ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TÓM TẮT LUẬN VĂN
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
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1. 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.
2. Động cơ một chiều đã một thời là giải pháp tối ưu trong các hệ
truyền động yêu cầu mômen lớn. Tuy nhiên một nhược điểm rất khó
khắc phục đối với động cơ một chiều đó là hiện tượng đánh tia lửa
điện ở chổi than và vành góp. Điều này dẫn đến sự mất an toàn trong
sản xuất, ngoài ra động cơ một chiều lại có giá thành cao, kích thước
lớn, khó sản xuất, phải bảo dưỡng thường xuyên
3. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, vi xử
lý và công nghệ máy tính thì việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay
chiều trở nên dễ dàng và đạt được những chất lượng điều chỉnh cao.
4. Do đó giải pháp sử dụng động cơ đồng bộ KTVC là cần thiết.
Bên cạnh đó các nghiên cứu trước đây thường xấp xỉ đối tượng
động cơ đồng bộ KTVC trong các hệ truyền đồng bằng một khâu
tuyến tính, như vậy đã đánh mất bản chất phi tuyến của đối tượng.
Vì vậy, đề tài này đưa ra phương pháp điều khiển phi tuyến tựa
theo thụ động. Mục đích nghiên cứu bản chất thực của đối tượng để
nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống truyền động.
2. ĐỐI TƯỢNG, NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu.
Bộ điều khiển dựa vào phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo
thụ động cho hệ truyền động điện sử dụng động cơ đồng bộ kích
thích vĩnh cửu.
2.2. Nguồn tài liệu.
Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước, các tạp chí
khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liên quan.
2.3. Phương pháp nghiên cứu.
1
- Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển động cơ
đồng bộ KTVC.
- Mô hình hoá và mô phỏng bằng Matlab – Simulink để kiểm
nghiệm kết quả nghiên cứu.
3. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN.
Hiện nay xã hội ngày càng phát triển, đất nước ta đang đẩy mạnh
công nghiệp hóa - hiện đại hóa, cơ sở hạ tầng như: Đường giao thông,
các tòa nhà cao tầng … được xây dựng với quy mô lớn, đòi hỏi cần có
một nguồn xi măng phục vụ rất lớn đáp ứng được nhu cầu ngày càng
tăng. Đặc biệt là sự bùng nổ về đầu tư phát triển công nghiệp xi măng ở
các nước đang phát triển, trong đó phải kể đến là Việt Nam. Để đáp ứng
yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về chất lượng giá cả sự cạnh
tranh trên thị trường, cho nên việc đầu tư cải tiến công nghệ ở các công ty
xí nghiệp đang là một giải pháp tốt cho việc cạnh tranh về giá cả và chất
lượng. Ở nước ta nền kinh tế và khoa học kỹ thuật đang trên đà phát triển,
phù hợp với sự phát triển chung ở khu vực, với chính sách mở cửa của
Đảng và Nhà nước ta. Ở nước ta đang thu hút vốn đầu tư của nước ngoài
ngày càng nhiều, trong đó phải kể đến việc đầu tư vào công nghệ sản
xuất xi măng trong những năm gần đây.
Với bất kỳ một nhà máy xi măng nào, nhất là đối với những
nhà máy có mức độ tự động hoá cao thì việc cân băng định lượng
dùng giám sát, điều khiển các thành phần phối liệu là vô cùng quan
trọng, nó là một trong những yếu tố quyết định đến năng suất của
cả dây truyền và tỷ lệ các thành phần phối liệu nó ảnh hưởng trực
tiếp đến chất lượng xi măng sản xuất ra.
Do đặc điểm công nghệ sản xuất xi măng có nhiều công
đoạn và hầu hết là cần đến hệ thống cân băng định lượng từ khâu
nghiền liệu đến khâu nghiền xi măng.
Với nhiệm vụ đặt ra cho cân băng định lượng là thoả mãn
những nhu cầu từ thực tế sản xuất, phải đảm bảo đủ lượng liệu cần
2
thiết cho công đoạn tiếp theo về khối lượng tỷ lệ các thành phần
phối liệu và tốc độ cấp liệu cho từng thời điểm.
Tuỳ theo vị trí, tính chất, chức năng của các khâu trong dây
truyền sản xuất mà cân băng định lượng ở khâu đó có những đặc
điểm riêng, như chế độ làm việc, sai số cho phép, dải điều chỉnh
tốc độ, độ ổn định …vv.
Bản luận văn gồm 100 trang với 4 chương, tác giả đã tìm
hiểu lý thuyết và mô phỏng kết quả như sau:
+ Tốc độ động cơ thay đổi kịp thời tại các thời điểm khi khối
lượng trên băng tải thay đổi (hình 4.2).
+ Sản lượng của cân băng luôn giữ ổn định với thời gian đáp ứng
rất nhỏ (hình 4.6).
+ Động cơ vẫn làm việc tốt bám tốc độ để đáp ứng kịp thời khi
Q thay đổi cũng như khối lượng thay đổi (hình 4.3, 4.4 và hình 4.5).
+ Sản lượng của cân băng vẫn bám tốt lượng đặt khi nó
thay đổi (hình 4.7 và hình 4.8).
Như vậy, luận văn đã đóng góp một phần nhỏ đưa vào ứng
dụng trong thực tiễn để điều khiển hệ thống cân băng định
lượng trong sản xuất xi măng.
4. KẾT CẤU LUẬN VĂN.
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Mục lục, luận văn được bố cục
gồm 4 chương, 02 bảng biểu, 38 hình vẽ và 15 tài liệu tham khảo.
CHƯƠNG 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến
và áp dụng cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
(ĐCĐBKTVC)
CHƯƠNG 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống
CHƯƠNG 3: Áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo
thụ động (Passivity-Based) cho hệ thống.
CHƯƠNG 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều
khiển
3
Chư ơ ng 1:
Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho
động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCĐBKTVC)
Ở chương này luận bản luận văn đưa ra giới thiệu chung về tổng
quan về hệ thống điều khiển phi tuyến và mô hình hệ thống của
động cơ đồng bộ KTVC:
* Giới thiệu một số phương pháp điều khiển phi tuyến, trọng tâm là
phương pháp điều khiển dựa trên thụ động Passivity-Based (PBC).
Trong đó:
- Trình bày nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động.
- Phương trình Euler-Lagrange.
T
T
0
( ( ), ( )) ( (0), (0))dt T Ty u H x x H x x
∫
≥ −
& &
- Các đặc tính của hệ EL.
- Đặc tính ổn định của hệ EL.
* Giới thiệu mô hình hệ thống của động cơ đồng bộ KTVC bao
gồm:
- Tổng quan về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
- Mô hình toán học, cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ ba pha.
- Phương trình của ĐCĐB KTVC trong hệ tọa độ (d, q).
- Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển
+ Phương trình điện áp Stator
f
ss
f
s
f
ss
f
s
j
dt
d
iRU
ψω
ψ
++=
+ Phương trình từ thông
f
p
f
ss
f
s
iL
ψψ
+=
4
Năng lượng
bên ngoài cung cấp
Năng lượng
Lưu giữ của hệ thống
+ Phương trình mô men của MĐĐB-KTVC có dạng sau:
( )
[ ]
sqsdsqsdsqppsdsqsqsdpM
LLiiiziizm
−+=−=
ψψψ
2
3
)(
2
3
Chương 2:
Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống
Giới thiệu sơ lược về ngành sản xuất xi măng; công nghệ sản xuất
xi măng; Tìm hiểu công nghệ hệ thống cân băng định lượng dùng
trong nhà máy xi măng; xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống cân
băng dung ĐCĐB KTVC với bộ điều khiển phi tuyến.
- Sơ đồ khối cân băng định lượng:
- Sơ đồ nguyên lý kết cấu cân băng tải:
5
- Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng
động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu với bộ điều khiển phi tuyến.
Theo cấu trúc điều khiển như hình 2.8 ta thấy bài toán điều chỉnh
sản lượng Q đã điều quy đổi về bài toán điều chỉnh tốc độ cho đối
tượng là động cơ đồng bộ KTVC trong đó tốc độ đặt n
đặt
được quy
đổi từ sản lượng đặt Q
đặt
và giá trị khối lượng trên đầu đo khối
lượng. Như vậy mục tiêu đặt ra khi thiết kế bộ điều khiển phi tuyến
cho hệ thống là tốc độ thực tế trên trục động cơ phải bám theo tốc
độ đặt. Có nghĩa là từng bước thiết kế bộ điều khiển phi tuyến thỏa
mãn hai đại lượng mômen quay (M) và dòng từ hóa (ψ’) đạt đến
đại lượng đặt.
6
Chương 3:
Áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động
(Passivity-Based) cho hệ thống
Trực tiếp áp dụng 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 đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
- Cấu trúc điều khiển:
- Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng:
7
- Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến:
8
- Mô hình động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu trên hệ toạ độ dq:
6
v s
5
O m e g a S
4
isd
3
isq
2
T o c d o n
1
O m e g a
2
0 .0 0 0 4 s
z c /sJ
0 .1 0 8
tu th o n g
0 .0 4
0 .0 4 s+ 1
T sq /(1 + sT sq )
0 .0 1 5 3
0 .0 1 5 3 s+ 1
T sd /(1 + sT sd )
-K -
T r2
1
s
T i c h p h a n
U s
U v
U w
v s 1
u s d
u s q
Q u y d o i n g u o n
-K -
Q u y d o i
P ro d u ct 4
P ro d u c t1
P ro d u ct
-K -
L sd - L sq
3
3 z c/2
-K -
1 /L sq
-K -
1 /L sd
-K -
-K -
4
M T
3
In 3
2
In 2
1
In 1
* Phân tích động học của động cơ đồng bộ KTVC thành động học
gồm phần điện và động học phần cơ được nối theo kiểu phản hồi như
hình (Hình 3.4)
* Đặc điểm thụ động của động cơ:
+ Để chứng minh cho khẳng định trên, ta xét hàm tổng năng lượng
của động cơ sau:
9
+ Tích phân phương trình trên ta có phương trình cân bằng năng
lượng sau:
+ Áp dụng phương pháp Passivity – Based thiết kế bộ điều chỉnh
dòng
Qua biến đổi phương trình trên ta được điện áp:
(3.32)
(3.33)
* Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
sd
Tín hiệu điều khiển có dạng:
(3.35)
Qua biến đổi bộ điều khiển thành phần i
rd
có thể viết dưới dạng:
(3.38
)
* Tổng hợp bộ điều chỉnh thành phần i
sq
Tín hiệu điều khiển có dạng:
(3.39)
10
2
2
1
2
1
θ
&
JLiiHHH
T
me
+=+=
[ ]
∫ ∫
−+−=−
t t
W
T
s
T
dmuidRiiHtH
0 0
)()()()()()0()(
ττθτττττ
&
Năng lượng
động cơ
Năng lượng
tiêu thụ
Năng lượng cung cấp
từ bên ngoài
( )( )
s
s s
d
R K
dt
ω
= + − −
*
* *
s s s
ψ
u i i i
( )( - )
s s s s
K
ω
= −
* *
u u i i
*
( ).
sd
PBC
sd s sd
u u Kω i
= −
%
*
PBC * * *
sd
sd sd s sq s sd sd
di
u a bi cω i K( ω )(i i )
dt
= + − − −
*
( ).
sq
sq
PBC
s sq
u u K i
= −
%
ω
Qua biến đổi bộ điều khiển thành phần i
rq
có thể viết dưới dạng:
(3.42)
Từ các bộ điều chỉnh dòng tựa trên thụ động ta thấy nó đã đảm bảo
tách kênh nhờ bù liên kết ngang bởi 2 thành phần
ω
s
.i
sd
và
ω
s
.i
sq
và
bù được các thông số khác như điện áp lưới, từ thông stator và tốc
độ của rotor.
Ta có pt bộ lọc điều khiển tốc độ: (3.43)
Trong đó giá trị tốc độ đặt ω
*
được xác định dựa giá trị sản lượng
đặt Qđặt và khối lượng m(Kg) được lấy từ đầu đo khối lượng. Nó
được xác định như sau:
(3.44
)
Ta có cấu trúc hệ thống bộ điều khiển tựa theo thụ động cho hệ
thống cân băng định lượng sử dụng động cơ đồng bộ KTVC như
hình 3.5:
11
*
sq
PBC * * * *
sq sq s sd s p sq sq
di
u c b' i a i K( )(i i )
dt
= + + ω +ωψ − ω −
+−=
+−=
ω
ω
~
**
bazz
mz
z
J
m
W
p
&
60
2
.
60
2
.
*
ππ
ω
v
đăt
đ
k
m
Q
n ==
12
Chương 4:
Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển
* Sơ đồ bộ điều khiển trong mô hình Matlab-Simulink
* Sơ đồ của bộ điều khiển PCB trong mô hình Matlab-Simulink
- Khối bộ điều khiển dòng
13
- Khâu tính toán giá trị dòng đặt
*
sd
i
- Khâu tính toán giá trị dòng đặt
*
sq
i
- Khâu tính toán hệ số suy giảm
s
K( )
w
- Điều khiển tốc độ và tính toán mô men
- Khâu tính toán vận tốc đặt
*
ω
14
* Tham số của động cơ
Điện trở stator: R
s
= 0,57 Ω
Điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực: L
sd
= 0,00872 H
Điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực: L
sq
= 0,0228 H
Mômen quán tính: 0,004 Nm
Số đôi cực:
2=
p
z
* Tham số của bộ điều khiển
- Tham số của bộ điều khiển PCB:
0 04 10. ,d
e
= =
- Tham số của bộ điều khiển tốc độ:
6 100a ;b= =
- Hệ số quy đổi k
v
= 30
* Kết quả mô phỏng tốc độ
15
16
* Kết quả mô phỏng sản lượng Q
- Q và m không đổi
- Q thay đổi và m không đổi
17
- Q không đổi và m thay đổi
- Q thay đổi và m thay đổi
18
19
KẾT LUẬN
Từ kết quả mô phỏng, ta có nhận xét ở các chế độ làm việc của hệ
thống như sau:
* Ở chế độ sản lượng không đổi:
+ Tốc độ động cơ thay đổi kịp thời tại các thời điểm khi khối lượng
trên băng tải thay đổi (hình 4.2).
+ Sản lượng của cân băng luôn giữ ổn định với thời gian đáp ứng rất
nhỏ (hình 4.6).
* Ở chế độ sản lượng thay đổi:
+ Động cơ vẫn làm việc tốt bám tốc độ để đáp ứng kịp thời khi Q thay
đổi cũng như khối lượng thay đổi (hình 4.3, 4.4 và hình 4.5).
+ Sản lượng của cân băng vẫn bám tốt lượng đặt khi nó thay
đổi (hình 4.7 và hình 4.8).
- Với kết quả mô phỏng như vậy hệ thống điều khiển đã đạt được
các vấn đề nghiên cứu đặt ra.
- Luận văn mở ra một phương pháp thiết kế phi tuyến mới để điều
khiển quá trình làm việc của hệ cân băng định lượng sử dụng động
cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu nói riêng và các hệ truyền động nói
chung và là cơ sở lý thuyết để phát triển ứng dụng vào trong thực
tiễn.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
a. 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 cân băng định lượng trong nhà
máy xi măng có sử dụng động cơ đồng bộ KTVC.
b. 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 đồng bộ KTVC bằng phương
pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity – based).
20
