Tóm tắt luận án Nghiên cứu phát triển các giải pháp sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điểu khiển động cơ xoay chiều
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1021.88 KB, 27 trang )
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
………….***………….
LÊ HÙNG LINH
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG
MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62 52 02 16
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2016
Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Học viện Khoa học và Công
nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: PGS.TSKH Phạm Thƣợng Cát
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: TS. Phạm Minh Tuấn
Phản biện 1:............................................................................
Phản biện 2:............................................................................
Phản biện 3:............................................................................
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại
Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam vào hồi.....giờ .....' ngày.....tháng.....năm 2016
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Động cơ xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp cũng như
trong dân dụng do các tính năng ưu việt cấu trúc nhỏ gọn, công suất lớn cũng như hiệu quả
kinh kế, thuận tiện trong việc thiết kế, điều khiển và bảo dưỡng. Động cơ xoay chiều được
ứng dụng trong máy bơm, máy nén, trong ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt, quạt cơng
nghiệp hay dân dụng, thang máy, máy nâng hạ, máy kéo, cần cẩu trong ngành xây dựng,
robot hay trong tàu biển... Do vậy, trong ba thập kỷ gần đây động cơ xoay chiều đã thay thế
động cơ một chiều do loại bỏ được các nhược điểm của động cơ một chiều như chi phí bảo
dưỡng cao đối với hệ thống cổ góp - chổi than, mơ men qn tính cao, khơng an tồn trong
môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. Các động cơ xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi do các
tính năng vượt trội của nó. Tuy nhiên, để khai thác triệt để hơn loại động cơ này có nhiều
vấn đề đặt ra cần được giải quyết. Mặc dù trong và ngồi nước đã xuất hiện nhiều cơng trình
nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và hạ giá thành sản phẩm, nhưng các kết quả
đạt được vẫn còn bộc lộ nhiều hạn chế. Chẳng hạn các phương pháp sử dụng bộ lọc
Kalman, lọc phi tuyến hay bộ quan sát theo chế độ trượt để ước lượng tốc độ góc và từ
thông của động cơ nhưng hiệu quả điều khiển phụ thuộc căn bản vào thuật toán điều khiển,
ước lượng các đại lượng cần thiết và độ chính xác của mơ hình động cơ gây nên những khó
khăn đáng kể. Mơ hình tốn của động cơ thường khó đạt độ chính xác mong muốn vì trong
hệ thống chứa nhiều tham số không xác định trước như các hệ số ma sát, mơ men qn tính
và điện trở…, chúng thường thay đổi trong q trình vận hành. Ngồi ra, việc ước lượng các
đại lượng cần thiết như tốc độ góc hay từ thông động cơ dùng làm các thông tin cho các bộ
điều khiển thay cho các cảm biến đòi hỏi đạt được độ chính xác mong muốn là những vấn
đề khó và cần tiếp tục nghiên cứu. Trong những năm gần đây, sự phát triển của mạng nơ ron
nhân tạo đã góp phần rất lớn vào việc giải quyết các bài toán trong điều khiển, đặc biệt đối
với các đối tượng điều khiển có đặc trưng phi tuyến và tham số bất định. Mạng nơ ron nhân
tạo đã cho phép xử lý các yếu tố phi tuyến khá tùy ý trong các hệ điều khiển với các trọng
số tự chỉnh khi vận hành.
Luận án đi sâu nghiên cứu và phát triển phát triển một số thuật tốn ước lượng thơng
số và điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Đề xuất một số thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thơng động cơ xoay chiều.
Đề xuất một số thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho bộ điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều không sử dụng cảm biến tốc độ.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
Đề xuất 02 thuật tốn điều khiển, 02 thuật tốn ước lượng các thơng số động cơ:
a) Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định
và tải thay đổi trên hệ trục tọa độ (d,q) sử dụng mạng nơ ron nhân tạo.
b) Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ cảm ứng xoay chiều với nhiều
tham số bất định và tải thay đổi sử dụng phương pháp điều khiển không tác kênh trên
hệ trục tọa độ (α,β).
c) Thuật toán ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và bộ tự thích nghi.
d) Thuật tốn ước lượng tốc độ và từ thơng động cơ sử dụng bộ tự thích nghi.
Luận án đã chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật tốn điều khiển và ước
lượng tốc độ và từ thông động cơ đề xuất nêu trên sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ
đề Barbalat và tiến hành mô phỏng kiểm chứng các phương pháp đề xuất bằng công cụ mô
phỏng Matlab.
2
Bố cục của luận án:
Chương 1, luận án trình bày tổng quan một số vấn đề trong điều khiển động cơ.
Chương 2, luận án phát triển một số thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ
Chương 3, luận án phát triển một sốthuật toánước lượng tốc độ và từ thông của động
cơ không đồng bộ.
Kết luận của luận án.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Việc điều khiển động cơ xoay chiều cịn có một số trở ngại như hai thành phần dịng
rotor hoặc từ thơng khơng phải lúc nào cũng đo được trực tiếp hay như tồn tại một số tham
số bất định trong mơ hình hệ thống như điện trở rotor, hệ số ma sát, mô men quán tính hay
tải thay đổi trong q trình hoạt động. Vấn đề đặt ra là:
1 - Xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ rotor và từ thông rotor động cơ một cách
chính xác, tiết kiệm chi phí.
2 - Phát triển các thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham số
bất định.
3 - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ thông minh trên các công nghệ chế tạo vi
mạch điều khiển mới.
1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều
Các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều được phân loại như sau:
Điều khiển động cơ xoay chiều
Điều khiển véc tơ
Điều khiển vơ hƣớng
U/f = const
is=f(ωr)
Dịng stator
Điều khiển tựa
từ thơng
Tựa từ thông
rotor RFO
Trực tiếp
DRFO
Gián
tiếpIRFO
Tựa từ thông
stator SFO
Điều khiển trực
tiếp mô men DTC
Circular flux
trajectory
Hexagonal
flux trajectory
Tựa từ thơng tự
nhiên NFO
Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số
Điều khiển chuyển động sử dụng trong các ứng dụng cơng nghiệp ngày càng địi hỏi
độ chính xác cao. Các động cơ hiện nay chủ yếu sử dụng các mô hình điều khiển như
phương pháp điện áp/tần số (V/F), điều khiển trực tiếp mô men và điều khiển tựa từ thông.
3
Trong khuôn khổ của luận án này, phương pháp điều khiển tựa từ thông được lựa chọn
nghiên cứu và áp dụng cho động cơ xoay chiều 3 pha với yêu cầu điều khiển tốc độ và mô
men hiệu suất cao.
Các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung nhận dạng điện trở rotor ít kể đến các yếu tố
bất định khác như hệ số ma sát, mơ men qn tính hay tải thay đổi. Do vậy, trong khuân khổ
luận án này sẽ tập trung nghiên cứu, đề xuất các thuật toán điều khiển và ước lượng tốc độ
động cơ cho động cơ xoay chiều có các tham số bất định nêu trên.
1.3 Các vấn đề nghiên cứu của luận án
- Phát triển một số thuật toán ước lượng tốc độ rotor và từ thông rotor của động cơ
xoay chiều.
- Phát triển một số thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham
số bất định.
- Sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat chứng minh tính ổn định tiệm
cận của hệ thống và sử dụng Matlab mơ phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật tốn
điều khiển, ước lượng.
CHƢƠNG 2
PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CHO ĐỘNG
CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH
Tác giả xây dựng hai thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thơng rotor:
- Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với
thuật học online để bù các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ quay (d,q).
- Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều không tách kênh và sử
dụng mạng nơ ron nhân tạo để bù lại các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ cố định (α,β).
2.1 Mơ hình động cơ xoay chiều
Mơ hình tốn học của động cơ xoay chiều có thể viết trên hệ trục tọa độ cố định (,):
dis
R
R
R
1
s Lm r is r r r
u
Lr
Lr
Ls s
Ls
dt
di
s Rs Lm Rr is r Rr r 1 us
dt
Lr
Lr
Ls
Ls
(2.13)
d
R
R
r
r
r
dt L r r L Lmis
r
r
d r
R
R
r r r r Lmis
Lr
Lr
dt
3z L
d
mM p m r is r is J
B mL
(2.14)
2 Lr
dt
Mơ hình tốn học của động cơ xoay chiều viết trên hệ trục tọa độ quay (d,q):
4
disd
R
R
R
1
s Lm r isd s isq r rd rq
usd
dt
L
L
L
L
s
r
r
s
di
sq sisd Rs Lm Rr isq rd Rr rq 1 usq
dt
Lr
Lr
Ls
Ls
(2.15)
d
R
R
rd
r
r
dt L rd s rq L Lmisd
r
r
d rq
R
R
s rd r rq r Lmisq
Lr
Lr
dt
3z L
d
mM p m rd isq rq isd J
B mL
(2.16)
2 Lr
dt
Trong mơ hình tốn học của động cơ xoay chiều trên hệ trục tọa độ quay (d,q) khi từ
thông rq theo hướng trục q bị triệt tiêu, từ (2.15) ta có:
disd
R
R
R
1
s Lm r isd s isq r rd
usd
dt
L
L
L
L
s
r
r
s
di
R
R
1
sq
s isd s Lm r isq rd
u
(2.17)
Lr
Ls sq
Ls
dt
d
R
R
rd r rd r Lmisd
Lr
Lr
dt
3z L
d
mM p m rd isq J
B mL
(2.18)
2 Lr
dt
2.2 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha có nhiều
tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q)
1
Lm
r ref
*
isd
*
sq
i
ref
Bộ điều
chỉnh tốc
độ
Bộ điều
chỉnh
dịng
usd
usq
Điều chế
vec tơ
tu
tv
tw
3~
u
is
is
dq
isq
s
us
dq
isq
isd
us
uvw
v
w
isu
isv
isd
Mơ hình
từ thơng
Hình 2.2 Mơ hình điều khiển động cơ
2.2.1 Xây dựng mơ hình bộ điều khiển
Từ phương trình (2.16) ta có thể viết rút gọn như sau:
M3~
mL
5
d
B mL
(2.22)
dt
trong đó u (t ) ( rd isq rqisd ) gọi là điện áp điều khiển và khi rq đã bị triệt tiêu ta có
* *
u (t ) ( rd isq rq isd ) rd
isq
Từ phương trình (2.22), ta có thể chuyển thành dạng:
u(t ) J k Bk mk
(2.23)
J
B
m
trong đó: J k J k J k ; Bk Bk Bk ; mk L ;
K
K
K
J
,
B
là
các
phần
biết;
là
các
phần
không
biết.
J k , Bk
k
k
Đặt f mk J k Bk
(2.24)
(2.26)
u (t ) J k Bk f
Như vậy, bài toán điều khiển động cơ trở về xác định tín hiệu điều khiển u(t ) sao cho
tốc độ động cơ bám theo tốc độ ref mong muốn trong khi không biết rõ các tham số
J k , Bk và mô men tải mk thay đổi không biết trước.
2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ
Chọn: u(t ) u0 u1
(2.27)
trong đó u0 là tín hiệu phản hồi dạng PD và u1 là tín hiệu bù các đại lượng bất định f
sẽ được xác định sau. Ta chọn:
(2.28)
u0 J k ( ref K D ( ref )) Bk
f
u
K
sai số tốc độ: ref , đặt u ' 1 , f , K D' D .
Jk
Jk
Jk
(2.31)
K D' u ' f
Ku (t ) J
Như vậy, bài toán điều khiển trở thành tìm u ' sao cho hệ (2.31) ổn định tiệm cận trong
khi không biết f ' . Một mạng nơ ron có đầu ra là fˆ để xấp xỉ hàm f ' .
Định lý 1 [1][2]: Tốc độ ω của động cơ cảm ứng (2.16), (2.22) sẽ bám theo giá trị
mong muốn ωref khi khơng biết chính xác hệ số ma sát B, mơ men qn tính J và mô men tải
mL nếu thuật điều khiển động cơ u(t) và thuật học w của mạng nơ ron được xác định như
sau:
(2.34)
u (t ) J k ( ref K D ( ref )) Bk J ku '
u ' (1 n) fˆ
w n
trong đó các tham số tự chọn K D , n, 0 .
Chứng minh:
Chọn hàm V xác định dương như sau:
1
V 2 w2
2
V K D 2 ( ) K D 2 .
(2.35)
(2.36)
(2.37)
(2.38)
6
V K D 2 0
(2.40)
Từ (2.40) ta thấy V 0 và V 0 với mọi 0 và V 0 khi 0 , suy ra , luôn
hữu hạn. Do V 0 xác định bán âm nên không bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận. Hệ
thống là hệ không tự trị do các trọng số của mạng nơ ron thay đổi theo thời gian, nên để xác
định hệ ổn định tiệm cận ta phải sử dụng bổ đề Barbalat.
Từ (2.38), ta xác định được:
V 2 K D 2
(2.41)
sign( )
Trong đó , luôn hữu hạn, do vậy V luôn hữu hạn => V liên tục đều theo thời gian.
Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì V 0 , 0 . Từ (2.31), ta có
f u1 và ref hay nói cách khác tốc độ động cơ bám theo tốc độ mong muốn với sai
lệch bằng 0.
Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ được thể hiện trên Hình 2.3:
u1 J k (1 n) fˆ
fˆ w
w n
u1
ref
-
J k ( ref K D ( ref )) Bk
u0
u(t )
1
rd*
Hình 2.3 Bộ điều chỉnh tốc độ rotor động cơ
2.2.3 Xây dựng bộ điều chỉnh dịng
Từ (2.17) ta có thể viết dưới dạng véc tơ như sau:
di sdq
dt Ai sdq Bu sdq h rd
d rd Rr rd Rr Lmisd
dt
Lr
Lr
Trong đó:
Rs
1
Lm
s
L
Ls
s
A
; h
; B
R
s
s Lm
0
Ls
Từ mơ hình điều khiển ta xác định được điện áp đặt lên stator:
u sdq B 1 Ai sdq i*sdq Gξ h rd
isq*
(2.42)
0
1
Ls
(2.43)
trong đó chọn G là ma trận đường chéo xác định dương
và đặt ξ isdq i sdq là véc tơ sai lệch giữa dòng mong muốn và dòng điều chỉnh.
ξ i*sdq i sdq i*sdq ( Ai sdq Bu sdq h rd )
(2.44)
7
Thay (2.43) vào (2.42) và từ (2.44) ta có:
ξ Gξ
=> ξ Gξ 0
(2.45)
Như vậy véc tơ sai lệch ξ 0 tức là i sdq i sdq .
Xây dựng mơ hình bộ điều chỉnh dịng Hình 2.4:
d
dt
i
*
sdq
ξ
+
+
G
+
+
-
-
-
h
A
i sdq
rd
Rr Lm
Lr s Rr
isd
u sdq
B 1
Hình 2.4 Mơ hình bộ điều chỉnh dịng
2.2.4 Kết quả mơ phỏng kiểm chứng
Mơ hình hệ thống điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định sử dụng phản hồi tốc
độ như Hình 2.2. Ta sử dụng động cơ cảm ứng 4 cực lồng sóc 1.5 kW của LEROY SOMER
với vận tốc góc mong muốn như Hình 2.5 và vận tốc góc ổn định ref 100 Rad/s (956
prm), từ thơng mong muốn r ref =1.5 (Wb). Động cơ được gắn với hệ thống máy khoan.
*
Bảng thông số của động cơ
Công suất
1.5 KW
Điện cảm stator (Ls)
Dải điện áp stator
220/380 V Điện cảm rotor (Lr)
Dải dòng điện stator
6.1/3.4 A
Hỗ cảm (Lm)
Điện trở stator (Rs)
4.58 Ω
Mơ men qn tính (J)
Điện trở rotor (Rr)
4.468 Ω
Hệ số ma sát (B)
Hình 2.5 là vận tốc góc rotor mong muốn và động cơ bắt đầu
t=0,1(s).
0.253 H
0.253 H
0.213 H
0.023 Nms2/rad
0.0026 Nms/rad
khởi động tại thời điểm
100
Rad/s
80
60
Omega.ref
40
20
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref
Ta mơ
phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ với các tham
số bất định được giả thiết:
và
B B B; B 0.05B
J J J ; J 0.20 J sin(100t )
Tải tổng hợp các tải mL tác động lên động cơ thay đổi có dạng như Hình 2.6c:
mL mL1 mL 2 mL (Nm)
với: mL1 có thành phần tải cố định của hệ thống là 3 (Nm),
mL2 thành phần tải không biết trước khi khoan các lỗ vào vật liệu như Hình 2.6a.
mL thành phần tải khơng biết trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu như Hình 2.6b
8
4
Nm
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 2.6a mL2 thành phần tải khơng biết trước khi khoan các lỗ vào vật liệu
1
Nm
0.5
0
-0.5
-1
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 2.6b ΔmL thành phần tải không biết trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu
8
Nm
6
4
2
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 2.6cmL thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống
1
Rad/s
0
-1
-2
-3
-4
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 2.8 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor
khi sử dụng mạng nơ ron
9
1
Rad/s
0
-1
-2
-3
-4
0
0.5
1
1.5
Time (s)
2
2.5
3
Hình 2.9 Thời gian q độ vận tốc góc khi tải với mL
- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch vận tốc góc xấp xỉ 3,5%. Tại các
thời điểm tải thay đổi đột biến thì sai lệch vận tốc góc xấp xỉ 1,5%.
- Tại các thời điểm này, vận tốc góc rotor có quá trình quá độ nhất định nhưng chỉ sau
một khoảng thời gian ngắn mạng nơ ron tự học đưa vận tốc rotor về với vận tốc mong
muốn.
Thời gian ổn định vận tốc góc của rotor trong xấp xỉ 1 giây.
2.3 Phát triển thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thơng động cơ khơng đồng bộ ba pha
có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (,)
-
r2ref
ref
e2
+
-
e1
Bộ điều chỉnh
tốc độ và từ
thông
+
ˆ r
ˆ
Điều chế
vec tơ
us
tu
tv
tw
3~
u
ˆ r
Mô hình từ
thơng
2
r
us
w
isu
is
uvw
is
v
isv
mL
M3~
Hình 2.12 Mơ hình điều khiển động cơ
2.3.1 Xây dựng mơ hình bộ điều khiển
2
2
Ta đặt x1 , x2 r r , từ (2.13) và (2.14) ta có hệ phương trình:
B R
R
B R
R
x1 s r Lm 1 x1 s r Lm 1 x1
J Ls Lr
J Ls Lr
Kx1 r is r is
J
m
K x1 x2 Rs
R
m
r Lm 1 L L
J
J
Ls Lr
J
K
r us r us
J Ls
(2.49)
10
2
R
R
x2 2 r x2 2 r Lm x2
Lr
Lr
R
Rr
R
Lm s r Lm 1 r ir r ir
Lr
Ls Lr
R
2 r Lm x1 r is r is
Lr
2
(2.50)
2
R
RL
2 r Lm is2 is2 2 r m r us r us
Lr Ls
Lr
Các phương trình (2.49), (2.50) có thể viết dưới dạng véc tơ như sau:
x Mx + Nx Q D1u s
(2.51)
trong đó B, J, Rr là các tham số bất định được mô tả như sau:
B B B
J J J
Rr Rr Rr
B, J , Rr là các giá trị đã biết.
J , B, Rr là các thành phần không biết.
Từ các giá trị đã biết, ta có thể xác định được từ thông r và r :
d r
Rr
Rr
r r Lmis
Lr
Lr
dt
(2.52)
d
R
R
r
r r r r Lmis
dt
Lr
Lr
Các ma trận của hệ (2.51) có thể biểu diễn lại như sau:
N = N + ΔN ; M = M + ΔM ; Q = Q + ΔQ ; D = D + ΔD .
(2.53)
trong đó Q, D, M, N là ma trận các thành phần đã biết và Q, D, M, N là ma trận
các thành phần chưa biết.
Tiếp tục biến đổi, ta chọn:
us D v - Q
(2.54)
với v v
T
v là tín hiệu điều khiển phụ.
v
x Mx + Nx f
(2.56)
với f = ΔMx + ΔNx D Dv D DQ Q là các thành phần bất định được xác
định sau.
Như vậy bài toán điều khiển động cơ trở về xác định tín hiệu điều khiển v sao cho tốc
độ và từ thông của động cơ đạt được các giá trị mong muốn ref ,
1
1
r2 r2 r2 r2ref trong khi không biết rõ các tham số J , B, Rr và tải thay đổi mL
khơng biết trước.
2.3.2 Xây dựng thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thông rotor
Ta đặt mặt trượt: s = e + Ce
(2.57)
11
với C là ma trận đường chéo xác định dương; e x - xref là sai lệch giữa giá trị thực
x1 ref ref
x
x 1 2 và giá trị mong muốn x ref
2 .
x2 r
x2 ref ˆ r ref
Như vậy, khi s 0 thì kéo theo sai lệch e 0 .
s1
w11
2
f1 w1ii
i 1
w12
w21
s2
w22
2
f 2 w2ii
i 1
Hình 2.13 Cấu trúc mạng nơ ron RBF xấp xỉ đại lượng f
Mạng nơ ron có dạng:
(2.58)
f fˆ η Wθ η
w11 w12
1
trong đó W
là ma trận trọng số, θ véc tơ hàm đầu ra của nơ ron i
w21 w22
2
và τ sai số xấp xỉ bị chặn: η 0 . Như vậy, để sai lệch s 0 , sai lệch e (x - xref ) 0 ta
phải chọn v và luật tự chỉnh các trọng số W của mạng nơ ron sao cho hệ (2.56) ổn định tiệm
cận.
Định lý 2 [4][6]: Tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều (2.14) sẽ bám theo giá trị
tốc độ và từ thông động cơ mong muốn ref , r2 r2 r2 r2ref trong khi không
biết rõ các tham số J , B, Rr và tải thay đổi mW nếu tín hiệu điều chỉnh v và các trọng số
mạng W được xác định như sau:
ˆ + Nx
ˆ +
(2.59)
v = Hs Mx
x ref - Ce + v 1
s
(2.60)
v1 1 Wθ
s
i si
w
(2.61)
trong đó H là ma trận đường chéo xác định dương tùy chọn, wi là cột i của ma trận
trọng W và 0 , 0 với 0
Chứng minh:
Sử dụng phương pháp ổn định Lyapunov, ta chọn hàm xác định dương:
1
1
V sTs w iT w i
(2.62)
2
2 i
(2.65)
V sT Hs s T v1 - 1 Wθ - η
V s T Hs s 0
(2.66)
Từ (2.66) ta thấy V 0 và V 0 với mọi s 0 và V 0 khi s 0 , suy ra s, s luôn hữu
hạn. Từ (2.58) suy ra η, η cũng luôn hữu hạn. Do V 0 xác định bán âm nên không bảo đảm
hệ thống ổn định tiệm cận. Hệ thống là hệ không tự trị do các trọng số của mạng nơ ron thay
đổi theo thời gian, nên để xác định hệ ổn định tiệm cận ta phải sử dụng bổ đề Barbalat.
Từ (2.65), ta xác định được:
12
sT s T
V 2sT Hs
s η s T η
s
(2.67)
Trong đó s, s ln hữu hạn và η, η cũng luôn hữu hạn, do vậy V luôn hữu hạn, suy ra
V liên tục đều theo thời gian.
Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì V 0 s, s 0 . Từ (2.57), sai lệch
e 0 . Do đó x xref hay nói cách khác tốc độ và từ thơng động cơ bám theo tốc độ và từ
thông mong muốn với sai lệch bằng 0.
Bộ điều khiển tốc độ và từ thơng rotor của động cơ như Hình 2.14.
v = Hs Mx + Nx +
x ref - Ce + v 1
e
-
xref
e + Ce
s
v1 1 Wθ
s
s
v
D v-Q
us
w i si
x
Hình 2.14 Bộ điều khiển tốc độ và từ thông rotor động cơ
2.3.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng
Trong phần mô phỏng này, ta vẫn dùng các giả thiết về động cơ xoay chiều ba pha, tốc
2
độ như mục 2.2.4 và từ thông mong muốn r ref =2.25 (Wb2).
Điện trở rotor là Rr Rˆ r Rr , trong đó ΔRr thay đổi theo nhiệt độ trên các cuộn dây
rotor của động cơ. Giả sử ΔRr thay đổi như Hình 2.15.
1
Ohm
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
45
50
Hình 2.15 ΔRr thay đổi theo thời gian
0.1
Rad/s
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
Hình 2.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor
13
0.02
Rad/s
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Time (s)
3
3.5
4
4.5
5
Hình 2.18 Thời gian q độ vận tốc góc với tải mL
-3
Wb 2
5
x 10
0
-5
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 2.19 Sai lệch giữa từ thông mong muốn r2 ref và từ thông thực tế r2
0.5
0
Wb 2
-0.5
-1
-1.5
-2
0
0.05
0.1
0.15
Time (s)
0.2
0.25
0.3
Hình 2.20 Thời gian quá độ giữa từ thông thực tế r2 và từ thơng mong muốn r2 ref
với tải mL
Vận tốc góc rotor và từ thông rotor đã được điều khiển bám sát với vận tốc góc rotor
và từ thơng rotor mong muốn.
- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động, vận tốc góc, từ thơng rotor có q trình q
độ nhất định sai lệch xấp xỉ 0,08% với vận tốc góc rotor và 70% với từ thơng rotor. Chúng
sẽ được điều chỉnh về vận tốc góc, từ thơng rotor mong muốn trong khoảng thời gian ngắn.
- Tại các thời điểm tải thay đổi đột biến, vận tốc góc, từ thơng rotor có q trình q
độ nhất định sai lệch xấp xỉ 0,2% với vận tốc góc rotor và 0.001% với từ thông rotor. Chúng
sẽ được điều chỉnh về vận tốc góc, từ thơng rotor mong muốn.
14
Thời gian quá độ tốc độ rotor và từ thông rotor là nhỏ và gần như tức thời.
2.4. Kết luận chƣơng 2
Trong chương này, tác giả đã xây dựng hai thuật tốn điều khiển tốc độ, từ thơng động
cơ có nhiều tham số bất định (hệ số ma sát B, mơ men qn tính J, điện trở rotor Rr, tải thay
đổi lớn) trên mơ hình tham chiếu trên hệ trục tọa độ quay (d,q) và hệ trục tọa độ cố định
(α,β).
Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với
thuật học online để bù các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ quay (d,q). Độ ổn định tiệm
cận toàn cục của hệ thống điều khiển sử dụng mạng nơ ron được chứng minh chặt chẽ bằng
lý thuyết ổn định Lyapunov và bổ đề Barbalat. Các kết quả mô phỏng ở mục 2.2.4 đã minh
chứng hiệu quả của thuật toán điều khiển đề xuất.
Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thơng động cơ xoay chiều khơng tách kênh và tự
thích nghi sử dụng mạng nơ ron với thuật học online xấp xỉ các đại lượng bất định trên hệ
trục tọa độ cố định (α,β). Độ ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống điều khiển sử dụng
mạng nơ ron được chứng minh chặt chẽ bằng phương pháp ổn định Lyapunov và bổ đề
Barbalat. Các kết quả mô phỏng ở mục 2.3.3 đã minh chứng hiệu quả của thuật toán điều
khiển đề xuất.
Dựa vào kết quả mô phỏng kiểm chứng tại mục 2.2.4 và mục 2.3.3 ta thấy thuật toán
điều khiển tốc độ và từ thơng ở mục 2.3.2 có kết quả tốt hơn với thuật toán điều khiển tốc
độ mục 2.2.2 và điều chỉnh dòng mục 2.2.3. Cụ thể:
- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động, sai số thuật tốn điều khiển tốc độ mục
2.3.2 chỉ có sai lệch khoảng 0,08% trong khi đó thuật tốn điều khiển tốc độ mục 2.2.2 và
điều chỉnh dòng mục 2.2.3 có sai lệch là khoảng 3,5%.
- Tại thời điểm động cơ hoạt động với tải thay đổi lớn, sai lệch của thuật toán điều
khiển tốc độ trên trục tọa độ cố định (α,β) của mục 2.3.2 là 0,2% và thuật toán điều khiển
tốc độ trên trục tọa độ quay (d,q) của mục 2.2.2 và điều chỉnh dòng mục 2.2.3 đều là khoảng
1,5%.
Tác giả đã cơng bố các cơng trình liên quan đến chương này là bài báo[1][2][4] và [6]
trong danh mục các cơng trình đã cơng bố.
CHƢƠNG 3
PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ VÀ TỪ THƠNG CỦA ĐỘNG
CƠ XOAY CHIỀUCĨ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH
3.1 Bài tốn ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor của động cơ cảm ứng
Trong chương này, tác giả nghiên cứu các phương pháp ước lượng thông số động cơ
và phát triển hai thuật tốn ước lượng tốc độ và từ thơng động cơ trên mơ hình tham chiếu:
- Thuật tốn ước lượng tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất
định trên cơ sở mạng nơ ron và tự thích nghi.
- Thuật tốn tự thích nghi ước lượng tốc độ và từ thông của động cơ khơng đồng bộ ba
pha có nhiều tham số bất định.
Đồng thời chương này, tác giả cũng khảo sát sự kết hợp giữa hai thuật toán điều khiển
được xây dựng ở chương 2 với hai thuật toán ước lượng tốc độ và từ thơng đề xuất trong mơ
hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ.
3.2 Phát triển các thuật tốn ƣớc lƣợng tốc độ và từ thơng của động cơ khơng đồng bộ
ba pha có nhiều tham số bất định
3.2.1 Xây dựng bộ ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và tự thích nghi
15
Bộ ước lượng tốc độ của động cơ ở Hình 3.3 có các tín hiệu đầu vào đo được là véc tơ
dòng i s và điện áp u s ba pha của stator và đầu ra cho 3 thông số động cơ là tốc độ ước
lượng của động cơ ˆ , hằng số thời gian rotor ˆ và thông số góc từ thơng rotor ˆ r . Thuật
tốn ước lượng được dẫn dắt như sau.
Trong hệ tọa độ , , phương trình từ thơng rotor và phương trình dịng điện stator
như sau:
di s
R
1
(3.1)
ψ r s Lm i s
us
dt
Ls
Ls
dψ r
(3.2)
ψ r Lm i s
dt
is
us
Tính dịng
điện ˆi dựa
s
vào t
ˆi
s
ς
Xác định t
(Định lý 3)
t
-
l
-
εe
ˆl
Tính ˆl dựa
vào ˆ và ˆ
Thuật tốn
ước lượng
(Định lý 4)
Xác định
góc của từ
thơng rotor
ˆ
ˆ
ˆs
Hình 3.3 Sơ đồ bộ ước lượng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor
và từ thông rotor
Các bước ước lượng tốc độ và từ thông thực hiện như Hình 3.3, gồm 04 bước cụ thể
như sau:
Bƣớc 1: Tách thành phần chứa giá trị của và ra từ dòng điện và điện áp stator đo
được. Xây dựng mạng nơ ron xấp xỉ đại lượng l (có chứa các thông số cần xác định là ω, η)
như phương trình (3.5) bằng Định lý 3.
Bƣớc 2: Dựa vào giá trị t (từ định lý 3) ta tính dịng xấp xỉ ˆi s , khi véc tơ sai lệch dòng
điện stator ς (ˆi s - i s ) 0 thì ta có t=-l.
Bƣớc 3: Xây dựng thuật tự chỉnh ˆ ,ˆ bằng Định lý 4.
Bƣớc 4: Dựa vào giá trị của véc tơ l đã xác định ở bước 2, giá trị dòng điện stator đo
được và ˆ ,ˆ (từ Định lý 4) ta tính véc tơ ˆl bằng phương trình (3.15). Khi sai lệch
ε e (ˆl - l ) 0 có nghĩa là ˆ ,ˆ được ước lượng chính xác.
3.2.1.1 Tách thành phần chứa giá trị của và
Dịng xấp xỉ có thể được tính như sau:
R
dˆi s
1
s ˆi s
ut
(3.3)
dt
Ls
Ls
Định nghĩa ς ˆi s - i s là véc tơ sai lệch dòng giữa dòng xấp xỉ ˆi s và dòng stator đo
được i s .Ta có:
16
R
dς
s ς l t
dt
Ls
(3.4)
trong đó l
(3.5)
ψ r Lm i s
Ta chọn mạng RBF 2 đầu vào và 2 đầu ra, 3 lớp để xấp xỉ đại lượng l . Ở đây, ta chọn
lớp đầu vào của mạng nơ ron là sai lệch tốc độ ς(t ) ; lớp ra có 2 nơ ron tuyến tính; lớp ẩn là
2 nơ ron có hàm phân bố Gauss. Mạng nơ ron có dạng:
l = Wζ χ
(3.6)
w w
trong đó W 11 12 là ma trận trọng số, ζ 1 véc tơ hàm đầu ra của nơ ron i và
w21 w22
2
sai số xấp xỉ bị chặn: |||| ≤ 0. Như vậy để sai lệch dòng ς (ˆi s - i s ) 0 ta phải chọn t
và luật tự chỉnh các trọng số W của mạng nơ ron sao cho hệ (3.4) ổn định tiệm cận.
Định lý 3 [3]: Bộ quan sát dòng (3.4) sẽ ổn định tiệm cận và sai lệch dòng sẽ triệt tiêu
lim ς(t ) 0 khi tín hiệu điều chỉnh t và các trọng số mạng W được tính như sau:
t
t 1 Wζ
ς
ς
i iς
w
trong đó wi là cột i của ma trận trọng số W và 0; 0 .
Chứng minh:
Chọn hàm xác định dương:
2
1
V ςT ς w Ti w i
2
i 1
R
2
V s ς ςT 1 Wζ χ t
Ls
R
2
V S ς ( 0 ) ς 0
Ls
(3.7)
(3.8)
(3.9)
(3.11)
(3.12)
Từ (3.12) ta thấy V 0 và V 0 với mọi ς 0 và V 0 khi ς 0 , suy ra ς ,ς luôn
hữu hạn. Từ (3.6) ta cũng được χ , χ cũng luôn hữu hạn.
Do V 0 xác định bán âm nên không bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận. Hệ thống là
hệ không tự trị do các trọng số của mạng nơ ron thay đổi theo thời gian, nên để xác định hệ
ổn định tiệm cận ta phải sử dụng bổ đề Barbalat.
Từ (3.11), ta xác định được:
R
ςT ς T
(3.12b)
V 2 s ςT ς
ς χ ςT χ
Ls
ς
Trong đó ς ,ς ln hữu hạn và χ , χ cũng luôn hữu hạn, do vậy V luôn hữu hạn, suy ra
V liên tục đều theo thời gian.
Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì V 0 ς,ς 0 . Hay nói cách khác là
dịng điện ước lượng tiến đến dịng điện thực ˆi s i s .
17
3.2.1.2 Xây dựng bộ ước lượng tốc độ và giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor
của động cơ.
Lấy đạo hàm hai vế của (3.5) với giả thiết từ thực tế là vận tốc góc rotor và giá trị
nghịch đảo của hằng số thời gian rotor thay đổi rất chậm so với tốc độ biến thiên của dịng
điện và từ thơng trong động cơ nên ta có:
l l L i
(3.14)
m
s
Ta xây dựng bộ ước lượng:
ˆ ˆ
ˆ
(3.15)
l
l Lmˆi s ε e
ˆ
ˆ
trong đó ˆ ,ˆ là các giá trị ước lượng của , ; là một hằng số dương, ε e ˆl - l là
sai số giữa giá trị ước lượng ˆl và l .
(3.16)
ε e
l Lmi s ε e
Định lý 4 [3]: Bộ ước lượng tốc độ và hằng số thời gian rotor động cơ (3.16) sẽ ổn
định tiệm cận và véc tơ sai lệch lim ε e (t ) 0 nếu luật cập nhật tốc độ ước lượng ˆ và giá
t
trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotorước lượng ˆ được tính như sau:
(3.17)
ˆ ε e T l
ˆ ε e T (l Lmi s )
T
trong đó l l - l .
Chứng minh:
Chọn hàm xác định dương:
1
V ε e Tε e 2 2 0
2
2
V ε e 0
(3.18)
(3.19)
(3.22)
Từ (3.22) ta thấy V 0 và V 0 với mọi εe 0 và V 0 khi εe 0 , suy ra εe ,ε e
ln hữu hạn.
Ta lại có: V 2εTe ε e
(3.22b)
Trong đó ε ,ε ln hữu hạn, do vậy V luôn hữu hạn, suy ra V liên tục đều theo thời
e
gian.
e
Theo bổ đề Barbalat: V 0 εe ,ε e 0 . Từ (3.17), (3.18) ta có ˆ 0 , ˆ 0 tức
là 0 và 0 .
Từ (3.16) ta có:
i (l L i ) l 0
(3.23)
l
L
m
s
m s
T
T
trong đó l Lmi s l - Lmis l Lmis ; l l -l .
Hai véc tơ trên độc lập tuyến tính với nhau nên phương trình (3.23) chỉ bằng 0 khi
0; 0 , hay ˆ và ˆ .
18
Ta tính được từ thơng ước lượng:
ˆr
ˆ ˆ
dψ
ˆ r ˆ Lm i s
ψ
dt
ˆ ˆ
ˆ
ˆs arctan( r )
ˆ r
(3.24)
(3.25)
Như vậy, luật cập nhật (3.17) và (3.18) cho ta giá trị tốc độ góc rotor và giá trị
nghịch đảo của hằng số thời gian rotor mà không cần sử dụng các cảm biến để đo cho việc
điều khiển tốc độ động cơ.
3.2.2 Xây dựng bộ tự thích nghi ước lượng tốc độ và từ thơng
Hình 3.4 là sơ đồ bộ ước lượng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor
và từ thông rotor của động cơ theo phương pháp tự thích nghi.
is
us
m
Tính giá
trị của m
m
ˆ
Tính m
dựa vào c ,
c , ˆ , ˆ
ˆ
m
-
δe
Thuật toán
ước lượng
(Định lý 5)
c
Xác định
từ thơng
c
ˆr
ψ
ˆ
ˆ
Hình 3.4 Sơ đồ bộ ước lượng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian
rotor và từ thông rotor
Các bước ước lượng tốc độ và từ thông thực hiện như Hình 3.4, gồm 03 bước cụ thể
như sau:
Bƣớc 1: Xác định giá trị của véc tơ m dựa trên các giá trị đo được là dòng điện và điện
áp stator.
Bƣớc 2: Xây dựng thuật tự chỉnh ˆ ,ˆ và c ,c bằng Định lý 5.
Bƣớc 3: Dựa trên giá trị của véc tơ m đã xác định ở bước 1, giá trị dòng điện stator đo
ˆ . Khi đó sai lệch δe (m
ˆ m) 0 .
được, ˆ ,ˆ và c ,c (từ Định lý 5) ta xác định véc tơ m
Suy ra ˆ ,ˆ được ước lượng chính xác.
Thuật tốn ước lượng trên được chi tiết hóa như sau:
Từ phương trình dịng điện stator và từ thông rotor, ta đặt:
dψ r
(3.26)
m
dt
Từ (3.1), (3.2) và (3.26) ta có:
di
R
R
(3.27)
m s s i s s us
dt Ls
Ls
Vận tốc góc rotor và giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor thay đổi rất
chậm so với tốc độ biến thiên của dịng điện và từ thơng trong động cơ:
(3.28)
m
m Lm i s
Ta xây dựng bộ ước lượng:
19
ˆ (ˆ c ) (ˆ c ) m L ˆi
(3.29)
m
m
s
(ˆ ) (ˆ )
c
c
trong đó ˆ ,ˆ là các giá trị ước lượng của , ; c ,c là các tín hiệu điều khiển,
ˆ và giá trị thực m .
ˆ m là sai số giữa giá trị ước lượng m
δe m
Lấy (3.29) trừ đi (3.28) ta có phương trình sai số:
c c
(3.30)
δ e
m
m Lmi s
c
c
Định lý 5 [5]: Bộ ước lượng tốc độ và giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor
động cơ (3.30) sẽ ổn định tiệm cận và véc tơ sai lệch lim δe (t ) 0 nếu luật cập nhật tốc độ
t
ước lượng ˆ , giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor ước lượng ˆ và tín hiệu điều
khiển c ,c được tính như sau:
c m
m
c
ˆ δ e Tm
m
Zδ
m e
(3.31)
(3.32)
ˆ δe T (m Lmi s )
T
trong đó m m - m , Z là ma trận xác định dương.
Chứng minh:
Chọn hàm xác định dương:
1
V δe Tδe 2 2 0
2
V m 2 m 2 δe T Zδe 0
(3.33)
(3.34)
(3.36)
Từ (3.36) ta thấy V 0 và V 0 với mọi δe 0 và V 0 khi δe 0 , suy ra δe , δ e
luôn hữu hạn.
Từ (2.35), ta có:
δe T Zδe 2 m 2 m 2 δe T Zδ e
V 2 m Tm
(3.37)
là các véc tơ hàm dạng hình sin theo thời gian nên chúng ln hữu
Trong đó m, m
hạn. Do vậy, V luôn hữu hạn V liên tục đều theo thời gian.
Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì V 0 δe 0 , δ e 0 . Từ (3.30) ta có:
m Lmis m 0
(3.39)
m m Lmis 0
Bởi vì m, i s là độc lập tuyến tính nên 0, 0 . Ta đã ước lượng được
ˆ ,ˆ .
1
ˆ ˆ
ˆ r
Ta có: ψ
(3.40)
ˆ Lm i s m
ˆ ˆ
Như vậy, tín hiệu điều khiển (3.31) và luật cập nhật (3.32), (3.33) cho ta giá trị tốc độ
góc rotor và giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor mà không cần sử dụng các
cảm biến để đo cho việc điều khiển tốc độ động cơ.
20
3.3 Mơ hình ứng dụng thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha có
nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) không sử dụng cảm biến tốc độ
r ref
1
Lm
*
isd
Bộ điều
chỉnh
dòng
*
sq
i
ref
Bộ điều
chỉnh tốc
độ
-
isd
usd
usq
dq
us
us
Điều chế
véc tơ
tu
tv
tw
3~
v
u
isq
is
is
dq
ˆs
us
Bộ ước
lượng tốc độ,
từ thơng
ˆ
uvw
us
uvw
w
isu
isv
usu
usv
mL
M3~
Hình 3.5 Mơ hình điều khiển động cơ sử dụng bộ ước lượng tốc độ
3.3.1 Sử dụng bộ ước lượng tốc độ trong mục 3.2.1
1
Rad/s
0
-1
-2
-3
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 3.7 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ước lượng của rotor
Ta thấy tốc độ của rotor đã được điều khiển bám sát với tốc độ mong muốn.
- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch giữa vận tốc góc rotor mong
muốn và ước lượng là khoảng 2,5%.
- Tại thời điểm tải thay đổi đột biến, sai lệch vận tốc góc rotor chỉ khoảng 1,5%.
Thời gian quá độ để bộ ước lượng tốc độ rotor tiến đến tốc độ mong muốn khoảng 1
giây.
3.3.2 Sử dụng bộ ước lượng tốc độ trong mục 3.2.2
21
3
2
Rad/s
1
0
-1
-2
-3
-4
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 3.14 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ước lượng của rotor
Tốc độ của rotor đã được điều khiển bám sát với tốc độ mong muốn.
- Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch giữa vận tốc góc rotor mong
muốn và ước lượng là xấp xỉ 5,5%.
- Tại thời điểm tải thay đổi đột biến, sai lệch vận tốc góc rotor xấp xỉ 2,2%.
Thời gian để bộ ước lượng tốc độ rotor tiến đến tốc độ mong muốn xấp xỉ 1,2 giây.
3.4 Mơ hình ứng dụng thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có
nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (α,β) không sử dụng cảm biến tốc độ
-
r2ref
e2
+
-
ref
ˆ
Bộ điều chỉnh
tốc độ và từ
thông
e1
+
ˆ r
ˆ r2
us
Điều chế
véc tơ
us
3~
v
u
ˆ r
is
Bộ ước
lượng tốc
độ, từ thơng
tu
tv
tw
is
uvw
us
us
w
isu
isv
usu
usv
mL
M3~
Hình 3.19 Mơ hình điều khiển động cơ sử dụng bộ ước lượng tốc độ và từ thông
3.4.1 Sử dụng bộ ước lượng tốc độ trong mục 3.2.1
4
2
Rad/s
0
-2
-4
-6
-8
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 3.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ước lượng của rotor
22
-3
Wb 2
5
x 10
0
-5
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 3.24 Sai lệch giữa từ thơng mong muốn r2ref và từ thông ước lượng ˆ r của rotor
2
+ Tốc độ của rotor ước lượng bám sát với tốc độ mong muốn Hình 3.21. Tại thời điểm
động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch giữa vận tốc góc rotor mong muốn và ước lượng là
khoảng 10%. Tại thời điểm tải thay đổi lớn trong quá trình hoạt động, sai lệch vận tốc góc
rotor chỉ xấp xỉ4%.
+ Từ thông của rotor đã ước lượng bám sát với từ thơng mong muốn Hình 3.24. Tại
thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch giữa từ thông rotor mong muốn và ước
lượng khá lớn khoảng 70% nhưng chỉ trong khoảng thời gian ngắn thì từ thơng của rotor đã
ước lượng bám sát với từ thông mong muốn. Tại thời điểm tải thay đổi trong quá trình hoạt
động, từ thơng có sai lệch xấp xỉ 0,02%.
Thời gian tốc độ ước lượng bám được tốc độ mong muốn là khoảng 1 giây.
3.4.2 Sử dụng bộ ước lượng tốc độ trong mục 3.2.2
0.3
0.2
Rad/s
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 3.31 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ước lượng của rotor
-3
Wb 2
5
x 10
0
-5
0
5
10
15
20
25
Time (s)
30
35
40
45
50
Hình 3.34 Sai lệch giữa từ thông mong muốn r2ref và từ thông ước lượng ˆ r của rotor
2
23
+ Tốc độ của rotor ước lượng bám sát với tốc độ mong muốn Hình 3.31. Tại thời điểm
động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch giữa vận tốc góc rotor mong muốn và ước lượng xấp
xỉ 0,6%. Tại thời điểm tải thay đổi lớn trong quá trình hoạt động, sai lệch vận tốc góc rotor
chỉ xấp xỉ 0,03%.
+ Từ thông của rotor đã ước lượng bám sát với từ thơng mong muốn Hình 3.34. Tại
thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch giữa từ thơng rotor mong muốn và ước
lượng khá lớn khoảng 70% nhưng chỉ trong khoảng thời gian ngắn thì từ thơng của rotor đã
ước lượng bám sát với từ thông mong muốn. Tại thời điểm tải thay đổi trong quá trình hoạt
động, từ thơng có sai lệch xấp xỉ 0,001%.
Thời gian tốc độ ước lượng bám được tốc độ mong muốn xấp xỉ 3 giây.
3.5 Kết luận chƣơng
Trong chương này, tác giả đã xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ rotor mục 3.2.1,
thuật tốn ước lượng tốc độ và từ thơng rotor mục 3.2.2. Hai thuật toán ước lượng kết hợp
với hai thuật toán điều khiển đã giới thiệu ở chương 2 để xây dựng thành 04 mơ hình điều
khiển tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ. Tác giả tiến hành mô phỏng trên
Matlab để kiểm nghiệm mơ hình điều khiển.
Trong 04 mơ hình điều khiển tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ thì mơ
hình sử dụng thuật tốn điều khiển mục 2.3 với thuật tốn ước lượng tốc độ và từ thơng ở
mục3.2.2 cho kết quả tốt nhất.
Qua phần khảo sát tác động thơng số mạng nơ ron, bộ tự thích nghi trong bộ ước
lượng, ta thấy giá trị của chúng tác động trực tiếp đến khả năng hội tụ và thời gian xử lý của
hệ thống. Ta phải cân nhắc giữa thời gian xử lý dữ liệu và sai lệch tốc độ trong điều khiển
để chọn các thông số tự chọn hiệu quả nhất.
Tác giả đã cơng bố các cơng trình liên quan đến chương này là bài báo [3] và [5] trong
danh mục các cơng trình đã cơng bố.
4. KẾT LUẬN
4.1. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án
- Phân tích các phương pháp điều khiển động cơ hiện đại. Các vấn đề trong xây dựng
bộ điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng.
- Xây dựng 02 thuật toán điều khiển: Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều
với nhiều tham số bất định và tải thay đổi trên hệ trục tọa độ (d,q) và trên hệ trục tọa độ
(α,β). Hai thuật toán điều khiển này đã được chứng minh tính ổn định tiệm cận bằng lý
thuyết ổn định Lyapunov vàbổ đề Barbalat. Đồng thời luận án cũng đã đưa ra các kết quả
mô phỏng Matlab để kiểm chứng các thuật toán điều khiển tốc độ và từ thơng đề xuất.
- Xây dựng 02 thuật tốn ước lượng thơng số động cơ: thuật tốn ước lượng tốc độ sử
dụng mạng nơ ron và bộ tự thích nghi; thuật tốn ước lượng tốc độ và từ thơng động cơ chỉ
sử dụng bộ tự thích nghi. Trong luận án, tác giả đã chứng minh tính ổn định tiệm cận của
các thuật tốn ước lượng tốc độ và từ thơng động cơ bằng lý thuyết ổn định Lyapunov và bổ
đề Barbalat.
- Thực hiện kết hợp thuật toán điều khiển tốc độ và từ thơng với thuật tốn ước lượng
tốc độ và từ thơng trên mơ hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến. Khảo sát tác
động của các tham số tự chọn của mạng nơ ron và các tham số tự chọn khác trong thuật toán
đề xuất. Các kết quả mô phỏng Matlab đã kiểm chứng hiệu quả của thuật tốn điều khiển
tốc độ và từ thơng xây dựng trong chương 2 và thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông
trong chương 3.
