thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện và khích lệ tác
giả hồn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy trong ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng
Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc, và các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, Trường Cao
đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc đã khích lệ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành
luận văn.

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
2

Trang

1


LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
LỜI GIỚI THIỆU
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
1.1
Các phương pháp điều khiển phi tuyến
1.1.1
Phương pháp tuyến tính hố 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

2
3
5
8
10

1.1.5

Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động (PBC)

10

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
Tính phi tuyến của động cơ KĐB-RTLS

10

1.2.1
1.2.2

10
10
10
10
10

10

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

Chương 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
2.1
Khái quát về ngành sản xuất xi măng lò đứng

11

2.1.1
2.1.2
2.2
2.2.1
2.2.2
3.2.3
2.3

14
14
14
14
14
14
15

2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.4

Sơ lược về ngành sản xuất xi măng
Nguyên liệu và nhiên liệu để sản xuất xi măng
Công nghệ sản xuất xi măng lị đứng cơ giới hóa

Chế tạo phối liệu
Nung clinker
Nghiền xi măng
Tìm hiểu cơng nghệ hệ thống cân băng định lượng được
dùng trong nhà máy xi măng
Hệ thống cân băng định lượng
Sơ đồ nguyên lý kết cấu băng tải cân băng
Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống cân băng định lượng
Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định
lượng dùng động cơ KĐB-RTLS với bộ điều khiển phi
3

11
14
14

15
15
15
16


tuyến
2.4.1
Sơ đồ khối và nguyên lí điều khiển
2.4.2
Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng
động cơ KĐB-RTLS với bộ điều khiển phi tuyến
Chương 3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN TỰA THEO THỤ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG

3.1
Điều khiển tựa theo thụ động đối với động cơ KĐB-RTLS
3.1.1
Thiết kế bộ điều khiển tựa theo thụ động
3.1.2
Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển
3.1.2.1
Phát biểu bài toán
3.1.2.2
Cấu trúc điều khiển PBC
3.2
Phương trình của bộ điều khiển trên hệ tọa độ từ thơng
rotor
Chương 4 MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.1
Sơ đồ bộ điều khiển trong mơ hình Matlab-Simulink
4.1.1
Sơ đồ của bộ điều khiển PCB trong mơ hình
Matlab-Simulink
4.1.2
Sơ đồ của bộ điều khiển tốc độ trong mơ 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
4.3

Kết quả mô phỏng
4.3.1
Kết quả mô phỏng tốc độ
4.3.2
Kết quả mô phỏng sản lượng Q
4.4
Kết luận
Tài liệu tham khảo

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
4

16
17
18
18
18
19
19
19
19
22
22
22
22
22
22
23
24
24

25
26
27


1. Các ký hiệu

5


ird , irq

các thành phần vector dòng rotor trên hệ tọa độ rotor
các thành phần vector dòng stator trên hệ tọa độ dq
các thành phần vector dòng rotor trên hệ tọa độ dq

i rrα , irrβ

các thành phần vector dòng rotor trên hệ tọa độ rotor

isu , isv , isw
i s , ir
isα , is β

ba dòng pha của động cơ
vector dòng stator, rotor
các thành phần vector dòng stator trên hệ toạ độ rotor
các thành phần vector dòng stator trên hệ tọa độ cố định

usu , usv , usw

stator
điện áp pha của động cơ

f
u PBC

vector điện áp do bộ điều khiển PBC phát ra trên hệ tọa độ

irα , ir β
isd , isq

i srα , i srβ

u

PBC
sd

,u

PBC
sq

dq
các thành phần vector điện áp do bộ điều khiển PBC

usd , usq

phát ra trên hệ tọa độ dq

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

v

điện áp đầu vào

ψr
ψ rd , ψ rq

Lm , Ls , Lr
Lσ s , Lσ r

vector từ thông rotor
các thành phần vector từ thông rotor trên hệ tọa độ dq
mômen quay, mômen tải
vận tốc cơ, mạch stator, mạch rotor
vị trí cơ học của rotor
góc pha từ thơng, góc trục rotor
mơmen qn tính
Hỗ cảm, điện cảm stator, điện cảm rotor
điện cảm tản phía stator, rotor

Ts , Tr

hằng số thời gian stator, rotor

zp

Số đơi cực

q

điện tích

σ
µ0
kr
ρd

ρd

hệ số tiêu tán tổng
hằng số từ thẩm tuyệt đối
hệ số tăng nhiệt độ
góc trượt giữa trục rotor và trục từ thơng rotor
tốc độ trượt

m M , mW
ω , ωs , ωr

θ
ϑs ,ϑ

J

6


R 2 , R n , R nu , R nm
K, P

L
Q
H
He

điện trở dẫn dòng
điện trở stator, rotor
sai số tốc độ góc rotor
sai số dịng
tốn tử Laplace
khơng gian vector
động năng, thế năng
hàm lagrangian
vector tác động đầu vào
hàm lưu giữ tổng năng lượng
hàm năng lượng phần điện

Fe

hàm tiêu thụ phần điện

Fm

hàm tiêu thụ phần cơ

F

hàm tiêu thụ Rayleigh

Hm

β * (t )
ε,d

hàm năng lượng phần cơ
giá trị chặn dưới nhỏ nhất
giá trị riêng nhỏ nhất của ma trận A
giá trị riêng nhỏ nhất của ma trận A
biên độ từ thông rotor yêu cầu
hệ số suy giảm

a, b

hệ số của bộ lọc

K (ω )
Me
Ι2
J

hệ số suy giảm
ma trận đầu vào
ma trận đơn vị 2x2

Rdd
Rs , Rr
~
ω
~
i

p

inf
meig ( A)
M eig ( A)

e J (⋅)
L(ϑ )
In

ma trận J =

0
1

-1
0

ma trận quay 2x2

cos(⋅) − sin(⋅)
sin(⋅) cos(⋅)

R

ma trận điện cảm
ma trân đơn vị bậc n
ma trận điện trở

2. Các chữ viết tắt

BHT
KĐB-RTLS
EL
PBC

Bão hịa từ
Khơng đồng bộ-rotor lồng sóc
Euler-lagrange
Passivity-based control
7


ĐC
OSP
ISP
T4R
MHT

Động cơ
Output strictly passive
Input strictly passive
Tựa theo từ thông rotor
Mô hình tính tốn

LỜI GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
Tính cấp thiết của đề tài
Các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ rơto lồng sóc (ĐCKĐBRTLS) là một đối tượng có mơ hình phi tuyến, nhưng hiện nay lại được sử dụng rất
rộng rãi trong cơng nghiệp. Vì vậy chất lượng điều khiển là vấn đề được nhiều người
quan tâm. Phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động (Passivity – Based) là
phương pháp dựa trên hệ phương trình mô tả động học Euler - Lagrange, mà trong

thực tế có rất nhiều đối tượng động học được mơ tả bởi hệ này, trong đó có ĐCKĐBRTLS. 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
cụ thể trong thực tiễn (hệ thống cân băng định lượng, cán thép...), như chất lượng làm
việc 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 khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc bằng phương pháp điều khiển
phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity – based).
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật tốn điều khiển.
- Mơ hình hố và mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
8


- Ý nghĩa khoa học:
Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần bổ sung một phương pháp điều khiển
phi 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 phi
tuyến 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

9


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 học
phi tuyến và động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là một trong số đó, tức là
khơng thoả mãn ngun lý xếp chồng; và không phải đối tượng nào, hệ thống nào
cũng có thể mơ tả được bằng một mơ hình tuyến tính, cũng như khơng phải lúc nào
những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mơ 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 bộ
điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu
tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những cơng cụ tốn học
phi tuyến.
Để nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ
khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc bằng phương pháp điều khiển phi tuyến, chương
này sẽ tổng hợp về một số phương pháp điều khiển các hệ phi tuyến như đã được trình
bày chi tiết trong [1], [5], [8] và sự áp dụng của nó cho hệ thống truyền động điện sử
dụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. Sau đây là một số phương pháp điều
khiển ổn định hệ thống phi tuyến
1.1 Các phương pháp điều khiển phi tuyến
1.1.1 Phương pháp tuyến tính hố 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)
10


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
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 khiển
phi 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) để
thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ
KĐB-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 mơ tả
bởi các phương trình EL và bản thân hệ thống không tự sinh ra năng lượng. Như vậy
khi 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 toán
điều 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
mong muốn.
Xét một hệ động học có n bậc tự do, động học của hệ có thể được mơ tả bởi
phương trình EL sau:
d  L
∂
L
 ∂
&
&

(
−
( x, x) =
Q
 & x, x ) ÷
dt  x
∂
x
 ∂

Với Q = −
&
F ( x)

∂F

( x) + Bu + Qn

∂x

(1.18)

(1.22)

được gọi là hàm tiêu thụ Rayleigh, và thoả mãn:

xT

∂F


( x) ≥ 0

∂x

Xét một hệ được ký hiệu là Σ có hàm tổng lưu giữ năng lượng , vector tín hiệu
điều khiển u, y là vector tín hiệu đầu ra và coi như hệ thống không chịu tác động của

T

T

∫y u

0
{

nang luong cap

11
&
&
≥ H (x(T ), x(T )) − H (x(0), x(0))
1 4 4 4 44 2 4 4 4 4 43
nang luong luu giu


nhiễu. Như vậy tốc độ cung cấp năng lượng cho hệ thống sẽ là y Tu. Hệ trên được gọi
là thụ động nếu:

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

T
T
&
∂F ( x)
&
&
H[T] - H[0] + ∫ xT
dt = ∫ x T Budt
1 42 43
&3
0 4 2∂x 4
0 2 4
1 4 4
14
3
NL luu giu
NL tieu hao

(4)

NL cung cap

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 thụ
động. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng khi thiết kế bộ điều khiển theo
phương pháp PBC.
Từ phương trình (1.28) ta có một số nhận xét sau:
- Nếu u = 0 thì năng lượng của hệ khơng tăng, vì vậy hệ sẽ ổn định tại trạng
thái cân bằng “tầm thường”.
- Hệ sẽ vẫn ổn định nếu như đầu ra bằng không, trong hệ tuyến tính thì hệ

thống được gọi là pha cực tiểu (minimum phase), tức là hệ ổn định Lyapunov.
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:
H = He + Hm =

1 T
1 
i Li + Jθ 2
2
2

Trong đó
1 T
i L(θ )i = H e (i, θ ) : hàm năng lượng của phần điện
2
1 2

Jθ = H m (θ ) : hàm năng lượng của phần cơ
2

12

(1.50)


Tốc độ thay đổi năng lượng của động cơ có dạng

dH

= i sT u − θmW − i T Ri
dt

Tích phân phương trình trên ta có phương trình cân bằng năng lượng sau:
t

t

0

[

]

0


H (t ) − H (0) = − ∫ i T (τ ) Ri(τ )dτ + ∫ i sT (τ )u (τ ) − θ (τ )mW dτ

Năng
lượng

Năng lượng
tiêu thụ

(1.51)

Năng lượng cung cấp

từ bên ngoài

động cơ

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 ,−mW ] → [i T , θ ] là quan hệ thụ động, với hàm lưu giữ tổng năng lượng H (i, ϑ ) .

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 hồn tồn
có thể áp dụng phương pháp này để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống truyền động
điện 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 lượng
dùng trong nhà máy xi măng. Sau đó đưa ra cấu trúc điều khiển cho hệ thống cân
băng định lượng sử dụng động cơ KĐB-RTLS bằng phương pháp điều khiển phi
tuyến.
2.1 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH SẢN XUẤT XI MĂNG
2.1.1 Sơ lược về ngành sản xuất xi măng

13


2.1.1.1 Sản xuất theo cơng nghệ lị đứng thủ cơng
2.1.1.2 Sản xuất theo cơng nghệ lị 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 LỊ ĐỨNG CƠ GIỚI HĨA
2.2.1 Chế tạo phối liệu
2.2.1.1 Chế biến sơ bộ và đồng nhất nguyên liệu
2.2.1.2 Cân định lượng
2.2.1.4 Trộn ẩm và vê viên
2.2.2 Nung clinker
3.2.3 Nghiền xi măng
Để sản xuất xi măng có thể sử dụng nguyên liệu tự nhiên hoặc các sản phẩm cơng nghiệp,
các khống chất chứa thành phần chính của xi măng được dùng làm nguyên liệu ban đầu,
trong một loại ngun liệu rất ít khi có được tỷ lệ cần thiết các ơxit. Vì vậy, ở nhà máy xi
măng người ta thường sử dụng các loại nguyên liệu sau:

14
Hình 2.1: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất xi măng lị đứng cơ giới hố
của một nhà máy xi măng


2.3 TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG ĐƯỢC
DÙNG TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG
2.3.1 Hệ thống cân băng định lượng
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 chỉ
nghiên cứu về hệ thống cân băng định lượng. Sau đó thiết kế bộ điều khiển phi tuyến

tựa theo thụ động cho hệ thống cân băng định lượng sử dụng động cơ KĐB-RTLS.

15


Băng tải cân (9)

Khung cân (8)

Chân đế (10)

Con lăn cân (1)

Động cơ (7)

Đầu đo khối
lượng (5)
Đối trọng (2)
Lò xo căng băng
(4)
Bộ truyền đai (3)
Tang chủ động
(6)

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý kết cấu cân băng tải
16


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.
Đặt năng suất Qđặt
(kg/ph)
U1, f1
Đầu đo khối
lượng

m(kg/m)
Bộ điều khiển

Biến tần

U2, f2
v (m/phút)

ĐC

2.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượnghồi
Phản dùng động cơ KĐBtốc độ
RTLS với bộ điều khiển phi tuyến
Theo [8] ta có cấu trúc chung cho hệ thống điều khiển động cơ KĐB-RTLS như sau:
Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống

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 ngun 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:

17

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
CHƯƠNG 3
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
TỰA THEO THỤ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG
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 pháp
điều khiển tựa theo thụ động để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống cân
băng 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 tồn bộ hệ thụ động đó bằng cách sử dụng hàm lưu giữ tổng năng
lượng của toàn hệ.
18


- Cách thứ hai xuất phát từ tính chất có khả năng phân tích một hệ thụ động
thành 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 tốn
Động cơ DB-RTLS có mơ hình được mơ tả bởi các phương trình (1.43) - (1.46),
với các vector trạng thái [isT,ϑ,ω]T, điện áp cung cấp cho hệ thống cuộn dây stator là
vector điện áp u. Tốc độ đầu ra được điều khiển là ω và biên độ từ thông rotor ψ r .
Thiết kế một bộ điều khiển PBC sao cho tốc độ và từ thông rotor thoả mãn:
lim | ω − ω * |= 0 ; lim || ψ r || − || ψ r* || = 0 với tất cả các trạng thái trong bị giới hạn.
t →∞
t→∞

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:

19


Hình 3.2: Cấu trúc của bộ điều khiển
3.2 PHƯƠNG TRÌNH CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TỪ
THÔNG ROTOR
Từ (3.26) ta có thể viết lại phương trình điện áp dưới dạng sau:
~
*
u PBC = u s − K (ω ) is

(3.29)

Trong đó u PBC là điện áp do bộ điều khiển PBC phát ra
*
us

là điện áp mong muốn của động cơ

~ ~ jϑ
jϑ
Ta có: u s = u sf e ; is = is f e . Trong đó ϑ s là góc giữa trục từ thơng rotor và trục
s

s

α của hệ toạ độ stator, được xác định như sau:
t

ϑ s = ∫ ω s dt , ϑ s (0) = 0

(3.30)


ωs = ω + ρ d

(3.31)

0


ρd =

Rr
zp ψ

* 2

r

m*

(3.32)


Trong đó ρ d :tốc độ trượt yêu cầu.
~ jϑ
jϑ
Dó đó (3.29) sẽ có dạng: u PBC = u sf *e − K (ω ) is f e
s

20

s


Nhân cả hai vế của phương trình trên với e − jϑ ta được
s

~
u PBC e − jϑs = u sf * − K (ω) is f
~
f
u PBC = u sf * − K (ω) is f

(3.33)

Mặt khác từ (3.27) ta suy ra

 *
u sd = σLs


u * = σL
s
 sq


*
disd
1 1 −σ *
1 −σ *
1 −σ
*
*
+ Ls ( +
)isd − σLsωs isq − Ls
ψ rd − Ls
ωψ rq
dt
Ts
Tr
Tr Lm
Lm
*
disq
1 1 −σ *
1 −σ
1 −σ *

*
*
+ Ls ( +
)isq + σLsωsisd + Ls
ωψ rd − Ls
ψ rq
dt
Ts
Tr
Lm
Tr Lm

Thay phương trình trên vào (3.33) ( do trên hệ tọa độ dq thành phần ψ rq = 0 ) nên
phương trình được viết lại như sau:
 PBC
di *
1 1 −σ *
1 −σ *
*
*
u sd = σLs sd + Ls (
+
)i sd −σLs ωs i sq − Ls
ψ rd − K (ω)(i sd − i sd )

dt
Ts
Tr
Tr Lm



*
u PBC = σL di sq + L ( 1 + 1 −σ )i * + σL ω i * + L 1 −σ ωψ * − K (ω)(i − i * )
s
s
sq
s
s sd
s
rd
sq
sq
 sq
dt
Ts
Tr
Lm


với

K (ω) =

(3.34)

L2 2
m
ω + d ,0 < ε < Rr , d ≥ 0
4ε

(3.35)

*
ψ rq = 0 , nên ta có β * (t ) = ψ rd , thay biểu thức này vào phương trình dịng (3.26) ta tính

*
ψ rd

được:

*
1
1Tr p +*1 Lr i sd
*
*
L
i sd m= L [ψ rd + R ψ rd ]

m
r

Lr
*
*
 i sq =
m
*
Lm z pψ rd



1
Tσ

Tσ p + 1

σLs

(3.36)

-

PBC
u sd

*
i sq

Vậy bộ điều khiển PBC được xác định bởi phương trình (3.34), (3.35), (3.36) và sơ
ωs
Rr
÷bộ điều khiển như hình (Hình 3.3) 1 1 − σ
đồ cấu trúc của
zp
-

isd

ω

K (ω )

*
ψ rd

Lm

σTr

1
Tσ

ϑs

L2 2
m ω +d
4ε

1
1
1−σ
=
+
Tσ σTs σTr

1
Lm

1−σ
σ

isq
*
i sd

*
ψ rd
*

m

Lr
Lm z p

÷

-

ωs

21

*
isq

1
Tσ

Tσ p + 1

σLs

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển PBC trên hệ tọa độ dq

PBC
u sq


Cuối cùng ta có phương trình bộ lọc điều khiển tố độ
J *
 *
ω − z + mW
m =
zp

~
 z = −az + bω
 

(3.37)

Như vậy kết thúc chương 3 ta đã hoàn thành việc áp dụng phương pháp điều
khiển tựa theo thụ động để xây dựng cấu trúc bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống
cân băng định lượng sử dụng động cơ DB-RTLS. Nhiệm vụ còn lại của luận văn này
là mô phỏng và đánh giá kết quả, nội dung này được hoàn thành ở chương cuối cùng
(chương 4).

CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
P'S

S co pe 9 iSD *

In1 Is d*

T u tho n g

In1

Om ega

S te p

Usd
Is d

tin h gi a tri d on g i sd *

Omega

n

In2

w

isq

4.1 SƠ ĐỒ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG MƠ HÌNH MATLAB- SIMULINK
Is q*

W 'rd

T o W orksp ace 1

dq

In3

Toc do DC

isd

Is q*
m*

isq

Om egaS

Usq

ab
tin h gi a tri d on g i sq *

So sanh toc do

MT

vs

S RF->3 ph

om ega

S u b system
d q ->ab

W *rd
Vs

i sq

m M*

-K -

w*

B o d ieu kh ie n d on g

G a in

O m e ga S
w

m M*

n_ref
mL

Mt

n

i sd

spe e d co n tro l le r

T u rbi n e

S co p e 3

S cop e 1
t
Cl o ck

Q

T o W o rksp a ce 2

T o Wo rkspa ce

S co p e 2

Out1

22

-K Di vid e

Q dat

Gain2

Qtt
-CHe so quy doi toc do

1

Out1

0 .0 0 2 s+1
B o lo c1

Loadcell

m

Di vi d e1
P ro d u ct

So sanh Q


Hình 4.1: Sơ đồ của bộ điều khiển trong Matlab-Simulink
4.2 THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN
4.2.1 Tham số của động cơ
Điện trở rotor: Rr = 0.17Ω
Điện trở stator: Rs = 0.2Ω

Điện cảm rotor: Lr = 0.09789 H
Điện cảm stator Ls = 0.09614 H
Mơmen qn tính: J = 0.275Kgm 2
Hỗ cảm: Lm = 0.0935
Số đôi cực: z p = 2
4.2.2 Tham số của bộ điều khiển
- Tham số của bộ điều khiển PCB: ε = 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 MƠ PHỎNG
4.3.1 Kết quả mơ phỏng tốc độ
ω(rad/s)350

ω

3 0
0

2 0
5

ω*

2 0
0

1 0
5

1 0

0

5
0

0
0

23
0
.5

1

1
.5

2

2
.5

3

3
.5

4

4

.5
5
T e
im [s]


Hình 4.2: Tốc độ góc đặt và tốc độ góc của động cơ khi hệ thống hoạt động với
sản lượng đặt thay đổi và khối lượng khơng đổi.

ω(rad/s)

ω

350

300

ω*

250

200

150

100

50

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5
5
Time[s]

Hình 4.3: Tốc độ góc đặt và tốc độ góc của động cơ khi hệ thống hoạt động với
sản lượng đặt không đổi và khối lượng thay đổi.

m(kg)

4
3.5

3

ω(rad/s)

2.5

ω

2 350
1.5 300

ω*

1

250
0.5

200
0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

150

Hình 4.4: Khối lượng m(kg) trên băng tải thay đổi.

100

24

50

0

9

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

10

Time[s]s

4.5
5
Time[s]


Hình 4.5: Tốc độ góc đặt và tốc độ góc của động cơ khi hệ thống hoạt động với
sản lượng đặt và khối lượng cùng thay đổi.

4.3.2. Kết quả mô phỏng sản lượng Q
Sản
lượng

120

Qtt

100

Qđặt

80

Sản
lượng

60

Qtt
120

40

100

20

Qđặt
80
0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5
5
Time[s]

Hình60 Sản lượng đặt và sản lượng thực tế khi hệ thống hoạt động với
4.6:
giá trị sản lượng đặt thay đổi và khối lượng không đổi.
40

25

20

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5
5
Time[s]