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 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 Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi .' ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Động xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng tính ưu việt cấu trúc nhỏ gọn, cơng suất lớn hiệu kinh kế, thuận tiện việc thiết kế, điều khiển bảo dưỡng Động xoay chiều ứng dụng máy bơm, máy nén, ngành cơng nghiệp dầu mỏ khí đốt, quạt công nghiệp hay dân dụng, thang máy, máy nâng hạ, máy kéo, cần cẩu ngành xây dựng, robot hay tàu biển Do vậy, ba thập kỷ gần động xoay chiều thay động chiều loại bỏ nhược điểm động chiều chi phí bảo dưỡng cao hệ thống cổ góp - chổi than, mơ men qn tính cao, khơng an tồn môi trường rung chấn, dễ cháy nổ Các động xoay chiều sử dụng rộng rãi tính vượt trội Tuy nhiên, để khai thác triệt để loại động có nhiều vấn đề đặt cần giải Mặc dù ngồi nước xuất nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu vận hành hạ giá thành sản phẩm, kết đạt bộc lộ nhiều hạn chế Chẳng hạn phương pháp sử dụng lọc Kalman, lọc phi tuyến hay quan sát theo chế độ trượt để ước lượng tốc độ góc từ thơng động hiệu điều khiển phụ thuộc vào thuật toán điều khiển, ước lượng đại lượng cần thiết độ xác mơ hình động gây nên khó khăn đáng kể Mơ hình tốn động thường khó đạt độ xác mong muốn hệ thống chứa nhiều tham số không xác định trước hệ số ma sát, mơ men qn tính điện trở…, chúng thường thay đổi q trình vận hành Ngồi ra, việc ước lượng đại lượng cần thiết tốc độ góc hay từ thông động dùng làm thông tin cho điều khiển thay cho cảm biến địi hỏi đạt độ xác mong muốn vấn đề khó cần tiếp tục nghiên cứu Trong năm gần đây, phát triển mạng nơ ron nhân tạo góp phần lớn vào việc giải toán điều khiển, đặc biệt đối tượng điều khiển có đặc trưng phi tuyến tham số bất định Mạng nơ ron nhân tạo cho phép xử lý yếu tố phi tuyến tùy ý hệ điều khiển với trọng số tự chỉnh vận hành Luận án sâu nghiên cứu phát triển phát triển số thuật tốn ước lượng thơng số điều khiển động có nhiều tham số bất định Mục tiêu nghiên cứu luận án Đề xuất số thuật toán điều khiển tốc độ từ thông động xoay chiều Đề xuất số thuật tốn ước lượng tốc độ từ thơng rotor để cung cấp cho điều khiển tốc độ động xoay chiều không sử dụng cảm biến tốc độ Các nội dung nghiên cứu luận án Đề xuất 02 thuật toán điều khiển, 02 thuật toán ước lượng thơng số động cơ: a) Thuật tốn điều khiển tốc độ động cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định tải thay đổi hệ trục tọa độ (d,q) sử dụng mạng nơ ron nhân tạo b) Thuật toán điều khiển tốc độ từ thông động cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định tải thay đổi sử dụng phương pháp điều khiển không tác kênh hệ trục tọa độ (α,β) c) Thuật toán ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron tự thích nghi d) Thuật toán ước lượng tốc độ từ thơng động sử dụng tự thích nghi Luận án chứng minh tính ổn định tiệm cận thuật toán điều khiển ước lượng tốc độ từ thông động đề xuất nêu sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat tiến hành mô kiểm chứng phương pháp đề xuất công cụ mô Matlab Bố cục luận án: Chương 1, luận án trình bày tổng quan số vấn đề điều khiển động Chương 2, luận án phát triển số thuật tốn điều khiển động khơng đồng Chương 3, luận án phát triển sốthuật toánước lượng tốc độ từ thông động không đồng Kết luận luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Việc điều khiển động xoay chiều có số trở ngại hai thành phần dịng rotor từ thông lúc đo trực tiếp hay tồn số tham số bất định mơ hình hệ thống điện trở rotor, hệ số ma sát, mơ men qn tính hay tải thay đổi trình hoạt động Vấn đề đặt là: - Xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ rotor từ thông rotor động cách xác, tiết kiệm chi phí - Phát triển thuật toán điều khiển với động xoay chiều tồn tham số bất định - Thiết kế điều khiển tốc độ động thông minh công nghệ chế tạo vi mạch điều khiển 1.2 Tổng quan phƣơng pháp điều khiển động xoay chiều Các phương pháp điều khiển động xoay chiều phân loại sau: Điều khiển động xoay chiều Điều khiển véc tơ Điều khiển vơ hƣớng U/f = const is=f(ωr) Dịng stator Điều khiển tựa từ thông 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 thông tự nhiên NFO Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cảm ứng theo tần số Điều khiển chuyển động sử dụng ứng dụng cơng nghiệp ngày địi hỏi độ xác cao Các động chủ yếu sử dụng mơ hình điều khiển phương pháp điện áp/tần số (V/F), điều khiển trực tiếp mô men điều khiển tựa từ thông Trong khuôn khổ luận án này, phương pháp điều khiển tựa từ thông lựa chọn nghiên cứu áp dụng cho động xoay chiều pha với yêu cầu điều khiển tốc độ mô men hiệu suất cao Các nghiên cứu trước tập trung nhận dạng điện trở rotor kể đến yếu tố bất định khác hệ số ma sát, mô men quán tính hay tải thay đổi Do vậy, khuân khổ luận án tập trung nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển ước lượng tốc độ động cho động xoay chiều có tham số bất định nêu 1.3 Các vấn đề nghiên cứu luận án - Phát triển số thuật tốn ước lượng tốc độ rotor từ thơng rotor động xoay chiều - Phát triển số thuật toán điều khiển với động xoay chiều tồn tham số bất định - Sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat chứng minh tính ổn định tiệm cận hệ thống sử dụng Matlab mơ để kiểm chứng tính đắn thuật toán điều khiển, ước lượng CHƢƠNG PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THƠNG CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CĨ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH Tác giả xây dựng hai thuật toán điều khiển tốc độ từ thơng rotor: - Thuật tốn điều khiển tốc độ động xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với thuật học online để bù đại lượng bất định hệ trục tọa độ quay (d,q) - Thuật toán điều khiển tốc độ từ thông động xoay chiều không tách kênh sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để bù lại đại lượng bất định hệ trục tọa độ cố định (α,β) 2.1 Mơ hình động xoay chiều Mơ hình tốn học động xoay chiều viết hệ trục tọa độ cố định (,):  dis  R R  R    s   Lm r  is   r  r   r   u  Lr  Lr  Ls s   Ls  dt  di    s    Rs   Lm Rr  is   r   Rr  r   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) Lr dt Mơ hình tốn học động xoay chiều viết hệ trục tọa độ quay (d,q):  disd  R R  R    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  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) Lr dt Trong mơ hình tốn học động xoay chiều hệ trục tọa độ quay (d,q) từ thông  rq theo hướng trục q bị triệt tiêu, từ (2.15) ta có:  disd  R R  R    s   Lm r  isd  s isq   r  rd  usd  dt  L L L  L s r r s     di  R R   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) Lr dt 2.2 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ động không đồng ba pha có nhiều tham số bất định hệ trục tọa độ (d,q) Lm  r ref * isd * sq i ref   Bộ điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh dòng 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 2.2.1 Xây dựng mơ hình điều khiển Từ phương trình (2.16) ta viết rút gọn sau: M3~ mL d  B  mL (2.22) dt u (t )  ( rd isq  rqisd ) gọi điện áp điều khiển  rq bị triệt tiêu ta có * * u (t )  ( rd isq  rq isd )   rd isq Từ phương trình (2.22), ta chuyển thành dạng: u(t )  J k  Bk  mk (2.23)  J B  m đó: J k   J k  J k ; Bk   Bk  Bk ; mk  L ; K K   K  J ,  B phần biết; phần J k , Bk k k Đặt f  mk  J k  Bk (2.24)   (2.26) u (t )  J k  Bk  f Như vậy, toán điều khiển động trở xác định tín hiệu điều khiển u(t ) cho tốc độ động  bám theo tốc độ ref mong muốn rõ tham số J k , Bk mô men tải mk thay đổi trước 2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động Chọn: u(t )  u0  u1 (2.27) u0 tín hiệu phản hồi dạng PD u1 tín hiệu bù đại lượng bất định f 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, tốn điều khiển trở thành tìm u ' cho hệ (2.31) ổn định tiệm cận f ' Một mạng nơ ron có đầu fˆ để xấp xỉ hàm f ' Định lý [1][2]: Tốc độ ω động cảm ứng (2.16), (2.22) bám theo giá trị mong muốn ωref khơng biết xác hệ số ma sát B, mơ men qn tính J mơ men tải mL thuật điều khiển động u(t) thuật học w mạng nơ ron xác định sau:    (2.34) u (t )  J k ( ref  K D (  ref ))  Bk  J ku '   u '  (1  n) fˆ      w  n tham số tự chọn K D , n,  Chứng minh: Chọn hàm V xác định dương sau: V    w2    V   K D   (   )   K D        (2.35) (2.36) (2.37) (2.38) V   K D     (2.40) Từ (2.40) ta thấy V  V  với   V    , suy  ,  hữu hạn Do V  xác định bán âm nên không bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận Hệ thống hệ không tự trị trọng số 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  ,  hữu hạn, V hữu hạn => V liên tục theo thời gian Theo bổ đề Barbalat V liên tục V    ,   Từ (2.31), ta có f  u1   ref hay nói cách khác tốc độ động bám theo tốc độ mong muốn với sai lệch Bộ điều chỉnh tốc độ động thể 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 )  rd* Hình 2.3 Bộ điều chỉnh tốc độ rotor động 2.2.3 Xây dựng điều chỉnh dòng Từ (2.17) ta viết dạng véc tơ sau:  di sdq  dt  Ai sdq  Bu sdq  h rd   d rd   Rr  rd  Rr Lmisd  dt Lr Lr Trong đó:   Rs      Lm  s     L      Ls  s   A ; h ; B     R       s   s   Lm        Ls   Từ mơ hình điều khiển ta xác định điện áp đặt lên stator: u sdq  B 1  Ai sdq  i*sdq  Gξ  h rd  isq*  (2.42)      Ls  (2.43) chọn G ma trận đường chéo xác định dương đặt ξ  isdq  i sdq véc tơ sai lệch dòng mong muốn dòng điều chỉnh ξ  i*sdq  i sdq  i*sdq  ( Ai sdq  Bu sdq  h rd ) (2.44) Thay (2.43) vào (2.42) từ (2.44) ta có: ξ  Gξ => ξ  Gξ  (2.45) Như véc tơ sai lệch ξ  tức i sdq  i sdq Xây dựng mơ hình 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 điều chỉnh dịng 2.2.4 Kết mơ kiểm chứng Mơ hình hệ thống điều khiển động có nhiều tham số bất định sử dụng phản hồi tốc độ Hình 2.2 Ta sử dụng động cảm ứng cực lồng sóc 1.5 kW LEROY SOMER với vận tốc góc mong muốn Hình 2.5 vận tốc góc ổn định ref  100 Rad/s (956 prm), từ thông mong muốn  r ref =1.5 (Wb) Động gắn với hệ thống máy khoan * Bảng thông số động 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 vận tốc góc rotor mong muốn động 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 thời điểm 100 Rad/s 80 60 Omega.ref 40 20 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref Ta mơ hệ điều khiển tốc độ động với tham số bất định giả thiết:   B  B  B; B  0.05B J  J  J ; J  0.20 J sin(100t ) Tải tổng hợp tải mL tác động lên động thay đổi có dạng Hình 2.6c: mL  mL1  mL  mL (Nm) với: mL1 có thành phần tải cố định hệ thống (Nm), mL2 thành phần tải trước khoan lỗ vào vật liệu Hình 2.6a mL thành phần tải khơng biết trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu Hình 2.6b Nm 0 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 2.6a mL2 thành phần tải khơng biết trước khoan lỗ vào vật liệu Nm 0.5 -0.5 -1 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 2.6b ΔmL thành phần tải trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu Nm 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 2.6cmL thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống Rad/s -1 -2 -3 -4 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 2.8 Sai lệch vận tốc góc mong muốn vận tốc góc thực rotor sử dụng mạng nơ ron 11 với C ma trận đường chéo xác định dương; e  x - xref sai lệch giá trị thực  x1 ref   ref  x     x       giá trị mong muốn x ref      x2   r   x2 ref  ˆ r ref  Như vậy, s  kéo theo sai lệch e  s1  w11  f1   w1ii i 1 w12 w21 s2  w22  f   w2ii 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  W   ma trận trọng số, θ    véc tơ hàm đầu nơ ron i   w21 w22    τ sai số xấp xỉ bị chặn: η   Như vậy, để sai lệch s  , sai lệch e  (x - xref )  ta phải chọn v luật tự chỉnh trọng số W mạng nơ ron cho hệ (2.56) ổn định tiệm cận Định lý [4][6]: Tốc độ từ thông động xoay chiều (2.14) bám theo giá trị tốc độ từ thông động mong muốn   ref ,  r2   r2   r2   r2ref không   biết rõ tham số J , B, Rr tải thay đổi mW tín hiệu điều chỉnh v trọng số mạng W xác định sau: ˆ  + Nx ˆ +  (2.59) v =  Hs  Mx x ref - Ce + v s (2.60) v1     1 Wθ   s  i  si w (2.61) H ma trận đường chéo xác định dương tùy chọn, wi cột i ma trận trọng W   ,      với   Chứng minh: Sử dụng phương pháp ổn định Lyapunov, ta chọn hàm xác định dương: 1 V  sTs   w iT w i (2.62) 2 i (2.65) V  sT Hs  s T  v1 -    1 Wθ - η  V  s T Hs   s  (2.66) Từ (2.66) ta thấy V  V  với s  V  s  , suy s, s hữu hạn Từ (2.58) suy η, η hữu hạn Do V  xác định bán âm nên không bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận Hệ thống hệ không tự trị trọng số 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 s, s ln hữu hạn η, η hữu hạn, V hữu hạn, suy V liên tục theo thời gian Theo bổ đề Barbalat V liên tục V   s, s  Từ (2.57), sai lệch e  Do x  xref hay nói cách khác tốc độ từ thông động bám theo tốc độ từ thông mong muốn với sai lệch Bộ điều khiển tốc độ từ thông rotor động Hình 2.14   v = Hs  Mx + Nx +  x ref - Ce + v e - xref e + Ce s v1     1 Wθ   s s v   D v-Q   us w i  si x Hình 2.14 Bộ điều khiển tốc độ từ thông rotor động 2.3.3 Kết mô kiểm chứng Trong phần mô này, ta dùng giả thiết động xoay chiều ba pha, tốc độ mục 2.2.4 từ thông mong muốn  r ref =2.25 (Wb2) Điện trở rotor Rr  Rˆ r  Rr , ΔRr thay đổi theo nhiệt độ cuộn dây rotor động Giả sử ΔRr thay đổi Hình 2.15 Ohm 0.8 0.6 0.4 0.2 0 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 -0.05 -0.1 -0.15 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 Hình 2.17 Sai lệch vận tốc góc mong muốn vận tốc góc thực rotor 13 0.02 Rad/s -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 Hình 2.18 Thời gian độ vận tốc góc với tải mL -3 Wb x 10 -5 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 2.19 Sai lệch từ thơng mong muốn  r2 ref từ thông thực tế  r2 0.5 Wb -0.5 -1 -1.5 -2 0.05 0.1 0.15 Time (s) 0.2 0.25 0.3 Hình 2.20 Thời gian độ từ thông thực tế  r2 từ thông mong muốn  r2 ref với tải mL Vận tốc góc rotor từ thơng rotor điều khiển bám sát với vận tốc góc rotor từ thông rotor mong muốn - Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động, vận tốc góc, từ thơng rotor có q trình q độ định sai lệch xấp xỉ 0,08% với vận tốc góc rotor 70% với từ thông rotor Chúng điều chỉnh vận tốc góc, từ thơng rotor mong muốn khoảng thời gian ngắn - Tại thời điểm tải thay đổi đột biến, vận tốc góc, từ thơng rotor có q trình q độ định sai lệch xấp xỉ 0,2% với vận tốc góc rotor 0.001% với từ thông rotor Chúng điều chỉnh vận tốc góc, từ thơng rotor mong muốn 14 Thời gian độ tốc độ rotor từ thông rotor nhỏ gần tức thời 2.4 Kết luận chƣơng Trong chương này, tác giả xây dựng hai thuật tốn điều khiển tốc độ, từ thơng động có nhiều tham số bất định (hệ số ma sát B, mơ men qn tính J, điện trở rotor Rr, tải thay đổi lớn) mơ hình tham chiếu hệ trục tọa độ quay (d,q) hệ trục tọa độ cố định (α,β) Thuật toán điều khiển tốc độ động xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với thuật học online để bù đại lượng bất định hệ trục tọa độ quay (d,q) Độ ổn định tiệm cận toàn cục hệ thống điều khiển sử dụng mạng nơ ron chứng minh chặt chẽ lý thuyết ổn định Lyapunov bổ đề Barbalat Các kết mô mục 2.2.4 minh chứng hiệu thuật toán điều khiển đề xuất Thuật toán điều khiển tốc độ từ thông động xoay chiều không tách kênh tự thích nghi sử dụng mạng nơ ron với thuật học online xấp xỉ đại lượng bất định hệ trục tọa độ cố định (α,β) Độ ổn định tiệm cận toàn cục hệ thống điều khiển sử dụng mạng nơ ron chứng minh chặt chẽ phương pháp ổn định Lyapunov bổ đề Barbalat Các kết mô mục 2.3.3 minh chứng hiệu thuật toán điều khiển đề xuất Dựa vào kết mô kiểm chứng mục 2.2.4 mục 2.3.3 ta thấy thuật toán điều khiển tốc độ từ thơng mục 2.3.2 có kết tốt với thuật toán điều khiển tốc độ mục 2.2.2 điều chỉnh dòng mục 2.2.3 Cụ thể: - Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động, sai số thuật toán điều khiển tốc độ mục 2.3.2 có sai lệch khoảng 0,08% thuật tốn điều khiển tốc độ mục 2.2.2 điều chỉnh dòng mục 2.2.3 có sai lệch khoảng 3,5% - Tại thời điểm động hoạt động với tải thay đổi lớn, sai lệch thuật toán điều khiển tốc độ trục tọa độ cố định (α,β) mục 2.3.2 0,2% thuật toán điều khiển tốc độ trục tọa độ quay (d,q) mục 2.2.2 điều chỉnh dòng mục 2.2.3 khoảng 1,5% Tác giả cơng bố cơng trình liên quan đến chương báo[1][2][4] [6] danh mục cơng trình cơng bố CHƢƠNG PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ VÀ TỪ THƠNG CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀUCÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH 3.1 Bài tốn ƣớc lƣợng tốc độ từ thơng rotor động cảm ứng Trong chương này, tác giả nghiên cứu phương pháp ước lượng thông số động phát triển hai thuật toán ước lượng tốc độ từ thơng động mơ hình tham chiếu: - Thuật toán ước lượng tốc độ động khơng đồng ba pha có nhiều tham số bất định sở mạng nơ ron tự thích nghi - Thuật tốn tự thích nghi ước lượng tốc độ từ thông động không đồng ba pha có nhiều tham số bất định Đồng thời chương này, tác giả khảo sát kết hợp hai thuật toán điều khiển xây dựng chương với hai thuật toán ước lượng tốc độ từ thơng đề xuất mơ hình điều khiển động không sử dụng cảm biến tốc độ 3.2 Phát triển thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ từ thông động không đồng ba pha có nhiều tham số bất định 3.2.1 Xây dựng ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron tự thích nghi 15 Bộ ước lượng tốc độ động Hình 3.3 có tín hiệu đầu vào đo véc tơ dòng i s điện áp u s ba pha stator đầu cho thông số động tốc độ ước lượng động ˆ , số thời gian rotor ˆ thơng số góc từ thơng rotor ˆ r Thuật toán ước lượng dẫn dắt sau Trong hệ tọa độ  ,   , phương trình từ thơng rotor phương trình dịng điện stator sau:    di s  R  (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 ˆ Thuật toán ước lượng (Định lý 4) Xác định góc từ thơng rotor ˆ ˆ ˆs Hình 3.3 Sơ đồ ước lượng tốc độ, giá trị nghịch đảo số thời gian rotor từ thông rotor Các bước ước lượng tốc độ từ thơng thực Hình 3.3, gồm 04 bước cụ thể sau: Bƣớc 1: Tách thành phần chứa giá trị   từ dòng điện điện áp stator đo Xây dựng mạng nơ ron xấp xỉ đại lượng l (có chứa thông số cần xác định ω, η) phương trình (3.5) Định lý Bƣớc 2: Dựa vào giá trị t (từ định lý 3) ta tính dịng xấp xỉ ˆi s , véc tơ sai lệch dòng điện stator ς  (ˆi s - i s )  ta có t=-l Bƣớc 3: Xây dựng thuật tự chỉnh ˆ ,ˆ Định lý Bƣớc 4: Dựa vào giá trị véc tơ l xác định bước 2, giá trị dòng điện stator đo ˆ ,ˆ (từ Định lý 4) ta tính véc tơ ˆl phương trình (3.15) Khi sai lệch ε e  (ˆl - l )  có nghĩa ˆ ,ˆ ước lượng xác 3.2.1.1 Tách thành phần chứa giá trị   Dịng xấp xỉ tính sau:  R  dˆi s    s  ˆi s  ut (3.3) dt  Ls   Ls  Định nghĩa ς  ˆi s - i s véc tơ sai lệch dòng dòng xấp xỉ ˆi s dòng stator đo i s Ta có: 16 R dς   s ς  l   t dt  Ls (3.4)      l     (3.5) ψ r   Lm i s          Ta chọn mạng RBF đầu vào đầu ra, lớp để xấp xỉ đại lượng l Ở đây, ta chọn lớp đầu vào mạng nơ ron sai lệch tốc độ ς(t ) ; lớp có nơ ron tuyến tính; lớp ẩn nơ ron có hàm phân bố Gauss Mạng nơ ron có dạng: l = Wζ  χ (3.6) w w    W   11 12  ma trận trọng số, ζ    véc tơ hàm đầu nơ ron i  w21 w22     sai số xấp xỉ bị chặn: |||| ≤ 0 Như để sai lệch dòng ς  (ˆi s - i s )  ta phải chọn t luật tự chỉnh trọng số W mạng nơ ron cho hệ (3.4) ổn định tiệm cận Định lý [3]: Bộ quan sát dòng (3.4) ổn định tiệm cận sai lệch dòng triệt tiêu lim ς(t )  tín hiệu điều chỉnh t trọng số mạng W tính sau: t  t     1 Wζ   ς ς  i   iς w wi cột i ma trận trọng số W   0;   0 Chứng minh: Chọn hàm xác định dương: 1  V   ςT ς   w Ti w i  2 i 1  R V   s ς  ςT   1 Wζ  χ  t   Ls R V   S ς  (   ) ς   Ls (3.7) (3.8) (3.9) (3.11) (3.12) Từ (3.12) ta thấy V  V  với ς  V  ς  , suy ς ,ς hữu hạn Từ (3.6) ta χ , χ hữu hạn Do V  xác định bán âm nên không bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận Hệ thống hệ không tự trị trọng số 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 ς ,ς ln hữu hạn χ , χ hữu hạn, V hữu hạn, suy V liên tục theo thời gian Theo bổ đề Barbalat V liên tục V   ς,ς  Hay nói cách khác dịng điện ước lượng tiến đến dòng điện thực ˆi s  i s 17 3.2.1.2 Xây dựng ước lượng tốc độ  giá trị nghịch đảo số thời gian rotor  động Lấy đạo hàm hai vế (3.5) với giả thiết từ thực tế vận tốc góc rotor  giá trị nghịch đảo số thời gian rotor  thay đổi chậm so với tốc độ biến thiên dòng điện từ thơng động nên ta có: l       l   L i (3.14) m s       Ta xây dựng ước lượng:  ˆ ˆ  ˆ  (3.15) l    l   Lmˆi s  ε e ˆ ˆ      ˆ ,ˆ giá trị ước lượng , ;  số dương, ε e  ˆl - l sai số giá trị ước lượng ˆl l     (3.16) ε e    l   Lmi s  ε e        Định lý [3]: Bộ ước lượng tốc độ số thời gian rotor động (3.16) ổn định tiệm cận véc tơ sai lệch lim ε e (t )  luật cập nhật tốc độ ước lượng ˆ giá t  trị nghịch đảo số thời gian rotorước lượng ˆ tính sau:  (3.17) ˆ  ε e T l ˆ  ε e T (l   Lmi s )  T l  l - l  Chứng minh: Chọn hàm xác định dương: V   ε e Tε e       2 V   ε e  (3.18) (3.19) (3.22) Từ (3.22) ta thấy V  V  với εe  V  εe  , suy εe ,ε e ln hữu hạn Ta lại có: V  2εTe ε e (3.22b) Trong ε ,ε ln hữu hạn, V hữu hạn, suy V liên tục theo thời e gian e Theo bổ đề Barbalat: V   εe ,ε e  Từ (3.17), (3.18) ta có ˆ  , ˆ  tức     Từ (3.16) ta có:      i   (l   L i )   l   (3.23)  l   L  m s m s       T T l   Lmi s  l -  Lmis l   Lmis  ; l  l -l  Hai véc tơ độc lập tuyến tính với nên phương trình (3.23)   0;   , hay ˆ   ˆ   18 Ta tính từ thông 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) (3.18) cho ta giá trị tốc độ góc rotor  giá trị nghịch đảo số thời gian rotor  mà không cần sử dụng cảm biến để đo cho việc điều khiển tốc độ động 3.2.2 Xây dựng tự thích nghi ước lượng tốc độ từ thơng Hình 3.4 sơ đồ ước lượng tốc độ, giá trị nghịch đảo số thời gian rotor từ thông rotor động theo phương pháp tự thích nghi is us m Tính giá trị 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 thông c ˆr ψ ˆ ˆ Hình 3.4 Sơ đồ ước lượng tốc độ, giá trị nghịch đảo số thời gian rotor từ thông rotor Các bước ước lượng tốc độ từ thơng thực Hình 3.4, gồm 03 bước cụ thể sau: Bƣớc 1: Xác định giá trị véc tơ m dựa giá trị đo dòng điện điện áp stator Bƣớc 2: Xây dựng thuật tự chỉnh ˆ ,ˆ c ,c Định lý Bƣớc 3: Dựa giá trị véc tơ m xác định bước 1, giá trị dòng điện stator đo ˆ Khi sai lệch δe  (m ˆ  m)  được, ˆ ,ˆ c ,c (từ Định lý 5) ta xác định véc tơ m Suy ˆ ,ˆ ước lượng xác Thuật tốn ước lượng chi tiết hóa sau: Từ phương trình dịng điện stator từ thơng rotor, ta đặt: dψ r (3.26) m dt Từ (3.1), (3.2) (3.26) ta có: di R R (3.27)  m   s  s i s  s us dt  Ls  Ls Vận tốc góc rotor  giá trị nghịch đảo số thời gian rotor  thay đổi chậm so với tốc độ biến thiên dịng điện từ thơng động cơ:        (3.28) m  m  Lm i s      Ta xây dựng ước lượng: 19 ˆ    (ˆ  c ) (ˆ  c )  m  L ˆi (3.29) m m s  (ˆ   ) (ˆ   )  c c   ˆ ,ˆ giá trị ước lượng , ; c ,c tín hiệu điều khiển, ˆ giá trị thực m ˆ  m sai số giá trị ước lượng m δe  m Lấy (3.29) trừ (3.28) ta có phương trình sai số:  c c       (3.30) δ e    m      m  Lmi s         c  c Định lý [5]: Bộ ước lượng tốc độ giá trị nghịch đảo số thời gian rotor động (3.30) ổn định tiệm cận véc tơ sai lệch lim δe (t )  luật cập nhật tốc độ t  ước lượng ˆ , giá trị nghịch đảo số thời gian rotor ước lượng ˆ tín hiệu điều khiển c ,c tính sau: c   m     m  c    ˆ  δ e Tm m  Zδ  m  e (3.31) (3.32) ˆ  δe T (m  Lmi s ) T  m   m - m  , Z ma trận xác định dương Chứng minh: Chọn hàm xác định dương: V   δe Tδe        V   m  m δe T Zδe    (3.33) (3.34) (3.36) Từ (3.36) ta thấy V  V  với δe  V  δe  , suy δe , δ e hữu hạn Từ (2.35), ta có:  δe T Zδe  m  m δe T Zδ e V  2 m Tm (3.37)      véc tơ hàm dạng hình sin theo thời gian nên chúng ln hữu Trong m, m hạn Do vậy, V hữu hạn  V liên tục theo thời gian Theo bổ đề Barbalat V liên tục V   δe  , δ e  Từ (3.30) ta có:    m  Lmis    m  0     (3.39)   m    m  Lmis   0  Bởi m, i s độc lập tuyến tính nên   0,  Ta ước lượng 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) luật cập nhật (3.32), (3.33) cho ta giá trị tốc độ góc rotor  giá trị nghịch đảo số thời gian rotor  mà không cần sử dụng cảm biến để đo cho việc điều khiển tốc độ động 20 3.3 Mơ hình ứng dụng thuật toán điều khiển tốc độ động khơng đồng ba pha có nhiều tham số bất định hệ trục tọa độ (d,q) không sử dụng cảm biến tốc độ  r ref 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 thông ˆ uvw us uvw  w isu isv usu usv mL M3~ Hình 3.5 Mơ hình điều khiển động sử dụng ước lượng tốc độ 3.3.1 Sử dụng ước lượng tốc độ mục 3.2.1 Rad/s -1 -2 -3 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 3.7 Sai lệch vận tốc góc mong muốn vận tốc góc ước lượng rotor Ta thấy tốc độ rotor điều khiển bám sát với tốc độ mong muốn - Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động sai lệch vận tốc góc rotor mong muốn ước lượng khoảng 2,5% - Tại thời điểm tải thay đổi đột biến, sai lệch vận tốc góc rotor khoảng 1,5% Thời gian độ để ước lượng tốc độ rotor tiến đến tốc độ mong muốn khoảng giây 3.3.2 Sử dụng ước lượng tốc độ mục 3.2.2 21 Rad/s -1 -2 -3 -4 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 3.14 Sai lệch vận tốc góc mong muốn vận tốc góc ước lượng rotor Tốc độ rotor điều khiển bám sát với tốc độ mong muốn - Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động sai lệch vận tốc góc rotor mong muốn ước lượng 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 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 khơng đồng ba pha có nhiều tham số bất định hệ trục tọa độ (α,β) không sử dụng cảm biến tốc độ -  r2ref e2 + - ref ˆ Bộ điều chỉnh tốc độ 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 thông tu tv tw is uvw us  us w isu isv usu usv mL M3~ Hình 3.19 Mơ hình điều khiển động sử dụng ước lượng tốc độ từ thông 3.4.1 Sử dụng ước lượng tốc độ mục 3.2.1 Rad/s -2 -4 -6 -8 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 3.21 Sai lệch vận tốc góc mong muốn vận tốc góc ước lượng rotor 22 -3 Wb x 10 -5 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 3.24 Sai lệch từ thông mong muốn  r2ref từ thông ước lượng ˆ r rotor + Tốc độ rotor ước lượng bám sát với tốc độ mong muốn Hình 3.21 Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động sai lệch vận tốc góc rotor mong muốn ước lượng khoảng 10% Tại thời điểm tải thay đổi lớn trình hoạt động, sai lệch vận tốc góc rotor xấp xỉ4% + Từ thông rotor ước lượng bám sát với từ thơng mong muốn Hình 3.24 Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động sai lệch từ thông rotor mong muốn ước lượng lớn khoảng 70% khoảng thời gian ngắn từ thơng rotor ước lượng bám sát với từ thông mong muốn Tại thời điểm tải thay đổi q trình hoạt động, từ thơng có sai lệch xấp xỉ 0,02% Thời gian tốc độ ước lượng bám tốc độ mong muốn khoảng giây 3.4.2 Sử dụng ước lượng tốc độ mục 3.2.2 0.3 0.2 Rad/s 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 3.31 Sai lệch vận tốc góc mong muốn vận tốc góc ước lượng rotor -3 Wb x 10 -5 10 15 20 25 Time (s) 30 35 40 45 50 Hình 3.34 Sai lệch từ thơng mong muốn  r2ref từ thông ước lượng ˆ r rotor 23 + Tốc độ rotor ước lượng bám sát với tốc độ mong muốn Hình 3.31 Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động sai lệch vận tốc góc rotor mong muốn ước lượng xấp xỉ 0,6% Tại thời điểm tải thay đổi lớn trình hoạt động, sai lệch vận tốc góc rotor xấp xỉ 0,03% + Từ thông rotor ước lượng bám sát với từ thơng mong muốn Hình 3.34 Tại thời điểm động bắt đầu hoạt động sai lệch từ thơng rotor mong muốn ước lượng lớn khoảng 70% khoảng thời gian ngắn từ thơng rotor ước lượng bám sát với từ thông mong muốn Tại thời điểm tải thay đổi trình hoạt động, từ thơng có sai lệch xấp xỉ 0,001% Thời gian tốc độ ước lượng bám tốc độ mong muốn xấp xỉ giây 3.5 Kết luận chƣơng Trong chương này, tác giả xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ rotor mục 3.2.1, thuật toán ước lượng tốc độ từ thông rotor mục 3.2.2 Hai thuật toán ước lượng kết hợp với hai thuật toán điều khiển giới thiệu chương để xây dựng thành 04 mơ hình điều khiển tốc độ động không sử dụng cảm biến tốc độ Tác giả tiến hành mô Matlab để kiểm nghiệm mơ hình điều khiển Trong 04 mơ hình điều khiển tốc độ động không sử dụng cảm biến tốc độ mơ hình sử dụng thuật tốn điều khiển mục 2.3 với thuật toán ước lượng tốc độ từ thông mục3.2.2 cho kết tốt Qua phần khảo sát tác động thông số mạng nơ ron, tự thích nghi ước lượng, ta thấy giá trị chúng tác động trực tiếp đến khả hội tụ thời gian xử lý hệ thống Ta phải cân nhắc thời gian xử lý liệu sai lệch tốc độ điều khiển để chọn thông số tự chọn hiệu Tác giả cơng bố cơng trình liên quan đến chương báo [3] [5] danh mục cơng trình cơng bố KẾT LUẬN 4.1 Những nội dung nghiên cứu luận án - Phân tích phương pháp điều khiển động đại Các vấn đề xây dựng điều khiển tốc độ động cảm ứng - Xây dựng 02 thuật toán điều khiển: Thuật toán điều khiển tốc độ động xoay chiều với nhiều tham số bất định tải thay đổi hệ trục tọa độ (d,q) hệ trục tọa độ (α,β) Hai thuật tốn điều khiển chứng minh tính ổn định tiệm cận lý thuyết ổn định Lyapunov vàbổ đề Barbalat Đồng thời luận án đưa kết mô Matlab để kiểm chứng thuật tốn điều khiển tốc độ từ thơng đề xuất - Xây dựng 02 thuật toán ước lượng thơng số động cơ: thuật tốn ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron tự thích nghi; thuật tốn ước lượng tốc độ từ thơng động sử dụng tự thích nghi Trong luận án, tác giả chứng minh tính ổn định tiệm cận thuật toán ước lượng tốc độ từ thông động lý thuyết ổn định Lyapunov bổ đề Barbalat - Thực kết hợp thuật tốn điều khiển tốc độ từ thơng với thuật tốn ước lượng tốc độ từ thơng mơ hình điều khiển động khơng sử dụng cảm biến Khảo sát tác động tham số tự chọn mạng nơ ron tham số tự chọn khác thuật tốn đề xuất Các kết mơ Matlab kiểm chứng hiệu thuật toán điều khiển tốc độ từ thông xây dựng chương thuật toán ước lượng tốc độ từ thơng chương 24 4.2 Những đóng góp khoa học luận án: Luận án có 04 đóng góp khoa học điều khiển động xoay chiều: a) Thuật toán điều khiển tốc độ động xoay chiều có nhiều tham số bất định hệ tọa độ quay (d,q) (Định lý 1) b) Thuật tốn điều khiển tốc độ, từ thơng động xoay chiều có nhiều tham số bất định hệ tọa độ cố định (α,β) (Định lý 2) c) Thuật toán ước lượng tốc độ động xoay chiều sử dụng mạng nơ ron tự thích nghi (Định lý Định lý 4) d) Thuật toán ước lượng tốc độ động xoay chiều sử dụng tự thích nghi (Định lý 5) 4.3 Định hƣớng nghiên cứu phát triển - Tiếp tục nghiên cứu, phát triển thuật tốn điều khiển tốc độ rotor thơng minh đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định khả triển khai thực tế - Xây dựng hệ thống thực nghiệm hệ thống thực để kiểm chứng thuật toán điều khiển đề xuất - Nghiên cứu, thực thi điều khiển động thông minh đề xuất FPGA công nghệ chế tạo vi mạch điều khiển DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [1] Phạm Minh Tuấn, Lê Hùng Linh (2009), Điều khiển động đồng ba pha sử dụng mạng nơ ron nhân tạo, Tạp chí Tin học Điều khiển học, tập 25, số 3, trang 288-299 [2] Pham Thuong Cat, Le Hung Linh, Pham Minh Tuan (2010), Speed Control of 3-Phase Asynchronus Motor Using Artificial Neural Network, 2010 8th IEEE International Conference on Control and Automation, pp 832-836 [3] Lê Hùng Linh, Phạm Thượng Cát, Phạm Minh Tuấn (2013), Điều khiển động xoay chiều ba pha có nhiều tham số bất định sử dụng ước lượng tốc độ, Tạp chí Tin học Điều khiển học, tập 29, số 4, trang 313-324 [4] Lê Hùng Linh, Phạm Thượng Cát, Phạm Minh Tuấn (2013), Điều khiển tốc độ từ thông động xoay chiều pha có nhiều tham số bất định với mạng nơ ron nhân tạo, Kỷ yếu Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013, trang 255-261 [5] Hung Linh Le, Thuong Cat Pham and Minh Tuan Pham (2014), Speed and flux control of three-phase AC induction motor with uncertain parameters using a speed estimator, 2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp 1578-1583 [6] Hung Linh Le, Thuong Cat Pham and Minh Tuan Pham (2015), An ANN-based speed and flux controller of three-phase AC motors with uncertain parameters, Acta Polytechnica Hungarica – Journal of Applied Sciences Vol 12, No 2, pp 179-192 (Tạp chí SCI-E, IF=0.471) ... khổ luận án tập trung nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển ước lượng tốc độ động cho động xoay chiều có tham số bất định nêu 1.3 Các vấn đề nghiên cứu luận án - Phát triển số thuật toán ước... Matlab 2 Bố cục luận án: Chương 1, luận án trình bày tổng quan số vấn đề điều khiển động Chương 2, luận án phát triển số thuật toán điều khiển động không đồng Chương 3, luận án phát triển sốthuật... tục nghiên cứu Trong năm gần đây, phát triển mạng nơ ron nhân tạo góp phần lớn vào việc giải toán điều khiển, đặc biệt đối tượng điều khiển có đặc trưng phi tuyến tham số bất định Mạng nơ ron