load sharing of two dc motors with a common stiff shaft
TRANSCRIPT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC
SONG SONG, NỐI CỨNG TRỤC
Mã số: B2010-TN01-04
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Duy Cƣơng
Thái Nguyên, Tháng 06/2014
1.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC
SONG SONG, NỐI CỨNG TRỤC
Mã số: B2010-TN01-04
Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài
Nguyễn Duy Cương
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Cân bằng tải cho 02 động cơ làm việc song song, nối cứng trục
- Mã số: B2010-TN01-04
- Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Duy Cương
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái
nguyên
- Thời gian thực hiện: 2010 - 2014
2. Mục tiêu: Nội dung của báo cáo trình bày về việc phân tích, thiết kế, chế tạo hệ
thống điều khiển dựa trên cơ sở thuật toán điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
(Model Reference Adaptive Systems – MRAS) phân chia tải theo yêu cầu cho 02
động cơ điện một chiều có cùng tốc độ định mức, làm việc song song, nối cứng
trục. Với phụ tải chung đã cho, hệ điều khiển đề xuất cho phép hai động cơ có thể
đóng góp phần công suất như nhau trong trường hợp hai động cơ được chọn giống
nhau, hoặc đóng góp theo khả năng của riêng mình trong trường hợp hai động cơ
đó có công suất định mức không giống nhau trong suốt quá trình vận hành.
3. Tính mới và sáng tạo:
Tác giả đề xuất cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển
PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định,
hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ
điều khiển dòng điện động cơ 1với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển
này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu
chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ. Nói một cách khác, bộ điều
khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên
mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần
thông số của động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện
động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động
cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng
nhau – điều mà chúng ta mong đợi.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Thiết kế, tính toán bộ điều khiển PID thích nghi theo mô hình mẫu;
- Đề xuất giải pháp cũng như đưa ra cấu trúc điều khiển phù hợp;
- Đề xuất các bước xây dựng mạch điện tử tương tự thực hiện chức năng bộ điều
khiển PID thích nghi.
5. Sản phẩm:
- 03 bài báo hội thảo quốc tế
- 01 bài báo tạp chí quốc tế
- 01 luận văn cao học đã bảo vệ
- Mô hình thực nghiệm với động cơ 2.2 kW.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:
Áp dụng giải pháp đề xuất vào thực tế sản xuất cho bài toán chia tải 02 động cơ
một chiều công suất 1500 Kw, nối cứng trục.
Ngày 01 tháng 6 năm 2014
Cơ quan chủ trì
(ký, họ và tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
- Project title: Design of MRAS Based Control Systems for Load Sharing of Two
DC Motors with a Common Stiff Shaft.
- Code number: B2010-TN01-04
- Coordinator: Dr. Nguyen Duy Cuong
- Implementing institution: Thai Nguyen University of Technology
- Duration: from 2010 to 2014
2. Objective(s): In this study, the behavior of a stiff shaft in a drive system
consisting of two DC motors driving a common load is investigated. The
expectation is to get both motor armature currents to match, indicating successful
load sharing. The new idea of using Model Reference Adaptive Systems (MRAS)
approach has been applied to design a control system such that two motors are
identical in speed-torque characteristics. The design can be achieved in such a way
that the two motors can contribute the same amount to the total load in the case
that the DC motors are identical, or contribute partly to the total load and
proportionally to their nominal torques in the case that the two motors are not
identical. Both simulation and experimental results confirm the precise and robust
performance and the ease of tuning and implementation, featured by the proposed
control structure.
3. Creativeness and innovativeness:
We introduce a cascade control consists of two separate inner current loops and a
common outer velocity to control the velocity and torques of the two DC motors.
The PID current controller is firstly designed using a conventional control method
to achieve the robust stability and robust performance of the current-loop of the
master motor. Next, the adaptive PD controller for the current-loop of slave motor
is designed using Model Reference Adaptive System approach with Reference
Model defined by a transfer function of the closed current-loop of the master
motor. The differentiating action is realized by mean of state feedback. The
adaptive law is derived based on the Lyapunov's stability theory. Then, the PID
controller for the velocity-loop is designed to achieve the robust stability and
robust performance of the overall system. A Simulink model based on the
structure and parameters of the system model is constructed. The continuous
electronic circuits that do the functions of conventional and adaptive PD
controllers are designed and implemented in a practical setup. The control can be
achieved in such a way that the two motors have identical speed-torque
characteristics and speed and torque will be basically controlled in either motor.
Each motor can contribute its proportional share of power to the driven load.
4. Research results:
- Design of MRAS-based Adaptive PID Controller;
- Propose a suitable control structure;
- Design of Analog MRAS Controllers Using Operational Amplifiers.
5. Products:
- 03 international conference papers;
- 01 international journal paper;
- 01 master thesis;
- 01 real setup for load sharing of two 2.2 kW DC motors with a Common Stiff
Shaft.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
Going to apply the proposed solution into the practical device with purpose: Load
sharing of two 1500 kW DC Motors with a Common Stiff Shaft.
Chƣơng I: GIỚI THIỆU
1.1 Bài toán thực tế
Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động cơ
một chiều hay xoay chiều công suất đến hàng nghìn Kw (Hình 1). Thiết bị cán
Block là khâu cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu sử dụng công
suất vào khoảng 5000 Kw là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lò, trạm nén
khí, trạm bơm,…là các hệ thống điển hình mà ở đó thường yêu cầu sử dụng động
cơ công suất lớn.
Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặp nhiều
khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ công suất
lớn. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử dụng cũng
như việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu tố trọng
lượng và kích thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm
với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều,
bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương tự như đã đặt vấn
đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất
khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương
xứng.
Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ
Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ công
suất lớn đã được đề xuất đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng
02 hay nhiều hơn 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần
thay thế, các động cơ được chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất
định mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục (Hình 1-2). Ưu
điểm của giải pháp là rất rõ đó là: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ
cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp,
vận hành dễ dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ
nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của
thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện.
1.2 Giải pháp truyền thống
Trước hết ta phân tích giải pháp đơn giản nhất đó là thay thế 01 động cơ một
chiều bởi 02 động cơ một chiều giống nhau có tổng công suất bằng công suất động
cơ cần thay thế, các động cơ đã nêu có chung tốc độ định mức. Yêu cầu đặt ra là
trong quá trình vận hành hai động cơ trên luôn đóng góp phần công suất của mình
cho phụ tải chung là như nhau. Yêu cầu này thật là khắt khe và sẽ không bao giờ
thực hiện được nếu không có sự can thiệp của điều khiển bới lẽ trong thực tế ta
không thể tìm được hai động cơ giống nhau tuyệt đối.
Hình 1-3: Hai động cơ co các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau
Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau, các
dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc nối
tiếp các cuộn dây phần ứng (Hình 1-3). Khi này sự đóng góp của hai động cơ là
hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tưởng đơn giản tuy nhiên không thể thực hiện
trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu cầu tăng
gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi yêu cầu
tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở đây giải
pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong thực tế.
Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải
dùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
nếu không có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự đóng
góp công suất như nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu 02 bộ
biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái nguy
hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải; Trường hợp
xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả động cơ còn
lại.
Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ
Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng
điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên
trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng dòng
điện (Hình 1-5). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng
cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện một cách
phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, do
thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận hành khi thông
số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các
động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành,
cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ
thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế
đã nêu.
Hình 1-5: Giải pháp truyền thống
1.3 Giải pháp đề xuất
Giải pháp đề xuất trình bày trong nghiên cứu này được phát triển dựa theo giải
pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai
mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho
cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện
bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1với thông số cố
định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển
dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02
động cơ (Hình 1-6). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là
bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều
khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó. Với cấu trúc
này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu,
dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng
phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi.
Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất
1.3 Cấu trúc báo cáo
Nội dung của báo cáo này được trình bày trong 4 chương và nội dung phụ lục
đi kèm. Nội dung tóm tắt của các chương như sau:
Chƣơng II: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (Model
Reference Adaptive Systems – MRAS).
Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu,
điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp được giới thiệu trong chương này. Lý
thuyết ổn định Lyapunov được áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông số
của đổi tượng điều theo thông số của mô hình mẫu.
Chƣơng III: Thiết kế hệ thống điều khiển
Bộ điều khiển PID thích nghi trực tiếp, gián tiếp được đưa ra dựa trên lý
thuyết được trình bày tại Chương II và áp dụng cho việc thiết kế hệ thống điều
khiển đề xuất. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ
bên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện của động cơ thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là
cố định. Dòng phần ứng của động cơ thứ nhất được xem là dòng điện mẫu. Bộ
điều khiển PID thích nghi mạch vòng dòng điện động cơ thứ 2 sau đó được thiết
kế dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov theo đó dòng điện phần ứng động cơ thứ
2 luôn bám sát dòng điện mẫu – dòng phần ứng động cơ 1. Kết quả thiết kế, tính
toán được đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Dựa trên kết quả đạt được như đã nêu mạch điện tử thực hiện chức năng hệ thống
điều khiển được xây dựng và triển khai trên thiết bị thực. Kết quả thực nghiệm
nhận được một lần nữa khẳng định sự đúng đắn của giải pháp đề xuất.
Chƣơng IV: Kết luận, kiến nghị
Tổng kết các công việc đã thực hiện, đánh giá các đóng góp chính của nghiên
cứu, đề xuất các công việc nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện bài toán.
Phụ lục: Tổng hợp các thông tin bổ sung làm rõ hơn nội dung nghiên cứu
Chƣơng II
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ
HÌNH MẪU MRAS
Nội dung chương giới thiệu về hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình
mẫu MRAS (Model Reference Adaptive Systems) do giáo sư Job Van Amerongen
– đại học Twente – Hà lan đề xuất. Các khái niệm về mô hình mẫu, điều khiển
thích nghi tham số, điều khiển thích nghi tín hiệu, điều khiển thích nghi trực tiếp
và gián tiếp đã được đưa ra thảo luận. Các bước thiết kế bộ điều khiển thích nghi
dựa trên lý thuyết ổn định Lypunov được trình bày một cách chi tiết.
2.1 GIỚI THIỆU
Phần nội dung dưới đây được trích dẫn tóm tắt từ tài liệu Intelligent Control
(part 1) –MRAS của tác giả Job Van Amerongen [2].
2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp
Điều khiển thích nghi trực tiếp : Hệ thống với sự chỉnh định trực tiếp các
thông số bộ điều khiển mà không cần nhận dạng rõ các tham số của đối tượng.
Điều khiển thích nghi gián tiếp : Hệ thống với sự điều chỉnh gián tiếp các
thông số điều khiển cùng việc nhận dạng rõ các thông số của đối tượng.
2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình mẫu, hầu hết được gọi là MRAC
(Model Reference Adaptive Controllers) hay MRAS (Model Reference Adaptive
Systems), chủ yếu áp dụng đối với điều khiển thích nghi trực tiếp. Triết lý cơ bản
đằng sau việc áp dụng MRAC đó là đặc trưng mong muốn của hệ thống được đưa
ra bởi một mô hình toán học, hay còn gọi là mô hình mẫu.
Hình 2.1a: Hệ thích nghi tham số
Khi hành vi của đối tượng khác với hành vi ―lý tưởng‖ được xác định bởi mô
hình mẫu, đối tượng sẽ được sửa đổi theo 2 cách, hoặc bằng cách chỉnh định các
thông số của bộ điều khiển (Hình 2.1a), hoặc bằng cách tạo ra tín hiệu bổ sung đầu
vào cho đối tượng này (Hình 2.1b). Điều này có thể được chuyển thành bài toán
tối ưu hoá, ví dụ tối thiểu hoá tiêu chuẩn:
T
2
0
C = e dt (2.1)
Với: e = ym - yP (2.2)
Ngoài việc tối thiểu hoá sai lệch giữa những tín hiệu đầu ra của đối tượng và
mô hình mẫu, thì tất cả các biến trạng thái của đối tượng và mô hình mẫu còn
được đưa vào tính toán. Nếu các biến trạng thái của đối tượng được ký hiệu là (xP)
và các biến trạng thái của mô hình mẫu ký hiệu là (xm), thì véc tơ sai lệch e được
định nghĩa là:
e = xm – xP (2.3)
Trong trường hợp này, bài toán tối ưu hoá có thể được chuyển thành tối thiểu hoá
tiêu chuẩn:
T
T
0
C = e Pedt (2.4)
Trong đó P là một ma trận xác định dương.
Những xem xét sau đây đóng một vai trò nhất định trong việc lựa chọn giữa
thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu. Một tính chất quan trọng của hệ thống
với việc thích nghi tham số đó là vì hệ thống có nhớ. Ngay khi các tham số của đối
tượng đã được điều chỉnh đúng với giá trị của chúng và những tham số này không
thay đổi nữa, vòng lặp thích nghi trong thực tế không còn cần thiết: đối tượng thực
và mô hình mẫu có các trạng thái như nhau. Thường thì khái niệm nhớ không
được thể hiện trong hệ thống thích nghi tín hiệu. Do đó, vòng lặp thích nghi vẫn
còn cần thiết trong mọi trường hợp, để liên tục tạo ra những tín hiệu phù hợp ở đầu
vào. Do vậy, các hệ thống thích nghi tín hiệu cần phải phản ứng nhanh hơn hẳn
đối với những thay đổi động học của đối tượng so với các hệ thống thích nghi
tham số vì hệ thích nghi tín hiệu không sử dụng thông tin từ quá khứ. Trong những
hệ thống mà các thông số liên tục thay đổi trong một phạm vi rộng, sự có mặt của
tính chất nhớ là rất có lợi. Tuy nhiên, trong một môi trường ngẫu nhiên, ví dụ như
Hình 2.1b: Hệ thích nghi tín hiệu
trong các hệ thống với rất nhiều nhiễu, điều này lại là bất lợi. Hệ số cao trong vòng
thích nghi có thể gây nhiễu đưa tới đầu vào của đối tượng.
Hình 2.2: Điều khiển thích nghi trực tiếp
Khi các tham số của đối tượng thay đổi chậm những hệ thống thích nghi tham
số sẽ thực hiện tốt hơn vì chúng có nhớ. Hiện nay đã có một vài thuật toán thích
nghi kết hợp những ưu điểm của cả hai phương pháp trên. Trong những quan tâm
sau đây chủ yếu tập trung vào các hệ thống thích nghi tham số, mặc dù vậy việc
kết hợp giữa thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu cũng được bàn đến.
Nội dung trình bày tiếp theo cho chúng ta thấy phép nhân trong bộ điều khiển
thích nghi luôn luôn dẫn đến một hệ thống phi tuyến. Điều này có thể được giải
thích rằng điều khiển thích nghi mang đậm phản hồi phi tuyến.
Một cách khác để xem xét hệ thống như sau. Vòng điều khiển phản hồi cơ bản
được xem như là một hệ thống điều khiển sơ cấp phản ứng nhanh, chính xác nhằm
phản ứng đối với nhiễu ―thông thường‖. Những biến thiên lớn trong các tham số
đối tượng hoặc là tác động của nhiễu với cường độ lớn được xử lý bởi hệ thống
điều khiển thích nghi (thứ hai) phụ tác động chậm hơn (Hình 2.2).
Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT
Trong lĩnh vực điều khiển nâng cao, một vài phương pháp đã được mô tả để
thiết kế hệ thống thích nghi. Chúng ta có thể có được cái nhìn sâu sắc hơn với
phương pháp này bằng cách tư duy làm cách nào tự tìm đựơc các thuật toán cho
mình. Điều này giúp ta thực sự hiểu được những gì đang diễn ra. Do đó, trong lúc
này chúng ta sẽ hoãn lại việc xem xét những hàm toán học và xem xét các ý tưởng
cơ bản của MRAS với một ví dụ đơn giản. Khi chúng ta cố gắng thiết kế một bộ
điều khiển thích nghi cho hệ thống đơn giản này, chúng ta sẽ gặp phải những vấn
đề mà cần đến nền lý thuyết cơ bản hơn. Những tính chất nói chung với những
phương pháp thiết kế khác nhau cũng như là sự khác biệt của các phương pháp
này sẽ trở lên rõ ràng. Tất nhiên việc ―điều khiển‖ với tham số Ka và Kb không
phải là một bộ điều khiển thực tế. Trong thực tế, giả thiết ở phần này là các thông
số đối tượng có thể được chỉnh định trực tiếp. Trong ví dụ này, đối tượng (tuyến
tính) được mô tả bằng hàm truyền: p
2
p
b
s + a s +1 và mô hình hoá bởi: m
2
m
b
s + a s +1
hoặc 2
2 2
Kω
s + 2ξω s + ω
m
m m
Sự biến đổi trong tham số ap được bù lại bằng cách hiệu chỉnh Ka và những
biến đổi trong tham số bp được chỉnh định bằng cách điều chỉnh Kb. Điều này tuân
theo một cách trực tiếp từ hàm truyền của đối tượng cộng với bộ điều khiển trong
Hình 2.3:
b p
2
p a
K + b
s + (a + K )s +1
Mô hình tham chiếu (tuyến tính) đã có bậc giống với đối tượng. Giá trị
tính toán sau được lựa chọn:
p pω = 10; z = 0,7; a = 68; b = 2500m
Hinh 2.3: Hiệu chỉnh thông số Ka và Kb
Trong trường hợp chỉ có (DC – Direct Control) điều khiển thích nghi trực
tiếp – hệ số khuếch đại của đối tượng và mô hình mẫu khác nhau bởi hệ số bằng
hai. Điều này có thể được nhận ra trong các đáp ứng bước nhảy đơn vị của hệ
thống này.
Vì e = ym – yp và p m
1y = y
2, trong truờng hợp này sai lệch e bằng yp. Để nhận
được 2 đáp ứng giống nhau, các tham số Kb cần được hiệu chỉnh. Hiển nhiên là Kb
nên được điều chỉnh tăng lên. Một sự lựa chọn hợp lý cho việc chỉnh định Kb dường
như là:
b bK (t) = K (0) +β edt
Hình 2.4: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra.
Hình 2.5: Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Yp), đáp ứng mô hình mẫu (Yp1) và sai
lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số bp.
Với ― hệ số thích nghi‖ β tốc độ chỉnh định có thể được đặt lại. Các chức
năng nhớ yêu cầu được thực hiện bằng cách lấy tích phân mà cũng phải đảm bảo
rằng một hằng số khác nhau giữa (Kb + bp) và bm, sai lệch e hội tụ về 0. Luật ―thích
nghi‖ này với β = 0,5 cho các kết quả được hiển thị trong Hình 2.5.
Hình 2.7: Kết quả việc thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb.
Hình 2.6: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb.
Mặc dù kết quả là tốt, nhưng điều này nhanh chóng được nhận thấy rõ ràng
rằng vẫn còn một vài vấn đề tồn tại. Khi tín hiệu đầu vào u bị đảo dấu việc chỉnh
định của Kb sẽ đi sai hướng, vì e mang dấu âm. Kết quả là hệ thống lại không ổn
định trong trường hợp này. Tuy nhiên, giải pháp cho vấn đề này rất đơn giản. Khi
dấu của tín hiệu vào được đưa vào tính toán, ví dụ bằng cách nhân e và u, kết quả
của việc chỉnh định thông số lại phù hợp với Hình 2.6. Điều này nhận được luật
điều chỉnh được gọi là luật MIT:
b bK (t) = K (0) +β (eu)dt
Một vấn đề thứ hai gặp phải không chỉ các biến đổi tham số bp của đối tượng
phải được bù lại, mà còn cả những thay đổi tham số ap. Một lý do tương tự như
trường hợp hiệu chỉnh cho tham số Kb có thể dẫn tới luật chỉnh định cho tham số
Ka, dựa vào tín hiệu e và hàm dấu của u. Nhưng điều này sẽ dẫn đến những luật
chỉnh định giống nhau cho mỗi tham số. Rõ ràng không chỉ là việc chỉnh định trực
tiếp các tham số đóng vai trò quan trọng, mà còn là lượng điều chỉnh mỗi tham số,
quan hệ với những tham số khác. Vì ―tốc độ động của việc chỉnh định‖ được thực
hiện bằng cách hiệu chỉnh từng tham số, và phụ thuộc vào hiệu quả của việc hiệu
chỉnh này có làm giảm sai lệch. Lý do này dẫn đến các luật chỉnh định sau:
b bK (t) = K (0) +β (eu)dt (3.8)
a a 2K (t) = K (0) + α (ex )dt (3.9)
Tham số Kb được chỉnh định khi u, tín hiệu trực tiếp chịu ảnh hưởng bởi Kb,
là lớn và tham số Ka được chỉnh định khi x2, là tín hiệu trực tiếp chịu ảnh hưởng
bởi Ka, là lớn. Kết quả mô phỏng được đưa ra trong Hình 2.7. Điều này xuất hiện
rằng suy luận bằng trực giác của ta mang lại một hệ thống mà sự thích nghi nhanh
diễn ra một cách hợp lý. Trong mô phỏng của Hình 2.7 các giá trị của bp và ap
được đưa ra bằng 0, mà nó được bù bởi các giá trị thích hợp ban đầu của Ka và Kb
(tương ứng với 0.5 và 0.7). Những tham số hội tụ đến một giá trị chính xác 1 và
Hình 3.6: Kết quả việc thích nghi của Ka và Kb.
1.4. Và vì vậy, kết quả là đáp ứng của đối tượng và mô hình mẫu trở nên bằng
nhau. Tốc độ thích nghi được chọn là 12 và 2 .
Hình 2.8: Kết quả việc thích nghi của Ka và Kb
Trong Hình 2.8 tốc độ thích nghi, xác định bởi hệ số thích nghi và , vẫn
còn nhỏ. Để tăng tốc độ hệ thống, hệ số thích nghi được tăng lên với 60 và
10 . Điều này mang lại kết quả kém hơn, trong Hình 2.9.
Hệ thống thích nghi đã ổn định với những hệ số thích nghi thấp, trở nên không
ổn định với những hệ số thích nghi cao hơn. Khi sơ đồ khối của hệ thống này được
xác định. Điều này trở lên rõ ràng là vấn đề ổn định này không thể dễ dàng được
giải quyết, do tính phi tuyến đã được đưa vào hệ thống.
Hình 2.9: Việc chỉnh định của Ka và Kb với tốc độ cao
Hình 2.10: Tính phi tuyến trong hệ thống điều khiển thích nghi.
Cho đến lúc này chúng ta vẫn gặp phải 2 vấn đề sau:
(1) Loại ‗tốc độ động thích nghi‘ cần thiết để nhận ra là mỗi tham số chỉ
được chỉnh định khi kết quả sai lệch là nhạy cảm với sự thay đổi của tham số đó.
(2) Vấn đề ổn định còn tồn tại khi hệ số thích nghi được tăng lên như là một
kết quả của sự đòi hỏi tăng tốc độ thích nghi. Vấn đề ổn định này không thể dễ
dàng được giải quyết bằng phương pháp phân tích tuyến tính bởi vì sự thích nghi
tạo ra hệ thống phi tuyến.
Nguồn gốc rõ ràng của 2 vấn đề của một vài phương pháp cho việc thiết kế
MRAS. Ta xét phương pháp ổn định
- Phương pháp ổn định. Phương pháp này nhấn mạnh đến vấn đề ổn định.
Bởi vì đặc tính phi tuyến của một hệ thích nghi. Lý thuyết ổn định của hệ phi
tuyến được sử dụng là cần thiết. Điều này sẽ được chỉ ra rằng, cùng với một chứng
minh về tính ổn định, những luật thích nghi hữu ích có thể được tìm ra.
2.5. Phƣơng pháp ổn định của Lyapunov.
Dùng lý thuyết ổn định Lyapunov để thiết kế hệ thống thích nghi được đưa ra
bởi Park năm 1966. Đạo hàm của các luật thích nghi sẽ được xây dựng một cách
thuận lợi hơn khi đối tượng và mô hình mẫu được mô tả dưới dạng không gian
trạng thái. Đối tượng được viết lại là:
p p p px A x B u (2.5)
'
p p aA A K (2.6)
'
p p bB B K (2.7)
Ma trận '
pA và '
pB là thông số đối tượng đang bị thay đổi mà có thể được bù
bởi các thông số Ka, Kb. Mô hình mẫu được viết lại dưới dạng không gian trạng
thái là:
m m m mx A x B u (2.8)
Trừ (2.26) cho (2.23) với định nghĩa e
m pe x x (2.9)
m pe A e Ax Bu (2.10)
Với:
m pA A A (2.11)
m pB B B (2.12)
Điều chỉnh A và B đòi hỏi phải các luật thích nghi phi tuyến như biểu thức (2.13)
và (2.14).
( ) (0) ( )b bK t K eu dt (2.13)
2( ) (0) ( )a aK t K ex dt (2.14)
Vì thế phương trình vi phân (2.10) là phi tuyến. Để đảm bảo rằng t thì e = 0,
điều kiện cần và đủ chứng minh rằng e = 0 là một giải pháp cân bằng ổn định.
Theo lý thuyết ổn định Lyapunov điều này có thể thực hiện được khi chúng ta tìm
một hàm (vô hướng) Lyapunov V(e) với tính chất sau:
V(e) xác định dương (nghĩa là V > 0 với 0e , thậm chí V= 0 khi e=0.
.
( )V e xác định âm (nghĩa là V<0 với 0e , thậm chí .
V = 0 khi e = 0).
( )V e khi e
Khi hàm Liapunov V(e) đã được chọn chính xác, luật thích nghi được xây
dựng tuân theo điều kiện mà theo đó ( )V e xác định âm. Vấn đề quan trọng ở đây
là phải chọn được hàm V(e) thích hợp. Có thể tìm được nhiều hàm liapunov phù
hợp, những hàm Lyapunov khác nhau dẫn đến luật thích nghi khác nhau. Việc tìm
ra hàm Lyapunov phù hợp với sở trường của người thiết kế và bài toán là một
công việc khó khăn. Tuy nhiên trong lĩnh vực chuyên ngành có vài hàm Lypunov
―chuẩn‖ đã được đề xuất theo đó có thể nhận được các luật thích nghi tốt. Luật
thích nghi đơn giản và áp dụng phổ biến được tìm ra khi sử dụng hàm Lyapunov
sau:
( ) T T TV e e Pe a a b b (2.15)
Ở đây:
- P là ma trận đối xứng xác định dương tùy ý.
- a, b là những vector gồm những phần tử khác 0 của ma trận A và B
- và là các ma trận đường chéo, có những phần tử dương xác định tốc độ
thích nghi
Việc lựa chọn hàm Lyapunov đưa ra trong biểu thức (2.15) không quá phức
tạp. Hàm Lyapunov thể hiện hình thức dạng năng lượng, năng lượng này tồn tại
trong hệ thống và khi năng lượng này giảm dần về 0, hệ thống đạt tới điểm cân
bằng ổn định. Trong các hệ thống động học năng lượng này được chứa đựng trong
các phần tử tích phân và có thể được xem như là các biến trạng thái của hệ thống.
Các thành phần e, a, và b là những biến trạng thái của hệ thống được mô tả trong
biểu thức (2.10). Các thành phần a, b là những sai lệch tham số và có thể được
xem như đặt sai điều kiện ban đầu của tham số điều khiển thích nghi. Vì vậy sẽ là
tuyệt vời nếu tất cả các biến trạng thái e, a, và b đều tiến về 0.
Lựa chọn P, và để V(e) là một hàm xác định dương.
Đạo hàm của V(e) nhận được:
2 2T T T TV e Pe e Pe a a b b (2.16)
Cùng với biểu thức (2.10) ta có:
.
.
.
( ) ( )
2 2
2 2
T T
m m
T
T
p
T
T
V A e Pe e P A e
e PAx a a
e PBu b b
(2.17)
Đặt: T
m mA P PA Q (2.18)
Bởi vì ma trận Am thuộc về hệ thống ổn định (mô hình mẫu), tuân theo định lý
Malkin, Q là ma trận xác định dương. Điều này ngụ ý rằng phần đầu của biểu thức
(2.17):
( )T T T
m me A P PA e Qe (2.19)
là xác định âm. Sự ổn định của hệ thống có thể được đảm bảo nếu phần cuối của
công thức (2.17) được thiết lập bằng 0. Đặt :
.
0T
T
pe PAx a a (2.20)
.
0T
Te PBu b b (2.21)
Sau một số biến đổi toán học, biểu thức chung của luật điều chỉnh:
.
1
1 n
ni nk k i
kni
a p e x
(2.22)
.
1
1 n
n nk k i
ki
b p e u
(2.23)
Ở đây n là bậc của hệ thống
Sự khác nhau chủ yếu là các phần tử của vector sai lệch e (cùng các hệ số Pnk)
được sử dụng trong luật thích nghi, thay vì chỉ có tín hiệu sai lệch e. Hệ số Pnk là
những phần tử hàng thứ n và cột thứ k của ma trận P, những phần tử này được tìm
ra với sự trợ giúp từ biểu thức (2.18). Chọn một ma trận Q tùy ý xác định dương,
sau đó P nhận được từ (2.18).
Trong mô phỏng dễ dàng giải ra P từ biểu thức (2.18) bằng cách viết
0T
m mA P PA Q
và xem xét biểu thức này như giải pháp cân bằng của phương trình vi phân
T
m m
dPA P PA Q
dt
Biểu thức này dễ ràng giải được bằng phần mềm 20sim. Có thể tăng tốc độ hội tụ
bằng cách đưa vào hệ số tăng tốc 1 , ví dụ λ=10:
1 T
m m
dPA P PA Q
dt
Từ đó những bước cần thiết để thiết kế hệ điều khiển thích nghi với phương pháp
Liapunov như sau:
1. Xác định phương trình vi phân đối với e
2. Chọn một hàm Liapunov V
3. Xác định điều kiện để theo đó .
V xác định âm.
4. Giải tìm P từ phương trình T
m mA P PA Q
Toàn bộ quá trình trên được làm sáng tỏ thông qua ví dụ sau:
Bƣớc 1:
Xác định phương trình vi phân cho sai lệch e
Đối tượng được mô tả theo hệ phương trình vi phân:
.
1 2x x (2.24)
.
2 1 2( ) ( )p a p bx x a k x b K u (2.25)
Từ đó nhận được:
0 1
1 ( )p
p a
Aa K
0
1p
p p
Bb K
(2.26)
Mô hình mẫu (với n = 1 và 2zn = 1.4) được mô tả bởi:
0 1
1 1.4mA
0
1mB
(2.27)
Phương trình vi phân của e là:
m pe A e Ax bu (2.28)
Với:
0 1
0 1.4 ( )p a
Aa K
0
1p
p p
Bb K
(2.29)
Chỉ một phần tử a22 của ma trận A, một phần tử b2 của vector b khác 0.
Bƣớc 2:
Lựa chọn hàm Liapunov V
Trong ví dụ này phương trình (2.15) sẽ được dùng như một hàm Lyapunov
Bƣớc 3:
Xác định các điều kiện theo đó dV/dt là xác định âm.
Các luật chỉnh định (2.22) và (2.23) mà trong trường hợp này ta:
22 21 1 22 2 2
22
1( )a p e p e x
(2.30)
22 21 1 22 2
2
1( )b p e p e u
(2.31)
Từ phương trình (2.29) ta có:
22 1.4 ( )p aa a K (2.32)
và:
2 1 ( )p bb b K (2.33)
Với sự giả định rằng tốc độ thích nghi là nhanh so với hơn tốc độ thay đổi tham số
của đối tượng, từ biểu thức (2.30) và (2.31) nhận được:
21 1 22 2 2
22
1( )aK p e p e x
(2.34)
21 1 22 2
2
1( )bK p e p e u
(2.35)
Bƣớc 4:
Tìm P từ: T
m mA P PA Q
Chú ý: Bất kỳ ma trận Q xác định dương nào đều dẫn tới một ma trận P xác định
dương. Tuy nhiên điều ngược lại sẽ là không đúng.
Bước thứ tư này bắt đầu với việc lựa chọn một ma trận Q bất kỳ. Rõ ràng rằng
mặc dù việc lựa chọn Q là tùy ý, nhưng hiệu quả của hệ thống thích nghi bị ảnh
hưởng bởi việc lựa chọn Q. Sự lựa chọn ban đầu của Q không nhất thiết phải là
lựa chọn tốt nhất. Nhưng bất cứ sự lựa chọn Q là gì thì miễn Q phải là xác định
dương thì tính chất ổn định của hệ thích nghi mới có thể được bảo đảm. Với hệ
thống đơn giản P có thể được tìm ra nhờ cách tính toán bằng tay, với các hệ thống
bậc cao hơn có thể dùng sự trợ giúp của máy tính. Ví dụ ta chọn:
4 0.8
0.8 1.6Q
(2.36)
Theo đó nhận được phương trình ma trận sau:
11 12 11 12
21 22 21 22
0 1 0 1 4 0.8
1 1.4 1 1.4 0.8 1.6
p p p p
p p p p
(2.37)
Phương trình (2.37) có thể được viết lại thành:
21 11 21 22
11 21 22 21 22
2 1.4 4 0.8
1.4 2 2.8 0.8 1.6
p p p p
p p p p p
(2.38)
Từ đây ta nhận được 4 2
2 2P
(2.39)
Cả hai phần tử p21 và p22 trong trường hợp này đều bằng 2.
Luật thích nghi đầy đủ dưới dạng tích phân là:
21 1 22 2 2
22 0
1( ) (0)
t
a aK p e p e x dt K
(2.40)
21 1 22 2
2 0
1( ) (0)
t
b bK p e p e u dt K
(2.41)
Nhận xét:
- Những điều kiện ổn định được tìm ra với phương pháp Lyapunov là điều
kiện đủ, chúng không phải là điều kiện cần. Điều này ngụ ý rằng, là vẫn có một
vài thiếu sót trong sự thay đổi những giá trị tương đối của các phần tử của ma trận
P mà không trực tiếp ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống.
- Tốc độ thích nghi, mà có thể được thay đổi bởi hệ số thích nghi α (=1/α22)
và β (= 1/β2), có thể theo nguyên tắc được lựa chọn tùy ý. Trong hệ thống thực tế
hệ số thích nghi bị giới hạn. Sẽ luôn có sự khác biệt về cấu trúc giữa đối tượng và
mô hình mẫu mà nó ngụ ý rằng, việc chứng minh ổn định chưa được thoả mãn về
tổng thể.
- Trong một số trường hợp, tác động thích nghi có thể được tăng tốc bằng
cách lựa chọn những luật thích nghi khác. Thay cho ―luật thích nghi tích phân‖
(2.30) và (2.31), ―luật thích nghi tỷ lệ tích phân‖ cũng thường được dùng. Khi này
phương trình (2.30), được biến đổi thành:
1,1 ,0
1 1(0) ( ) ( )
t n
ni ni nk k i nk k i
kni ni P
a a p e x d p e x
(2.42)
Thành phần tỷ lệ trong phương trình (2.42) cũng có thể được xem xét như là
một loại tín hiệu thích nghi. Nó làm tăng tốc độ thích nghi khi những tham số đối
tượng thay đổi nhanh và nó có thể cải thiện tính chất quá độ của các tham số. Thay
cho thành phần tỷ lệ, một hàm trễ có thể cũng được dùng. Điều này dẫn đến ―luật
thích nghi trễ tích phân‖.
Chƣơng III
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Nội dung đóng góp chính của nghiên cứu được tập chung ở chương này và
được trình bày thông qua nội dung 04 bài báo sau:
[1] Nguyen Duy Cuong, Nguyen Van Lanh, Dang Van Huyen, ―Design of MRAS-
based Adaptive Control Systems‖, The IEEE 2013 International Conference on
Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS), ISBN:978-1-4673-
0813-7, pp. 79-84, 2013.
[2] Nguyen Duy Cuong, Horst Puta, ―Design of MRAS Based Control Systems for
Load Sharing of Two DC Motors with a Common Stiff Shaft‖, The IEEE 2013
International Conference on Control, Automation and Information Sciences
(ICCAIS), ISBN: 978-1-4673-0813-7, pp. 243-248, 2013.
[3] Nguyen Duy Cuong, Tran Xuan Minh, ―Design of Analog MRAS Controller
Using Operational Amplifiers for Motion Control Systems‖, The IEEE 2014
International Conference on Information Science, Electronics and Electrical
Engineering (ISEEE), ISBN: 978-1-4799-3196-5, 2014.
[4] Nguyen Duy Cuong, Nguyen Van Lanh, Dang Van Huyen, ―Design of LQG
Controller Using Operational Amplifiers for Motion Control Systems‖,
Journal of Automation and Control Engineering, ISSN: 2301 - 3702, pp. 300 –
306, 2014.
Bài báo [1] đưa ra cấu trúc cũng như biểu thức của bộ điều khiển thích nghi
trực tiếp, gián tiếp ở miền tương tự cũng như miền số. Kết quả thiết kế, tính toán
được kiểm chứng qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Bài báo [2] đưa ra cấu trúc hệ thống điều khiển 02 động cơ một chiều nối
cứng trục, tính chọn thông số các bộ điều khiển, đề xuất mô hình thực nghiệm,
phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Dựa vào kết quả của bài báo [1], các bước xây dựng mạch điện tử tương tự
thực hiện chức năng bộ điều khiển thích nghi được trình bày trong bài báo [3, 4].
Chƣơng IV
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
4.1 Kết quả chính đã đạt đƣợc
Nghiên cứu này đã trình bày giải pháp có thể thực hiện kết hợp hai hay nhiều
động cơ nối cứng trục cùng làm việc để tạo ra một công suất lớn theo yêu cầu
đồng thời cho phép các động cơ có thể đóng góp phần công suất của riêng mình
theo mong muốn. Ý tưởng của giải pháp rất đơn giản, coi dòng của một động cơ
nào đó là dòng mẫu, các dòng động cơ khác làm việc bám theo dòng mẫu với các
hệ số mong muốn có thể lớn hơn hay nhỏ hơn 1, điều này đã thực hiện phân chia
tải cho các động cơ.
Với ý tưởng và giải pháp nêu, thí dụ ta có thể ghép động cơ thứ nhất có công
suất định mức 2000 Kw, tốc độ định mức 1500 vòng/phút, động cơ thứ hai 2500
Kw, 1500 vòng/phút, với động cơ thứ ba 1000 Kw, 1500 vòng/phút thành động cơ
tương đương có thông số 5000 Kw, 1500 vòng/phút.
Nguyên lý hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu đã được áp dụng
để thiết kế bộ điều khiển. Mạch điện tử thực hiện chức năng bộ điều khiển thích
nghi tương tự được xây dựng dựa theo công thức toán dưới dạng biểu thức tích
phân. Kết quả mô phỏng, thực nghiệm cũng như chí phí để thực hiện đã chứng
minh đây là một giải pháp nên được xem xét, đánh giá một cách nghiêm túc để mở
ra triển vọng áp dụng vào thực tế sản xuất.
4.2 Đóng góp chính của nhóm nghiên cứu
Một khối lượng công việc rất lớn nhóm nghiên cứu đã thực hiện, tuy nhiên về
phương diện học thuật các đóng góp chính của tác giả là:
- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi trực tiếp, gián tiếp theo mô hình mẫu;
- Đề xuất cấu trúc điều khiển phù hợp;
- Dựa trên cơ sở cấu trúc điều khiển, các biểu thức toán học các tác giả tiến hành
thiết kế mạch điện tử tương tự thực hiện chức năng bộ điều khiển thích nghi.
4.3 Hạn chế của giải pháp
Thiết kế đề xuất thể hiện nhiều ưu điểm như đã nêu, tuy nhiên bên cạnh đó còn thể
hiện các nhược điểm chính sau:
- Với thiết kế hiện tại chưa đề cập tính chất của phụ tải.
- Sử dụng mô hình toán gần đúng của đối tượng điều khiển.
- Thuật ngữ chia tải chưa được rõ khi ta sử dụng sensor dòng điện như hiện tại.
- Nghiên cứu chỉ dừng lại đối với việc chia tải cho các động cơ điện một chiều.
- Chưa tìm ra được giá trị max và min của hệ số chia tải.
- Chỉ dừng lại tại thiết kế, mô phỏng, mô hình thử nghiệm, cần áp dụng vào thực
tế sản xuất.
4.4 Đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo
Để giúp cho bài toán được hoàn thiện hơn, các nghiên cứu tới cần quan tâm các
vấn đề sau:
- Thuật ngữ chia tải sẽ rõ hơn nếu ta sử dụng sensor đo mô men trên trục động
cơ thay vì sử dụng sensor dòng điện như hiện tại. Tuy nhiên sensor đo mô men
có giá thành cao, hơn nữa việc lắp ráp khó khăn hơn.
- Bài toán chia tải cho các động cơ xoay chiều nối cứng trục, làm việc đồng thời.
- Quan tâm đến tính chất của phụ tải
- Áp dụng vào thực tế sản xuất với 02 động cơ một chiều công suất lớn khoảng
1500 Kw.
PHỤ LỤC
SƠ ĐỒ TỔNG THỂ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
PL 1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
YÊU CẦU KỸ THUẬT BỘ ĐIỀU KHIỂN
a. Có mạch Ramp thực hiện điều chỉnh được gia tốc tín hiệu chủ đạo;
b. Có thể điều chỉnh được hệ số phản hồi theo dòng điện và tốc độ;
c. Bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ;
d. Có thể hạn chế tín hiệu ra của bộ điều khiển tốc độ theo yêu cầu;
e. Bộ điều khiển dòng điện PID động cơ 1. Có thể điều chỉnh được các hệ số
Kp, Ki;
f. Bộ điều khiển dòng điện PID thích nghi động cơ 1. Có thể điều chỉnh các
hệ số thích nghi;
g. Khâu ngắt dòng: Có thể điều chỉnh được giá trị của dòng điện ngắt;
h. Thực hiện được việc giới hạn điện áp phần ứng lớn nhất;
i. Quá trình điều khiển là thuận (Tăng chiết áp điện áp phần ứng tăng).
YÊU CẦU KỸ THUẬT MẠCH ĐIỀU KHIỂN PHA XUNG
a. Điều khiển Xung chùm: Có thể điều chỉnh trơn độ rộng xung điều khiển;
b. Thực hiện gửi xung;
c. Có thể điều chỉnh trơn thời điểm phát xung;
d. Đèn báo tín hiệu xung (06 điốt phát quang cho 06 kênh);
e. Tự động cắt xung khi có sự cố và duy trì trạng thái báo cho người vận hành
biết;
f. Các Thyristor trong mạch lực tự động tăng góc mở, giảm điện áp khi dòng
điện vượt quá 1.5 dòng định mức;
g. Giới hạn được góc mở max và min.
YÊU CẦU ĐỐI VỚI MẠCH BẢO VỆ
a. Quá dòng (tự giữ trạng thái, tiếp tục làm việc sau khi ấn nút phục hồi) Iqt
có giá trị bằng hoặc lớn hơn 1.5 dòng định mức;
b. Ngắt dòng (tác động trong quá trình khởi động, quá tải) Ingd được chỉnh
định có giá trị bằng hoặc lớn hơn 2 dòng định mức;
c. Quá nhiệt độ các Thyristor (mỗi Thyristor được gắn với một cảm biến nhiệt
đi kèm rơle bảo vệ);
d. Mất gió làm mát;
e. Các đại lượng liên quan (gió, nước làm mát, dầu bôi trơn, điện áp thấp);
f. Tín hiệu ra của mạch bảo vệ đưa tới mạch pha xung;
CÁC YÊU CẦU, RÀNG BUỘC KỸ THUẬT
a. Mạch phát xung chỉnh lưu phần ứng chỉ được phép bắt đầu làm việc khi:
Dòng điện kích từ đảm bảo;
b. Mạch phát xung chỉnh lưu kích từ chỉ được phép làm việc khi: Đủ điều kiện
về quạt làm mát;
c. Điện áp chủ đạo tăng từ từ khi khởi động;
d. Điều chỉnh được tốc độ tăng của điện áp chủ đạo;
e. Giới hạn tốc độ lớn nhất;
f. Giới hạn điện áp phần ứng lớn nhất;
g. Giới hạn dòng điện phần ứng lớn nhất;
h. Nhiễu ít ảnh hưởng đến mạch điều khiển;
i. Các nguồn một chiều cung cấp là riêng rẽ mục đích giảm nhiễu;
j. Dòng ngắt được chỉnh định bằng 1.5 dòng định mức;
k. Dòng cắt nhanh được điều chỉnh bằng 2.0 dòng định mức;
l. Ghép nối giữa mạch kích từ với mạch phần ứng liên hệ qua rơ le để tránh
nhiễu;
m. Các nguồn điện một chiều cấp cho các mạch điện tử là riêng rẽ.
CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
PL 2: Hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp
PL3: Cấu trúc Matlab Simulink của sơ đồ PL2
PL 4: Cấu trúc hệ thống điều khiển
PL 5: Mạch vòng dòng điện động cơ 1
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
PL 6: Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện động cơ 1
PL 7: Kết quả mô phỏng mạch tốc độ cho 02 động cơ
PL 8: Cấu trúc Kp thích nghi
MẠCH ĐIỆN THỰC HIỆN
PL 9: Mô hình mẫu dùng khuếch đại thuật toán
PL 10: Bộ điều khiển PD thích nghi dùng KĐTT
PL 11: Các bước đề xuất thiết kế
PL 12: Kết quả mô phỏng dùng Matlab Simulink
PL 13: Kết quả mô phỏng dùng Multisim
PL 14: Kết quả thực nghiệm trên mô hình thực
PL 15: Mạch điện thực hiện chức năng bộ điều khiển pha xung.
PL 16: Mạch khuếch đại và truyền xung điều khiển
PL 17: Mạch điện thực hiện chức năng bảo vệ
PL 18.1: Mạch điều khiển pha xung PL 18.2: Mạch khuếch đại và truyền xung
PL 18.3: Mạch bảo vệ PL 18.4: Mạch điều khiển.
PL 19: Đối tượng điều khiển
PL 20: Mặt trước tủ điều khiển
PL 21: Tổng thể hệ thống
PL 22: Tiến hành thực nghiệm
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
PL 23.1: Udb và Urc PL 23.2: Urc và Udk
PL 23.3: Urc và Uss tại đầu ra khâu so sánh PL 23.4: Urc và Ura sau Sửa xung
PL 23.5 Xung chùm PL 23.6: Nhân xung chùm
PL 23.7: Xung cấp cho Thyristor PL 23.8: Điện áp đầu ra bộ biến đổi
PL 24: Kết quả thực nghiệm khi hệ số chia tải bằng 1
PL 25: Kết quả thực nghiệm khi hệ số chia tải bằng 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Astrom, K. J., Wittenmark, B., Computer - Controlled Systems - Theory and
Design, Third Edition, Prentice Hall Information and System sciences Series,
Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1997, ch. 2.
[2] Van Amerongen, J., Intelligent Control (part 1)-MRAS, Lecture notes,
University of Twente, The Netherlands, March 2004.
[3] Van Amerongen, J. An MRAS-based learning feed-forward controller,
Mechatronics 2006 - 4th IFAC-Symposium on Mechatronic Systems Heidelberg,
Germany, 2006, pp. 6, 2006.
[4] Kuo-Kai Shyu, Ming-Ji Yang, Yen-Mo Chen, Yi-Fei Lin, ―Model Reference
Adaptive Control Design for A Shunt Active-Power-Filter System‖, IEEE
Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 1, pp. 97-106, 2008.
[5] Michael, C. , Behavior of a drive system consisting of two DC motors with
elastic shafts driving the Yankee drying cylinder of a tissue paper machine, Power
Electronics and Motion Control Conference, 2004. IPEMC 2004.
[6] Nguyen Duy Cuong, Advanced Controllers for Electromechanical Motion
Systems, PhD thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2008.
[7] Mitrovic, V. Kostic, M. Petronijevic and B. Jeftenic, "Multi-Motor Drives
for Crane Application," Advances in Electrical and Computer Engineering, vol. 9,
no. 3, pp. 57 - 62, October 2009.
[8] Rockwell Automation, "Allen Bradley: Load Sharing Applications for AC
Drives, Publication DRIVES-WP001A-EN-P — June 2000.
[9] Rockwell Automation, Load Sharing for the 1336 PLUS II AC Drive,
Publication number, 1336E-WP001A-EN-P, 2000.
[10] Rockwell Automation, "Allen Bradley: PowerFlex 700 AC Drives Technical
Data," 20B-TD001F-EN-P, July 2009.
[11] ABB, Direct torque control - the world‘s most advanced, 2001,
3AFE58056685 REV C 6.6.2011.