Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho hệ nhiều động cơ bằng phương pháp điều khiển cuốn chiếu

Nội dung text: Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho hệ nhiều động cơ bằng phương pháp điều khiển cuốn chiếu

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO HỆ NHIỀU ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU BUILDING A SPEED CONTROLLER FOR MULTI-MOTOR SYSTEMS BY BACKSTEPPING METHOD Trần Xuân Tình1*, Đặng Tiến Trung2, Lê Văn Sâm1, Nguyễn Ngọc Tuấn3 1Học viện Phòng không - Không quân, 2Trường Đại học Điện lực, 3Học viện Kỹ thuật quân sự Ngày nhận bài: 19/07/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: PGS.TS. Nguyễn Quang Hoan Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển cuốn chiếu (backstepping) cho vòng tốc độ của hệ truyền động nhiều động cơ. Các kết quả được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho thấy bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng ngay cả khi hệ thống chịu ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến do cấu trúc phần cơ gây ra. Từ khóa: Nhiều động cơ, điều khiển cuốn chiếu, ma sát, đàn hồi. Abstract: The paper presents the results of summarizing the backstepping controller for the speed loops of the multi-motor drive. The results surveyed and evaluated by simulation on Matlab-Simulink software show that the controller ensures the quality requirements in the system under the influence of nonlinear factors as causing the mechanical structure Keywords: Multi-motor drive systems, backstepping controller, elastic, backlash. 1. MỞ ĐẦU liên tục được nghiên cứu phát triển cả trong và ngoài nước, từ đơn giản như Hệ truyền động (HTĐ) nhiều động cơ ứng BĐK PID [3] đến phức tạp như logic mờ dụng trong công nghiệp và quốc phòng [4], mạng nơron [5], điều khiển tối ưu [6], đều là hệ động lực học phi tuyến, chứa và điều khiển bền vững [7]. Tuy nhiên các liên hệ chéo; các mối liên hệ này làm vẫn vẫn cần thêm những nghiên cứu nhằm cho mô hình của đối tượng điều khiển trở làm phong phú thêm các thuật toán điều nên phi tuyến. Trong điều khiển HTĐ vật khiển cho hệ. BĐK điều khiển cuốn chiếu liệu đàn hồi nhiều động cơ, việc kiểm soát mà tác giả đề xuất đã cho chất lượng tốt tốc độ các động cơ là một vấn đề khó. Các ngay cả khi tính đến yếu tố phi tuyền hệ bộ điều khiển (BĐK) tốc độ cho HTĐ này số đàn hồi thay đổi. Số 25 17
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2. MÔ HÌNH CƠ HỆ Roll 1 Roll 2 Roll n rn r1 r 2 r F r F F 1 12 2 23 nn 1, rn Inventer 1 Inventer 2 Inventer n Motor 1 Motor 2 Motor n r1 r 2 r3 Bộ điều khiển tốc độ  f Hình 1. Mô hình hệ truyền động nhiều động cơ Theo [1-2] mô hình toán hệ truyền động hằng số thời gian rôto;  rd : từ thông rôto; một động cơ không đồng bộ trong dây J L rm isq : dòng stato. KT 2 : hằng số thời chuyền sản xuất có dạng: kMi dm crm gian của tải; kc : hệ số đàn hồi; c:  f ku f. s kM2 i dm 1 hệ số đàn hồi; rm : tốc độ định mức của T .k c r T K động cơ; M : mômen định mức; k : hệ T dm i 1 số truyền của hộp số.  MM r d s J d 3 LT Mn mr2   (2) 2 (1) d p rd f r 3 L 2 Lr M nm  i d2 pL rd sq r Với T 1 i r     MM sq rd f r r d s L Jd m 1 3LT 2 1 y T mr . nkp rd  f  r c r T JLJd2 r d Trong đó:  f ku f s : tốc độ đặt do vòng 13 LTmr 2 = . np rd r ngoài đưa vào. M s : mômen đàn hồi; MT : JLdr2 mômen tải; M d : mômen động cơ; n : số p 1 3LTmr 2 1 + . np rd k f u s k c r T đôi cực của động cơ; Lm : hỗ cảm giữa JLJd2 r d Lr rôto và stato; Lr : điện cảm rôto; Tr : Đặt x1 T;; x 2 r T x 3  r  T Rr 18 Số 25
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) k Đạo hàm V ta có: xx c 1 12K T 11 xx23 V1 z 1 z 1 2 2  2 B k k13 L T x c c x . n m r  2 x x 11 3 2p rd 1 3 (7) JKJL2 zx1 ( 2 2 )  2 ( ˆ 2 ) d T d r  B 2 13 LTmr 2 . np rd k f u s 1 JLdr2 zx1 2  2 ( ˆ 2 ) B yx 1 Do zx2 2 1 hay xz2 2 1 với 1 là biến (3) điều khiển ảo. Thay vào trên ta có: 11 Đặt V z x ( ˆˆ ) z (z )  (  ) (8) 1 1 2BB 2 2 1 2 1 2 2 kc k c13 L m T r 2  ;  ;  .n  ; Chọn 1 dz 1 1 với c1 0 rồi thế vào trên 121JKJL2 p rd d T d r (4) ta có: 13 LT  . nkmr 2 2 p rd f 1 JLdr2 Vz (z )  ( ˆ ) 1 1 2 1B 2 2 xx  1 1 2 2 ˆ = z1 (z 2 d 1 z 1 )  2 ( 2 ) (9) xx23 B (5) 2 1 x3  1  2 x 2  1 x 1 x 3  2 us d1 z 1 z 1 z 2  2 ( ˆ 2 ) B yx 1 Bước 2: Tổng hợp bộ điều khiển cuốn chiếu cho 1 vòng điều khiển tốc độ: Chọn V V z2 . Tính đạo hàm của V 2 12 2 2 Bước 1: ta có: Do tốc độ của tải ở đầu ra không đo được 1 V V z z d z2 z z z () ˆ trực tiếp khi tính đến biến dạng đàn hồi 2122 11 122B 22 nên gọi giá trị tiệm cận với tín hiệu đầu ra (10) là yr , sai số z1 được tính như sau: Ta có: 1 d 1  2 x 2; z 2 x 3 d 1  2 x 2 thế vào z y y x y 11rr phương trình trên có: Vì yr 0 nên ta có: zx1  2 2 . Do  2 là tham V2 V 1 z 2 z 2 số không đo được nên gọi giá trị đánh giá 2 1 d11 z z 12 z z 23 ( x d 122 x )  2 ( ˆ 2 ) là ˆ2 và sai số đánh giá là 2  2 ˆ 2 hay B 2  2 ˆ 2 . Chọn hàm Lyapunov cho z1 là: 2 V2 V 1 z 2 z 2 d 1 z 1 z 1 z 2 11 1 Vz 22 ˆ 1 1 2 (6) + z2 x 3 d 1  2  2 x 2  2 (  2 ) 22 2 B B Số 25 19
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) V2 V 1 z 2 z 2 Tiến hành tính đạo hàm riêng của 2 lần d z2 z z 1 1 1 2 lượt theo x1, x 2 , yr , ˆ 2 có : 1 ˆˆ 2 (  2 ) d 1222 z  x z 23 x d 122  x   B 2 2 dd12 1; dd2 1ˆ 2 ; x1 x2 Đặt zx hay xz thế vào 3 3 2 3 3 2   2 0 ; 2 dx phương trình trên ta có: 12 yr ˆ2 2 1 V2 d 1 z 1 z 1 z 2  2() ˆ 2 Thế vào phương trình zz23 ta có: B (11) d1 z 2 2 x 2 z 2 z 3 2 d 1 ˆ 2 x 2 zz23 = z2  12 x ˆˆ 12 x  22 x  22 x  13 x x 1 (17) Lựa chọn:  c z z cˆ x với c 0 2 2 2 1 1 2 2 2 +u d d 1 d dˆ d x thay vào phương trình trên ta có: 2s 1 2 2 1 2 1 2 1 V d z22 d z () ˆ d z  x (12) Chọn thành phần: 2 11 22B 2 2 1222 1 u d z z ˆˆ x  x  x x Bước 3: s 3 3 2 1 2 2 2 1 3 1 2 (18) d d 1 d dˆ d x Tham số không xác định  1 được đánh giá 1 2 2 1 2 1 2  bằng ˆ với sai số đánh giá  do đó: 1 1 Từ đó có: 1 ˆ 1  1 z2 z 3= c 3 z 3  1 x 2 2 x 2 thay vào V3 ta có: Xác định hàm Lyapunov V3 là: 22 V3 d 11 z d 22 z z 3 c 33 z  12 x 22 x 1122 V V z  11 3 222 3G 1 (13) d z x  ˆˆ  (  ) 1 2 2 2GB 1 1 2 2 11 2 2 2 1 (19) ˆ = d z d z d z  z x ˆ V3233 V z z  11233  V z z  11  1 1 2 2 3 3 1 3 2 1 GG G 22 V3 d 1 z 1 d 2 z 2 z 3 z 2 z 3 (14) 1 2 z 3 x 2 d 1 z 2 x 2 ˆ 2 11 B d z x  ˆˆ  (  ) 1 2 2 2GB 1 1 2 2 Chọn ˆˆ1 Gz 3 x 2; 2 Bz 3 x 2 d 1 z 2 x 2 khi đó Tính zz : 23 ta có: z z z x x,,,, y ˆˆ  x 2 3 2 3 2 1r 1 2 2 2 2 2 V3= d 1 z 1 d 2 z 2 d 3 z 3 = z2  1  2 x 2  1 x 1 x 3 (15) 2usr 2 x 1 , y , ˆˆ 1 ,  2 , x 2 Như vậy sẽ bảo đảm cho V3 0 nếu như d1, d 2 , d 3 0 . Chọn B, G là hệ số khuếch Với 2 được tính: đại của luật cập nhật, d1, d 2 , d 3 là hệ số  d z z dˆ x 2 2 2 1 1 2 2 khuếch đại của bộ điều khiển, ta có us là d x  x y dˆ x 2 2 1 1r 1 2 2 (16) tín hiệu điều khiển tốc độ cho động cơ ở = dx ddx ddy x y dˆ x 22 121 12rr 1 122 vòng trong. 20 Số 25
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 3. MÔ PHỎNG Trường hợp 2: Khi tải thay đổi nhảy bậc Trong cấu trúc trên, bài báo đã xây dựng tại thời điểm 4s và 7s, hệ số đàn hồi thay bộ điều khiển tốc độ cho các động cơ ở đổi. vòng trong, lực căng vòng ngoài dùng bộ điều khiển PID, vòng dòng điện đã được xử lý bởi biến tần. Trước hết tính toán các tham số của hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ ba pha. Xét ba động cơ ba pha roto lồng sóc của hãng Siemens có các tham số giống nhau: Công suất Pđm = Hình 4. Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad 4 kW; Lm = 0,1958 (H); Ls = 0,202 (H); Lr = 0,2065; Rr = 1,275 (); Rs =1,663 (); 5 2 p = 2; nđm = 1400 v/p; JM = 7,47.10 Kgm ; 5 2 JL=8.258.10 Kgm . Trường hợp 1: Khi tải không đổi hệ số đàn hồi thay đổi. Hình 5. Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad tại thời điểm 4s Hình 2. Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad Hình 6. Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad tại thời điểm 7s Hình 3. Đáp ứng tốc độ Hình 7. Đáp ứng tốc độ với hệ số đàn hồi c=120 Nm/rad với hệ số đàn hồi c=120 Nm/rad Số 25 21
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nhân xét: có liên hệ ma sát, đàn hồi. Phần trình bày Từ các kết quả mô phỏng thấy rằng bộ được bắt đầu từ việc xây dựng mô hình điều khiển tốc độ cuốn chiếu cho chất cơ hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mô lượng điều khiển tốt. Trong điều kiện chịu hình mô phỏng, kiểm nghiệm bằng phần ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến hệ số đàn mềm Matlab-Simulink. Qua kiểm tra cho hồi thay đổi, mômen tải thay đổi, hệ thống thấy BĐK tốc độ đã nâng cao được chất vẫn đảm bảo được độ chính xác trong cả lượng của hệ thống truyền động nhiều chế độ động và chế độ tĩnh, sai số trong động cơ thông qua các tiêu chí đánh giá, chế độ tĩnh luôn về 0 trong các trường đó là: tính bền vững với nhiễu, đảm bảo hợp khác nhau. khả năng đồng tốc của các động cơ, đảm bảo tính chính xác bám. Kết quả nghiên 4. KẾT LUẬN cứu này là tiền đề để nhóm tác giả phát Bài báo đã trình bày kết quả tổng hợp triển bộ điều khiển lực căng cho các dây BĐK tốc độ bằng phương pháp điều khiển chuyền sản xuất công nghiệp có chứa cuốn chiếu cho hệ cơ điện nhiều động cơ băng tải đàn hồi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dao Phuong Nam, Pham Tuan Thanh, Tran Xuan Tinh, Tran Thanh Dat, Pham Van Tu, “High- Gain Observer based Output feedback Controller for a Two-Motor Drive System: A Separation Principle Approach”, Lecture Note in Electrical Engineering 465, Scopus Q3, Dec-2017. [2] Pham Tam Thanh, Dao Phuong Nam, Tran Xuan Tinh and Luong Cong Nho, “High-Gain Observer–Based Sliding Mode Control of Multimotor Drive Systems”, Book Adaptive Robust Control Systems, Published by InTech Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia 2018. [3] B. Allaoua , A. Laoufi and B. Gasbaoui, “Multi-Drive Paper System Control Based on Multi-Input Multi- Output PID Controller”, Leonardo Journal of Sciences, 2010. [4] Fawzan Salem, E.H.E. Bayoumi, “Robust fuzzy-PID control of three-motor drive system using simulated annealing optimization”, Journal of Electrical Engineering, 2011. [5] Li Jinmei, Liu Xingqiao, “Application of an Adaptive Controller with a Single Neuron in Control of Multi-motor Synchronous System”, IEEE, 2008. [6] A. Angermann, M. Aicher, and D. Schroder, “Time-optimal tension control forprocessing plants with continuous moving webs”, Proc. 35th Annual Meeting- IEEE Industry Applications Society, Rome, Oct. 1999. [7] H. Koc, D. Knittel, M. D. Mathelin, “Robust gain-scheduled control of winding systems”, IEEE Conf. Decision and Control, Sidney, Australia, Dec. 2000. 22 Số 25
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Trần Xuân Tình tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử, nhận bằng Thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa, bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Tác giả hiện là giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện – Học viện Phòng không - Không quân. Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng các giải pháp điều khiển hiện đại trong hệ truyền động điện. Tác giả Đặng Tiến Trung nhận bằng tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ sư điện - tự động hóa tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Tác giả hiện là giảng viên Khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực. Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng các giải pháp điều khiển hiện đại trong hệ thống điện. Tác giả Lê Văn Sâm tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử, nhận bằng Thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa, bằng Tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 2019 tại Viện Kỹ thuật và Công nghệ quân sự. Tác giả hiện là giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện - Học viện Phòng không - Không quân. Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng các giải pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển thiết bị bay. Tác giả Nguyễn Ngọc Tuấn tốt nghiệp đại học chuyên ngành tự động hóa tại Học viện Kỹ thuật quân sự năm 2006, bảo vệ luận án Tiến sĩ tại Trường Đại học Tổng hợp vô tuyến điện tử Ryazan, Liên bang Nga năm 2014. Tác giả hiện là giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân sự. Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế các bộ điều khiển trong hệ truyền động điện, nghiên cứu phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại. Số 25 23