ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN NGỌC QUÂN
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HOÀ ĐỒNG BỘ HỆ THỐNG
PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
MÃ SỐ: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2014
Công trình đƣợc hoàn thành tại:
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: TS. CAO XUÂN TUYỂN
Phản biện 1: TS. Đỗ Trung Hải.
Phản biện 2: TS. Lại Khắc Lãi.
Luận văn này đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Vào hồi 8 giờ 30, ngày 18 tháng 08 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
-Thƣ viện trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
1
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
LỜI GIỚI THIỆU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài được đặt ra trên cơ sở các vấn đề thực tế hiện nay là:
- Xu hướng phát triển mạnh việc sử dụng nguồn năng lượng sạch trên thế
giới và trong nước hiện nay.
Vì vậy tác giả chọn đề tài: " Nâng cao chât lượng điều khiển hòa đồng bộ
hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
bằng phương pháp Thích Nghi".
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu-
bộ nghịch lưu hòa lưới.
3. Mục đích nghiên cứu
Nâng cao chất lượng hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên cơ sở tổng hợp bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới
theo phương pháp điều khiển thích nghi.
4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu hòa đồng
bộ phía lưới theo phương pháp điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hòa
đồng bộ.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu lý luận về phương pháp điều khiển thích nghi.
- Mô phỏng Off Line trên cơ sở sử dụng phần mềm Matlab/simulink/plecs.
- Thực nghiệm trên cơ sở mô hình thí nghiệm tự làm.
6. Ý nghĩa của đề tài
2
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
- Đã thực hiện việc điều khiển hòa đồng bộ hệ thống nghịch lưu phía lưới
vào lưới trên cơ sở bộ điều khiển phi tuyến và tính chọn các giá trị đặt.
7. Những điểm mới trong luận văn
- Đã áp dụng thành công phương pháp điều khiển phi tuyến thích nghi để
điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới.
3
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Chƣơng 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ
1.1. GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG GIÓ
Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên
nhân mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không
đồng đều trên bề mặt trái đất. Trong số các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng
gió có thể đại diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất tại Việt Nam. Các cuộc khảo
sát cho thấy rằng khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình
phù hợp để phát ra năng lượng gió. Các chuyên gia Ngân hàng Thế giới đã kết luận
Việt Nam có khả năng tạo ra 513.360 MW hàng năm từ năng lượng gió – gấp 10 lần
tổng công suất phát điện quốc gia dự kiến cho năm 2020.
Hình 1. 1 : Ưu đãi đầu tư cho các dự án năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam.
1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÁC LOẠI HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ ĐỐI
TƢỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
1.2.1. Khái quát về các loại hệ thống năng lƣợng gió
Cho đến nay có hai loại tuốc bin gió chính được sử dụng, đó là: tuốc bin
gió tốc
4
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Gearbox
IG
Soft
starter
Transformer
Capacitor bank
Hình 1. 2 : Tuốc bin gió với tốc độ cố định.
Gearbox
G
TransformerPower electronic
converter
≈
=
≈
=
Hình 1. 3 : Tuốc bin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới.
1.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn
Ở các hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ ta
phải tạo từ thông kích từ trước khi khai thác năng lượng từ gió. Việc kích từ đó
hoặc thực hiện nhờ nguồn điện từ lưới (trường hợp vận hành có hoà lưới), hoặc nhờ
ắc quy để tạo kích từ, hoặc nhờ tụ điện với điều kiện có từ thông dư trong máy điện
không đồng bộ.
Hình 1. 6 : Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu đơn giản.
SG
~
=
=
~
CL
NLPL
Gear
Box
Grid
5
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hình 1. 7 : Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu(ĐB-KTVC) có điện áp máy phát được chỉnh lưu có điều khiển tuỳ theo sức tiêu thụ nhờ nghịch
lưu phía máy phát.
SG
~
=
=
~
NLMF
NLPL
Gear
Box
Grid
6
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Chƣơng 2
GIỚI THIỆU VÀ LỰA CHỌN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH
NGHI BACKSTEPING
2.1 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KINH ĐIỂN
2.1.1 Bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (Proportional-Integral-
Derivative). Bộ điều khiển PID điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc
sai lệch:
Hình 2. 1: Sơ đồ bộ điều khiển PID
Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn
(vai trò của khâu P).
Nếu e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫn
tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I).
2.1.2 Bộ điều khiển PID số
Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay được xây dựng trên
nền máy tính số, vì thế thuật toán PID cũng cần được biểu diễn dưới dạng phù
hợp cho việc lập trình cài đặt. Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ
ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian
lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống.
Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có
khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc
Đối tượng
(-)
PID
e(t)
x(t)
u(t)
y(t)
7
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
độ thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn
định hơn.
Bộ điều khiển: sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP),vi điều khiển
(microcontroller : µC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP)
- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:
(2.2)
- T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu:
Trong quá trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu
T. Việc chọn T như thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống
điều khiển số. Nếu chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn
định vì thiếu thông tin. Nếu chọn T nhỏ quá thì có thể đẫn tới lượng thông tin
bị thừa và phần cứng có thể không đáp ứng được (phụ thuộc vào độ phân giải
của thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ thống tác động chậm.
2.1.3. Một số hạn chế của bộ điều khiển PID.
Khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ được đưa đến đầu
vào thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy
tín hiệu điều khiển cũng sẽ bao gồm nhiễu. Đây là một trong những
nguyên nhân ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều
khiển.
2.2 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI.
2.2.1. Tổng quan về điều khiển thích nghi.
8
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu nào đó thì với các đại lượng vào, phải
cho được các đại lượng ra mong muốn. Nhưng do nhiều yếu tố ảnh hưởng
như nhiễu, các đại lượng vào quá lớn hay không biết trước, do đó để đạt được
theo yêu cầu, thống phải được tự động thích nghi bù sai số. Cơ cấu thích nghi
tạo ra tín hiệu thích nghi bằng tín hiệu từ khâu so sánh. Các chỉ tiêu chất
lượng theo yêu cầu đặt trước IP*, cho vào khâu so sánh với những giá trị đã
được đo lường và tính toán theo các thông số thực trạng của hệ thống điều
chỉnh (các tín hiệu của đại lượng vào, đại lượng ra, các nhiễu).
Hệ thống đó được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:
Hình 2. 2: Mô tả hệ thống điều khiển thích nghi.
2.2.2 Các phƣơng pháp điều khiển thích nghi
2.2.2.1. Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (MRAS)
Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (Model reference adaptive
system – MRAS) có sử dụng bộ điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi (
Model reference adapt control - MRAC ), nguyên lý cơ bản của hệ được thể
hiện bằng sơ đồ tổng quát như sau:
Vòng hồi tiếp thông
thường
Vòng hồi tiếp điều
khiển thích nghi
9
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hình 2. 3: Cấu trúc chung của bộ điều chỉnh thích nghi có mô hình theo dõi
(2.3)
Như vậy vấn đề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay đổi tham số
bộ điều khiển để luôn có được sai số e(t) ≈ 0 và điều này phải không được
phụ thuộc vào sự thay đổi bên trong đối tượng.
Để thực hiện hiệu chỉnh tham số p cho bộ điều khiển với cấu trúc xác
định, cho trước, điển hình là mô hình điều chỉnh theo luật MIT và phương
pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác định dương đặt trước.
2.2.2.2. Luật hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển MIT (Masachusetts
Institube Technology)
(2.4)
Trong phương trình này e là sai số của mô hình e = y – ym . Các thành
phần của vec to ∂e/∂θ là đạo hàm của độ nhạy sai số đối với thông số chỉnh
định θ. Thông số γ xác định tốc độ thích nghi. Luật MIT có thể được giải
thích như sau, giả sử rằng các thông số θ thay đổi chậm hơn nhiều so với các
biến khác trong hệ thống. Để bình thường sai số là lớn nhất, cần thay đổi các
thông số theo hướng gradient âm của bình phương sai số e2.
0 tytytetyty
mm
de
e
dt
10
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay đổi vecto thông số p sao
cho đảm bảo mục tiêu (2.4). Tức là cần có:
(2.5)
Và để đạt được (2.5) ta chỉ cần thay đổi sao cho:
hoặc có thể viết :
Trong đó γ là hằng số dương tùy ý và được coi là hệ số khuếch đại thích nghi,
tốc độ để phụ thuộc theo độ lớn của γ.
2.2.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển mờ cực tiểu hóa hàm mục tiêu
hợp thức (xác định dương).
Phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm mục tiêu xác định
dương V(e) của các vector sai lệch e. và Và chỉ cần
xác định bộ điều khiển sao cho xác định âm theo e. Theo lý thuyết
Lyapunov, điều kiên này cũng đảm bảo để e(t) →0
2.2.2.4. Hệ thích nghi sử dụng bộ điều khiển tự chỉnh định (STR).
Một bộ điều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả năng
tự xác định lại mô hình toán học mô tả đối tượng để từ đó tự chỉnh định lại
bản thân nó cho phù hợp với sự thay đổi của đối tượng là bộ ĐKTN tự chỉnh
(Self turning regulator) viết tắt là STR. Bộ ĐKTN tự chỉnh đơn giản nhất là
bộ ĐKTN tự chỉnh tham số, tức là nó không tự thay đổi cấu trúc bộ điều
khiển mà chỉ xác định lại các tham số đối tượng để từ đó tự chỉnh định lại các
tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp.
0
dt
tde
e
p
T
p
e
e
dt
pd
T
p
e
e
dt
pd
sgn
0lim
0
te
t
0,0 eeV
00 V
dt
edV
11
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hình 2. 4: Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh.
Một hướng giải quyết bài toán khác khi sử dụng phương pháp thiết kế
bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp như được đề cập đến trong [9], mô
hình này sử dụng cơ cấu nhận dạng tham số đối tượng kết hợp thuật toán xác
định tham số điều khiển thành bộ quan sát trực tiếp tham số đối tượng đề cập
cho bộ điều khiển.
Sơ đồ trên hình 3.3 có thể được viết lại như sau:
Hình 2. 5: Cấu trúc ĐKTN tự chỉnh trực tiếp
2.2.2.5. Điều khiển mờ thích nghi.
Kỹ thuật điều khiển mờ đã được phát triển thêm tính thích nghi để tạo
nên một hệ thống điều khiển trong đó thông số cà cấu trúc của bộ điều khiển
12
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
thay đổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất lượng điều khiển của
hệ thống khi có sự hiện diện của các yếu tố bất định cũng như thay đổi thông
số trong hệ thống.
Bộ điều khiển mờ thích nghi có 2 phương pháp và cấu trúc cơ bản:
+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp được
tổng quát trên sơ đồ hình (3.5)
+ Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp
Hình 2. 6: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp
2.2.2.6 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch.
Đây là phương pháp điều khiển dựa trên cơ sở tuyến tính hóa lân cận quỹ đạo
chuyển động tĩnh cho hệ phương trình vi phân mô tả động lực học. Tín hiệu
được tính từ khối phản hồi có luật điều khiển thích nghi có thể là gián tiếp
hoặc trực tiếp để các sai số điều khiển tiệm cận về 0. Ưu điểm của phương
pháp là đơn giản hóa thiết kế nhờ việc tuyến tính hoá. Tuy nhiên, nó chưa
khảo sát hệ khi điều khiển bám quỹ đạo. Đồng thời phương pháp này quan
tâm nhiều đến sự tương tác giữa các chuyển động mà chưa chú ý đến sự biến
thiên thông số động học của hệ.
13
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Chƣơng 3
MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÕA ĐỒNG BỘ
3.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỐI TƢỢNG
3.1.1. Hệ thống nghịch lƣu 3 pha
3.1.1.1 Phương án nghịch lưu 3 pha kinh điển
*/Ƣu điểm: dễ thực hiện, tiết kiệm van IGBT (6 chiếc). Dễ thực hiện bù hệ
số công suất cos.
*/ Nhƣợc điểm: Rất dễ trôi dạt trung tính (điểm M trong hình 3.1) khi phụ
tải không đối xứng. Khó tận dụng được công suất tối đa vì mô đun tối đa của véc tơ
điện áp đặt lên phía sơ cấp của biến thế chỉ là 2U
DC
/3.
Hình 3. 1 : Giải pháp nghịch lưu 3 pha kinh điển: điện áp 3 pha được tạo nên bằng phương pháp
điều chế vector.
Do nhược điểm nêu trên đề tài đã tiếp tục thử nghiệm với phương án ghép 3
nghịch lưu 1 pha dưới đây.
3.1.1.2. Phương án nghịch lưu 3 pha ghép từ nghịch lưu 1 pha
14
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hình 3. 2 : Giải pháp ghép 3 nghịch lưu 1 pha: điện áp 3 pha được tạo nên bằng cách ghép 3 điện
áp lệch pha nhau 120
o
3.1.2. Mô hình trạng thái liên tục phía lƣới
Hình 3. 3 : Mô hình trạng thái liên tục phía lưới
3.1.3. Mô hình gián đoạn phía lƣới
H
N
Z
-1
I
u
N
(k)
H
N
e
N
(k)
N
Φ
i
N
(k+1)
i
N
(k)
Hình 3. 4 : Mô hình gián đoạn phía lưới
3.1.4. Các biến điều khiển phía lƣới
DSP
3~
BiÕn ¸p
L-íi
®iÖn
3~
3~
U
DC
L
D
R
D
CL
Filter
15
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Như chúng ta đã biết, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển phía lưới là lấy năng
lượng từ lưới để cung cấp cho mạch một chiều ở chế độ dưới đồng bộ hoặc hoàn
năng lượng từ mạch một chiều lên lưới ở chế độ trên đồng bộ. Trong cả hai quá
trình đó, điện áp một chiều trung gian u
DC
phải được giữ ổn định không đổi.
d
jq
Nd
i
Nq
i
N
i
Ns
uu
Hình 3. 5 : Biểu diễn véc tơ không gian dòng điện phía lưới trên hệ toạ độ dq
3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG
3.2.1 Điều kiện hoà đồng bộ hệ thống nghịch lƣu lên lƣới điện
Điều kiện 1: Điều kiện về tần số: Tần số của nguồn 3 pha ở đầu ra của hệ
thống nghịch lưu phải bằng tần số lưới.
Điều kiện 2: Điều kiện về điện áp: Điện áp của nguồn 3 pha ở đầu ra của hệ
thống nghịch lưu phải bằng điện áp lưới.
Điều kiện 3: Điều kiện về pha: Thứ tự pha và góc pha ở đầu ra của hệ thống
nghịch lưu phải bằng trùng với thứ tự pha và góc pha của lưới điện.
Điều kiện 4: Điều kiện lưới điện 3 pha đối xứng: Lưới điện 3 pha đối khi 3
pha có biên độ điện áp, tần số trùng nhau và lệch pha nhau đều bằng 120
0
giữa các pha.
3.2.2 Cấu trúc điều khiển vô hƣớng hoà đồng bộ hệ thống nghịch lƣu lên lƣới
điện
3.2.2.1 Hệ thống 1 pha
* Sơ đồ khối:
16
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hình 3. 6 : Sơ đồ điều khiển vô hướng hoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu lên lưới 1 pha
3.2.2.2 Hệ thống 3 pha.
* Sơ đồ khối :
Hình 3. 7 : Sơ đồ điều khiển vô hướnghoà đồng bộ hệ thống nghịch lưu lên lưới 3 pha.
3.2.3 Cấu trúc điều khiển vector
* Sơ đồ khối:
17
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hình 3. 8 : Sơ đồ điều khiển nghịch lưu hoà lưới bằng phương pháp điều khiển vector
3.2.4 Áp dụng phƣơng pháp thích nghi Backstepping trong thiết kế điều khiển
dòng điện
Khắc phục sai lệch tĩnh: Do bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản
chưa có thành phần tích phân, nên để khử sai lệch tĩnh, ta đưa thành phần tích
phân vào trên cơ sở kỹ thuật Backstepping.
Sau khi đã đưa được thành phần tích phân vào trong bộ điều khiển
Backstepping cơ bản, ta đi tổng hợp bộ điều khiển thích nghi Backstepping.
3.2.4.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản
a) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
Nd
trên miền liên tục
Chọn i
Nd
là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó i
Nd
*
. Gọi sai lệch
giữa i
Nd
và giá trị đặt i
Nd
*
là: z
1
= i
Nd
– i
Nd
*
Chọn hàm điều khiển Lyapunov là:
2
11
1
2
z
. Lấy đạo hàm theo thời
gian, ta có:
1 1 1
zz
. Ta lại có:
*
1
Nd Nd
di di
z
dt dt
.
Từ mô hình toán học của đối tượng (3.9a), ta có:
11
- ( - )
Nd
Nd N Nq Nd Nd
DD
di
i i u e
dt T L
18
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Do đó:
*
1
1 1 1
Nd
Nd N Nq Nd Nd
D D D
di
z i i u e
T L L dt
(3.24)
Chọn biến điều khiển là
1
Nd
D
u
L
, để
1 1 1
0zz
, thì giá trị của biến điều
khiển là:
*
1
1 1 1
Nd
Nd Nd N Nq Nd d
D D D
di
u i i e K z
L T L dt
(3.25)
Với K
d
là hằng số dương.
b) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
Nq
trên miền liên tục
Chọn i
Nq
là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó i
Nq
*
. Gọi sai lệch
giữa i
Nq
và giá trị đặt i
Nq
*
là : z
2
= i
Nq
– i
Nq
*
Chọn hàm điều khiển Lyapunov là:
2
22
1
2
z
.
Lấy đạo hàm theo thời gian, ta có:
2 2 2
zz
. Tương tự ta lại có:
*
2
Nq Nq
di di
z
dt dt
(3.26)
Từ (3.9b), ta có:
11
- ( - )
Nq
Nq N Nq Nd Nd
DD
di
i i u e
dt T L
Do đó:
*
2
1 1 1
Nq
Nq N Nd Nq Nq
D D D
di
z i i u e
T L L dt
(3.27)
Chọn biến điều khiển là
1
Nq
D
u
L
, để
2 2 2
0zz
, thì giá trị của biến điều
khiển là:
*
2
1 1 1
Nq
Nq Nq N Nd Nq q
D D D
di
u i i e K z
L T L dt
(3.28)
19
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Với K
q
là hằng số dương.
Từ các bộ điều chỉnh dòng backstepping cơ bản (3.3) và (3.6), ta có sơ
đồ khối bộ điều chỉnh như hình 3.24.
Hình 3. 9 : Sơ đồ bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản
3.2.4.2 Tính ổn định của hệ có bộ điều chỉnh dòng Backstepping
Với các khâu điều chỉnh (3.25) và (3.28), thay chúng vào các phương
trình (3.24) và (3.27), ta được các phương trình mô tả mô hình phía lưới trên
không gian các biến trạng thái mới z
1
và z
2
như sau :
11
22
d
q
z K z
z K z
(3.29)
Có thể viết hệ ở dạng sau:
11
22
0
0
d
q
K
zz
d
K
zz
dt
(3.30)
Hệ có điểm cân bằng : (z
1
,z
2
)
T
= (0,0)
T
20
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Chọn hàm điều khiển Lyapunov :
22
12
11
22
zz
. Lấy đạo hàm của v, ta
có:
22
1 1 2 2 1 2
0
dq
z z z z K z K z
, ta kết luận, hệ ổn định tại điểm cân bằng
(z
1
,z
2
)
T
=(0,0)
T
. Bộ điều khiển đã thiết kế đảm bảo yêu cầu ổn định toàn cục và
**
,
Nd Nd Nq Nq
i i i i
.
3.2.4.3 Số hoá bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản phía máy phát
a) Số hoá bộ điều chỉnh dòng i
Nd
1 1 1 1
3
2
4 1 2
*
Nd Nd N Nq Nd Nd
D D D
* * *
Nd Nd d Nd Nd
u ( k ) i (k ) ( k )i (k ) e (k ) [ i (k )
L T L T
i (k ) i ( k )] K [i (k ) i (k )]
(3.33)
b) Số hoá bộ điều chỉnh dòng i
Nq
1 1 1 1
3
2
4 1 2
*
Nq Nq N Nd Nq Nq
D D D
* * *
Nq Nq q Nq Nq
u ( k ) i (k ) (k )i (k ) e (k ) [ i ( k )
L T L T
i (k ) i ( k )] K [i ( k ) i (k )]
(3.36)
3.2.4.4 Khắc phục sai lệch tĩnh
a) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
Nd
Theo tài liệu [4], ta có thể đưa thêm thành phần tích phân vào bộ điều
khiển Backstepping cơ bản bằng thuật toán sau:
Bƣớc 1:
*
11
w
Nd
d
di
Kz
dt
; K
d
là hằng số dương, đây chính là phương trình bộ
điều khiển Backstepping cơ bản (3.25).
Bƣớc 2:
Vậy phương trình bộ điều khiển thành phần i
Nd
sẽ là :
11 12
* * *
1 1 11 11 12 1 11 1
1
W ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
KK
s Y s X s K K Y s X s sY s
s
(3.54)
21
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Hay viết gọn hơn ta có:
*
1 1 1
W ( ) ( )
Id
d Nd
K
s z K z si s
s
(3.55)
Hay:
*
1 1 1
W
Nd
Id d
di
K z dt K z
dt
(3.56)
Trong đó :
11 12 11 12
1 * ;
Id d
K K K K K K
Chuyển sang miền toán tử z, ta có:
1
1
11 12
* * *
1 1 11 11 12 1 11 1
11
1
1
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1*
K K Tz
z
w z y z x z K K y z x z y z
z T z
(3.57)
b) Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
Nq
Theo tài liệu [4], ta có thể đưa thêm thành phần tích phân vào bộ điều
khiển Backstepping cơ bản bằng thuật toán sau:
Bƣớc 1:
Chọn i
Nq
là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó i
Nq
*
.
Gọi sai lệch giữa i
Nq
và giá trị đặt i
Nq
*
là : z
2
= i
Nq
– i
Nq
*
Chọn hàm điều khiển Lyapunov là:
2
22
1
2
z
. Lấy đạo hàm theo thời
gian, ta có :
2 2 2
zz
. Ta lại có:
*
2
Nq Nq
di di
z
dt dt
.
Đặt biến điều khiển
2
w (3.58)
Nq
di
dt
, để
2
0
, thì ta phải chọn w
2
như
sau:
*
22
w
Nq
q
di
Kz
dt
; K
q
là hằng số dương, đây chính là phương trình bộ
điều khiển Backstepping cơ bản (3.28).
Bƣớc 2:
Vậy phương trình bộ điều khiển thành phần i
Nq
sẽ là :
22
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
21 22
* * *
2 2 21 21 22 2 21 2
1
W ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
KK
s Y s X s K K Y s X s sY s
s
(3.75)
Hay viết gọn hơn ta có:
*
2 2 2
W ( ) ( )
Iq
q Nd
K
s z K z si s
s
(3.76)
Hay:
*
2 2 2
W
Nq
Iq q
di
K z dt K z
dt
(3.77)
Trong đó:
21 22 21 22
1 * ;
Iq d
K K K K K K
Chuyển sang miền toán tử z, ta có:
1
1
21 22
* * *
2 2 21 21 22 2 21 2
11
1
1
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1*
K K Tz
z
w z y z x z K K y z x z y z
z T z
(3.78)
Chọn các hệ số K
11
và K
12
; K
21
và K
22
Theo [tài liệu luận án], ta phải chọn các hệ số K
ij
trên là các điểm cực.
Vậy ta có điều kiện: K
11
K
12
>> 1; K
21
K
22
>> 1.
3.2.4.5. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi Backstepping
Trên cơ sở bộ điều khiển Backstepping có khử sai lệch tĩnh (3.56) và
(3.77), ta thực hiện tổng hợp bộ điều khiển thích nghi Backstepping.
- Gọi:
,
NN
e
: Là các giá trị thực đưa vào bộ điều khiển.
,
NN
e
: Là các nhiễu dao động phi tuyến.
,
NN
e
: Là các giá trị ở chế độ xác lập.
- Trong đó:
;
NN
N N N N
e e e
a) Tổng hợp bộ điều chỉnh i
Nd
Ta có:
1
1 1 1
w
Nd Nd N Nq Nd
D D D
u i i e
L T L
(3.79)
23
Học viên: Nguyễn Ngọc Quân - Lớp CH K14 – TĐH02 - Người HD khoa học : TS.Cao Xuân Tuyển
Thay giá trị thực vào (3.79) với:
*
1 1 1
W
Nd
Id d
di
K z dt K z
dt
suy ra:
*
11
*
11
1 1 1
1 1 1
Nd
N Nd
Nd Id d Nd Nq
D D D
Nd
Id d Nd N Nq N Nq Nd Nd
D D D
di
u K z dt K z i i e
L dt T L
di
K z dt K z i i i e e
dt T L L
(3.80)
Chọn hàm Lyapunov:
2
11
1
2
z
và
*
1 1 1 1 1 1 1
1
Nd Nd
Id d N Nq Nd
D
di di
z z z z K z dt K z i e
dt dt L
(3.81)
Ta thấy (3.81) không thỏa mãn điều kiện
1
0
, suy ra phải chọn hàm
Lyapunov có kể đến các thành phần nhiễu:
22
*
11
01 11
22
N Nd
Nq
ie
(3.82)
Đạo hàm (3.82):
*
11
01 11
N N Nd Nd
Nq Nq
i d i e d e
dt dt
(3.83)
Thay (3.81) vào (3.83), ta được:
* 2 2
1 1 1 01 1 11 1
01 11
1 1 1
N N Nd Nd
Id d Nq Nq
d
dd
K z dt K z i i z e e z
dt dt L
Để
*
1
0
thì:
01 1
11 1
.
1
N
Nq
Nd
d
d
iz
dt
d
ez
dt L
suy ra
01 1
11 1
.
1
N
Nq
Nd
d
i z dt
e z dt
L
(3.84)
Thay (3.84) vào (3.80), ta được bộ điều khiển thích nghi backstepping
thành phần i
Nd
:
