TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ
Những yêu cầu về truyền động trong thực tế
Trong sản xuất, có những dây chuyền với công suất nhỏ và những dây chuyền có công suất lớn lên đến hàng nghìn KW Đối với máy móc có công suất nhỏ, việc sử dụng một động cơ truyền động là thuận lợi Tuy nhiên, với hệ thống truyền động có công suất lớn (trên 1000 KW), việc này gặp nhiều khó khăn.
Hình 1.1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ
Các hệ thống truyền động như hầm lò, trạm khí nén, máy bơm, máy xúc và máy ủi thường gặp khó khăn khi chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn Việc chế tạo, sửa chữa, lắp đặt và vận hành động cơ này rất phức tạp, đồng thời việc vận chuyển và lắp đặt cũng gặp nhiều trở ngại do trọng lượng và kích thước lớn Hơn nữa, việc vận hành động cơ công suất lớn còn yêu cầu các thiết bị biến đổi công suất lớn như bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, điều này làm cho việc thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi này cũng trở nên khó khăn và tốn kém.
Giải pháp truyền thống
Để giải quyết yêu cầu truyền động công suất lớn này thì người ta thường dùng 02 hoặc nhiều động cơ truyền động
Tả i Độ ng cơ 2 Độ ng cơ 1
Việc sử dụng hai động cơ thay vì một động cơ công suất lớn mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tính khả thi cao trong thiết kế và chế tạo động cơ cùng bộ biến đổi có công suất nhỏ hơn Điều này giúp quá trình vận chuyển, lắp ráp và vận hành trở nên dễ dàng hơn Đặc biệt, lựa chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý giúp giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi gây ra đối với lưới điện.
Để đảm bảo sự cân bằng phụ tải trong quá trình hoạt động của hai động cơ truyền động, cần thiết phải đáp ứng một số yêu cầu quan trọng cho cả hai động cơ này.
Tất cả các thành phần truyền động cần duy trì tỷ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và động, điều này được gọi là yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ.
Dây chuyền sản xuất các vật liệu có bề dày thay đổi thường yêu cầu điều chỉnh tốc độ làm việc không lớn, với tỷ lệ điều chỉnh tốc độ trong khoảng từ 2:1 đến 6:1.
Một số dây chuyền sản xuất đòi hỏi chất lượng sản phẩm cao, với độ đồng đều vật liệu tốt và sai số thấp Do đó, hệ truyền động cần phải có khả năng điều chỉnh chính xác để đáp ứng các yêu cầu này.
Một số vật liệu được sản xuất trong dây chuyền liên tục yêu cầu giữ sức căng không đổi do tính chất và chủng loại đặc thù Do đó, hệ truyền động cần phải điều chỉnh linh hoạt cả tốc độ và lực kéo để đáp ứng yêu cầu này.
Để hai động cơ hoạt động hiệu quả khi nối cứng trục, cần đảm bảo rằng đặc tính tĩnh của chúng hoàn toàn giống nhau Điều này giúp duy trì lực kéo không đổi ngay cả khi quá trình phụ tải và tốc độ động cơ thay đổi.
Drive 2 Độ ng cơ 1 Độ ng cơ 2
Một giải pháp để đảm bảo hai động cơ có dòng kích từ và dòng phần ứng bằng nhau là mắc nối tiếp các cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng Tuy nhiên, giải pháp này không khả thi trong thực tế vì yêu cầu tăng gấp đôi điện áp cho cả kích từ và phần ứng, dẫn đến việc công suất của thiết bị biến đổi cũng phải tăng gấp đôi Do đó, việc sử dụng hai động cơ với một bộ biến đổi chung là không khả thi trong thực tế.
Qua các phân tích, để điều khiển hai động cơ, cần sử dụng hai bộ biến đổi Nghiên cứu cho thấy nếu không có mối liên hệ giữa hai bộ biến đổi, sẽ không đảm bảo công suất đóng góp đồng đều cho cả hai động cơ Thực tế cho thấy việc cấp nguồn độc lập cho hai động cơ có thể dẫn đến tình trạng nguy hiểm, như một động cơ bị quá tải trong khi động cơ còn lại hoạt động dưới tải Trong trường hợp xấu, một động cơ không chỉ phải kéo toàn bộ tải mà còn phải hỗ trợ cho động cơ kia.
Một trong những thiết kế được áp dụng là sử dụng cấu trúc với hai mạch vòng điều khiển: mạch vòng tốc độ bên ngoài và mạch vòng dòng điện kép bên trong Tín hiệu ra từ mạch vòng tốc độ sẽ điều khiển các mạch vòng dòng điện Để hiệu chỉnh sự sai khác về dòng điện giữa hai động cơ, cần thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID trong mạch vòng dòng điện Giải pháp này đáp ứng yêu cầu sản xuất, nhưng do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, nên khi hệ thống vận hành và thông số thay đổi, có thể dẫn đến sai khác lớn về dòng điện của các động cơ, đôi khi lên đến 15%.
Trong quá trình vận hành hệ thống điều khiển truyền thống, cán bộ kỹ thuật cần thường xuyên điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định theo yêu cầu Đây là một nhược điểm cơ bản của thiết kế này.
Giải pháp đề xuất
Giải pháp được đề xuất trong nghiên cứu này dựa trên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng, với bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ chung cho cả hai động cơ và hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện riêng biệt Bộ điều khiển dòng điện của động cơ thứ nhất có thông số cố định, trong khi thông số của bộ điều khiển dòng điện động cơ thứ hai được điều chỉnh dựa trên sai lệch dòng điện giữa hai động cơ Điều này cho phép bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai hoạt động như một bộ điều khiển thích nghi, theo dõi dòng mẫu từ động cơ thứ nhất Nhờ vào cấu trúc này, dòng điện của cả hai động cơ sẽ luôn bằng nhau với sai số tối thiểu, đáp ứng yêu cầu mong đợi trong quá trình vận hành.
Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất
Kết luận, bài viết đã phân tích những ưu nhược điểm của giải pháp truyền thống trong sản xuất Để cải thiện chất lượng hệ thống, chúng tôi đề xuất một giải pháp mới nhằm cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục Tiếp theo, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình toán cho động cơ điện xoay chiều.
MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU
Máy điện xoay chiều
Gồm 2 loại: Máy điện xoay chiều không đồng bộ và máy điện xoay chiều đồng bộ
Máy điện không đồng bộ: Cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo trì dễ dàng, giá thành hạ, thay đổi tốc độ bằng nhiều phương pháp
Mô men động cơ không đồng bộ thay đổi nhiều khi điện áp thay đổi Hiệu suất thấp hơn động cơ đồng bộ
Máy điện đồng bộ là động cơ điện được kích thích bằng dòng điện một chiều, cho phép hoạt động với hệ số công suất cosφ = 1 mà không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện Điều này giúp nâng cao hệ số công suất của lưới điện, giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây Động cơ điện đồng bộ ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp lưới, và khi áp lưới sụt, động cơ vẫn giữ tải tốt hơn Nếu tăng kích thích, động cơ đồng bộ có thể hoạt động an toàn và cải thiện điều kiện làm việc cho toàn bộ lưới điện.
Hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ
Động cơ đồng bộ có cấu tạo phức tạp và giá thành cao hơn so với các loại động cơ khác, đồng thời quá trình mở máy cũng phức tạp hơn Ngoài ra, việc điều chỉnh tốc độ của động cơ đồng bộ chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp.
Với những ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ, nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển cho động cơ này Dưới đây là một số khái niệm cơ bản về máy điện đồng bộ.
2.1.1 Khái niệm chung về máy điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc độ quay của rôto bằng tốc độ quay của từ trường quay trong máy
Hiện nay, năng lượng điện xoay chiều là nguồn năng lượng chủ yếu được sử dụng trên toàn cầu, và máy phát điện đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất loại năng lượng này.
Máy đồng bộ có khả năng hoạt động linh hoạt, vừa có thể đóng vai trò là máy phát điện, vừa có thể hoạt động như một động cơ Bên cạnh đó, thiết bị này còn được sử dụng như nguồn công suất kháng, được gọi là máy bù đồng bộ.
Máy điện đồng bộ là thiết bị quan trọng trong công nghiệp, chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi cơ năng thành điện năng, tức là làm máy phát điện Điện năng 3 pha, sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước, đóng vai trò thiết yếu trong nền kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày.
Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị công suất lớn, thiết bị lớn
Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thường được thiết kế để cung cấp công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng Trong một số trường hợp, máy điện đồng bộ được đặt gần các khu công nghiệp lớn nhằm phát ra công suất phản kháng đủ để bù đắp hệ số cosφ cho lưới điện, điều này là hợp lý Những máy này được gọi là máy bù đồng bộ.
Các động cơ đồng bộ có công suất nhỏ, đặc biệt là những động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, đang được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị tự động và hệ thống điều khiển.
2.1.2 Cấu tạo của máy điện đồng bộ
Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có 2 phần: Phần quay (rôto) và phần tĩnh (stato)
Hình 2.1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ
- Stato gồm có: vỏ, lõi và dây quấn
+ Vỏ: làm bằng thép đúc, dung bảo vệ mạch từ và các phần khác trong máy Trên vỏ có gắn biển đề ghi các thông số của máy điện
Lõi stato là thành phần quan trọng trong động cơ điện, được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại theo hình trụ rỗng, bên trong có các rãnh để lắp đặt cuộn dây stato Dây quấn được quấn thành từng mô bin, với các cạnh của mô bin được đặt vào các rãnh của lõi thép stato Các mô bin này được cách điện với nhau và cũng cách điện với vỏ, đảm bảo hiệu suất hoạt động và an toàn cho thiết bị.
- Roto gồm có: Nếu phần quay là phần cảm thì nó gồm: lõi và dây quấn rôto có 2 loại: cực lồi và cực ẩn
Cực lồi là loại dây quấn được quấn quanh cực từ, thường thấy ở các máy điện lớn Trên cực còn có rãnh để lắp cuộn khởi động, giúp máy hoạt động hiệu quả Loại máy này thường có tốc độ quay thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Loại cực ẩn là một thiết kế trong đó người ta rãnh ở 2/3 chu vi của rôto Rôto của loại này thường được chế tạo từ thép chất lượng cao, nhằm đảm bảo khả năng chịu lực li tâm khi hoạt động ở tốc độ lớn.
2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ
Trong máy điện đồng bộ, cực từ thường nằm ở rôto, trong khi dây quấn phần ứng được bố trí trên stato với ba cuộn dây lệch nhau 120 độ điện, có thể đấu theo hình sao (Y) hoặc tam giác (Δ) Máy điện đồng bộ có khả năng hoạt động linh hoạt, vừa có thể làm máy phát vừa có thể làm động cơ điện Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức và cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn kích thích, rôto trở thành nam châm điện, tạo ra từ trường quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato, từ đó cảm ứng ra sức điện động xoay chiều.
Khi dây quấn phần ứng của máy được kết nối với tải bên ngoài, dòng điện ba pha đối xứng sẽ lệch nhau 120 độ về thời gian Sự chênh lệch này trong các dây quấn ba pha sẽ tạo ra một từ trường quay trong không gian với góc lệch 120 độ.
2.1.4 Phân loại máy điện đồng bộ
- Theo chức năng người ta phân thành:
Máy phát, động cơ, máy bù đồng bộ
Máy đồng bộ một pha, máy đồng bộ 3 pha
Máy đồng bộ công suất nhỏ, máy đồng bộ công suất trung bình, máy đồng bộ công suất lớn
Máy đồng bộ cực lồi, máy đồng bộ cức ẩn.
Động cơ điện đồng bộ
Các động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là động cơ không đồng bộ, thường được ưa chuộng trong sản xuất nhờ vào cấu tạo đơn giản, độ bền cao, dễ bảo trì và chi phí thấp Gần đây, động cơ điện đồng bộ cũng ngày càng được sử dụng phổ biến và có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện Động cơ đồng bộ có ưu điểm vượt trội, hoạt động với hệ số công suất cosφ = 1, không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, giúp nâng cao hệ số công suất của lưới, giảm điện áp rơi và tổn hao công suất Ngoài ra, động cơ đồng bộ ít bị ảnh hưởng bởi biến động điện áp lưới, trong khi mô men của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp.
Động cơ đồng bộ có nhược điểm là cấu tạo phức tạp và cần nguồn kích từ, dẫn đến quy trình khởi động khó khăn Bên cạnh đó, việc điều chỉnh tốc độ chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện.
2.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha
Khi cho dòng điện ba pha ia, ib, ic vào dây quấn ba pha của stato, một từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p sẽ được sinh ra Từ trường này có thể hình dung như một nam châm với hai cực đang quay Đồng thời, khi cung cấp dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto sẽ trở thành một nam châm điện Sự tương tác giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra lực tác dụng lên rôto.
Vì từ trường quay stato quay với tốc độ n1 nên lực tác dụng ấy kéo rôto quay với tốc độ n = n1
2.2.2 Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ
Khởi động bằng máy lai là phương pháp sử dụng máy lai để quay động cơ đồng bộ đến tốc độ n = n1, sau đó thực hiện hòa đồng bộ để đưa động cơ vào lưới điện Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là cần một máy lai từ bên ngoài và không thể khởi động khi có tải, do đó ít được áp dụng trong thực tế.
Khởi động động cơ đồng bộ bằng cách thay đổi tần số f là một quy trình quan trọng Đầu tiên, cần sử dụng một máy phát đồng bộ riêng để cung cấp điện cho động cơ Tiếp theo, tăng dần tốc độ của động cơ và máy phát đồng bộ Khi tần số f tăng, tốc độ động cơ cũng sẽ tăng theo Cuối cùng, khi động cơ đạt đến tốc độ đồng bộ, ta sẽ kết nối động cơ vào lưới và ngắt máy phát ra.
Khởi động động cơ bằng phương pháp dị bộ là phương pháp phổ biến nhất Để chế tạo động cơ đồng bộ, người ta cần thêm một cuộn dây ngắn mạch trên mặt cực rôto, tương tự như cuộn dây lồng sóc ở động cơ dị bộ Các thanh dẫn bằng đồng thau được sử dụng để tạo ra điện trở tác dụng lớn Khi cấp điện 3 pha vào cuộn stato mà chưa cấp dòng kích từ vào rôto, động cơ sẽ được khởi động Khi tốc độ đạt đến n = n1 (tốc độ đồng bộ), dòng kích từ sẽ được đưa vào cuộn kích từ, từ đó làm tăng dòng kích từ và tạo ra mômen đồng bộ, giúp rôto đạt tốc độ động cơ.
2.2.3 Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha
Do tính chất phức tạp của mô hình toán học động cơ đồng bộ 3 pha trên hệ tọa độ cố định a,b,c, người ta đã chuyển đổi sang hệ trục tọa độ vuông góc dq Hệ tọa độ dq này quay cùng với rôto và từ trường quay, giúp đơn giản hóa quá trình phân tích và điều khiển động cơ.
Trong mô hình toán học của máy điện đồng bộ, các hệ số là cố định và các đại lượng được coi là một chiều, điều này giúp việc mô phỏng trên máy tính trở nên đơn giản Khi cần khảo sát với đại lượng thực, ta thực hiện việc chuyển đổi từ hệ trục quay về hệ trục cố định Để mô tả quá trình này, một hệ tọa độ dq được xây dựng.
Hình 2.2: Sơ đồ Véc-tơ chuyển đổi sang hệ dq
2.2.3.1 Biến đổi hệ tọa độ
Trong quá trình mô phỏng, đầu vào thường là điện áp, trong khi đầu ra bao gồm dòng điện, tốc độ và mô men Các yếu tố chính bao gồm điện áp 3 pha a, b, c, điện áp kích thích và mô men Để thực hiện việc biến đổi điện áp a, b, c về hệ trục dq gắn với rôto, cần áp dụng các phương pháp biến đổi tương ứng.
Tạo điện áp trên trục dq cố định:
Tạo điện áp trên trục dq gắn với rôto:
2.2.3.2 Các phương trình trong hệ tọa độ dq
- Phương trình mạch stator trên hệ dq: d d d d s s s s s s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R i L di L i dt u R i L di L i dt
Trên hệ tọa độ từ thông rôto (tọa độ dq), có thể thiết lập các mối quan hệ đơn giản giữa mômen quay, từ thông và các thành phần của vector dòng stator.
2.2.3.3 Phương trình tính điện áp MTu
Với các tín hiệu đầu vào yd, yq của khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) đưa tới, điện áp ra usd, usq được tính theo công thức sau: d d
1 d s s d s sq sq d sq s q s sd s p s u R y L y sT u R y L y sT
Để đảm bảo sự đồng nhất giữa các đại lượng đầu vào của MTu là yd và yq với các dòng isd và isq sau thời gian trễ Tsd và Tsq, các đại lượng này cần phải thỏa mãn phương trình cụ thể.
Lsd: Hệ số tự cảm stator theo trục d
Lsq: Điện cảm stator theo trục q Rs: Trở kháng Stator
Tsd: Hằng số thời gian của động cơ theo trục d: T s d L s d / R s
Tsq: Hằng số thời gian của động cơ theo trục q: T sq L sq / R s
Mô hình hai động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu nối cứng trục
Dựa vào các phương trình (2.7), (2.8) và (2.9), chúng ta có thể xây dựng các phương trình toán học mô tả động lực học của mô hình hai động cơ không đồng bộ, sử dụng kích từ nam châm vĩnh cửu, hoạt động song song với trục nối cứng.
2.3.1 Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 01
- Phương trình mạch Stator trên hệ dq của ĐCĐB 01: d1 d1 1 d1 d1 1 1
1 1 1 1 1 1 s s s s s s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R i L di L i dt u R i L di L i dt
- Phương trình tính điện áp Mtu ĐCĐB 01
1 d s s d s sq sq d sq s q s sd s p s u R y L y sT u R y L y sT
2.3.2 Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 02
- Phương trình mạch Stator trên hệ dq của ĐCĐB 02: d2 d2 2 d2 d2 2 2
2 2 2 2 2 2 s s s s s s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R i L di L i dt u R i L di L i dt
- Phương trình tính điện áp Mtu ĐCĐB 02
1 d s s d s sq sq d sq s q s sd s p s u R y L y sT u R y L y sT
2.3.3 Phương trình mô men khi hai động cơ chung tải
Mối quan hệ giữa mômen quay, từ thông và các thành phần của vector dòng stator trong động cơ 01 có thể được biểu diễn trên hệ tọa độ từ thông rôto (tọa độ dq) Mômen quay phụ thuộc vào từ thông và dòng điện trong stator, tạo ra lực điện từ cần thiết cho hoạt động của động cơ Sự tương tác giữa các yếu tố này là cơ sở cho việc điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của động cơ điện.
Mối quan hệ giữa mômen quay, từ thông và các thành phần của vector dòng stator trong động cơ 02 có thể được phân tích trên hệ tọa độ từ thông rôto (tọa độ dq) Mômen quay phụ thuộc vào từ thông và dòng điện trong stator, trong khi các thành phần của vector dòng stator ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông trong rôto, tạo thành một hệ thống tương tác chặt chẽ Sự hiểu biết về mối liên hệ này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Kết luận: Chúng ta đã hoàn thành việc xây dựng các phương trình toán học mô tả hệ truyền động sử dụng động cơ xoay chiều Tiếp theo, trong chương 3, chúng ta sẽ giới thiệu về hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS.
19
Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình mẫu, hay còn gọi là MRAC (Model Reference Adaptive Controllers) hoặc MRAS (Model Reference Adaptive Systems), chủ yếu được áp dụng trong điều khiển thích nghi trực tiếp Triết lý cốt lõi của MRAC là sử dụng một mô hình toán học, hay mô hình mẫu, để xác định đặc trưng mong muốn của hệ thống.
Khi hành vi của đối tượng không khớp với hành vi lý tưởng từ mô hình mẫu, có hai phương pháp để điều chỉnh: một là điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển, và hai là tạo ra tín hiệu bổ sung đầu vào cho đối tượng.
Hệ thống điều khiển thích nghi tín hiệu có thể được chuyển hóa thành một bài toán tối ưu hóa, cụ thể là tối thiểu hóa tiêu chuẩn.
Để giảm thiểu sai lệch giữa tín hiệu đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu, tất cả các biến trạng thái của cả hai được đưa vào tính toán Nếu ký hiệu biến trạng thái của đối tượng là xP và của mô hình mẫu là xm, thì véc tơ sai lệch e được định nghĩa là e = xm - xP.
Trong trường hợp này, bài toán tối ưu hoá có thể được chuyển thành tối thiểu hoá tiêu chuẩn:
Trong đó P là một ma trận xác định dương
Việc lựa chọn giữa thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng Hệ thống thích nghi tham số có khả năng nhớ, cho phép điều chỉnh các tham số cho đến khi chúng đạt giá trị tối ưu, từ đó không cần vòng lặp thích nghi nữa Ngược lại, hệ thống thích nghi tín hiệu không có khái niệm nhớ, dẫn đến việc vòng lặp thích nghi vẫn cần thiết để tạo ra tín hiệu đầu vào phù hợp Do đó, các hệ thống thích nghi tín hiệu phải phản ứng nhanh hơn với các thay đổi động học so với hệ thống thích nghi tham số, vì chúng không sử dụng thông tin từ quá khứ Trong các hệ thống có thông số thay đổi liên tục, tính chất nhớ có thể mang lại lợi ích, nhưng trong môi trường ngẫu nhiên với nhiều nhiễu, điều này có thể gây bất lợi do gây ra nhiễu trong đầu vào của đối tượng.
Hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp, như hình 3.3, hoạt động hiệu quả hơn khi các tham số của đối tượng thay đổi chậm nhờ vào khả năng ghi nhớ Hiện nay, một số thuật toán thích nghi đã được phát triển, kết hợp những ưu điểm của cả hai phương pháp Bài viết này sẽ chủ yếu tập trung vào các hệ thống thích nghi tham số, đồng thời cũng đề cập đến việc kết hợp giữa thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu.
Phép nhân trong bộ điều khiển thích nghi luôn dẫn đến hệ thống phi tuyến, cho thấy rằng điều khiển thích nghi có tính chất phản hồi phi tuyến rõ rệt.
Hệ thống điều khiển phản hồi cơ bản hoạt động như một hệ thống điều khiển sơ cấp, phản ứng nhanh và chính xác với nhiễu thông thường Đối với những biến thiên lớn trong các tham số của đối tượng hoặc tác động của nhiễu mạnh, hệ thống điều khiển thích nghi sẽ đảm nhận vai trò xử lý, mặc dù phản ứng của nó chậm hơn.
Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT
Trong lĩnh vực điều khiển nâng cao, nhiều phương pháp đã được áp dụng để thiết kế hệ thống thích nghi Tuy nhiên, để có cái nhìn sâu sắc hơn, chúng ta cần tự tìm ra các thuật toán cho mình, từ đó hiểu rõ hơn về quy trình hoạt động Do đó, thay vì xem xét các hàm toán học phức tạp, chúng ta sẽ tập trung vào các ý tưởng cơ bản của MRAS thông qua một ví dụ đơn giản Khi thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống này, chúng ta sẽ gặp những vấn đề cần lý thuyết cơ bản hơn, từ đó làm rõ những tính chất chung và sự khác biệt giữa các phương pháp thiết kế Hình 3.4 minh họa sơ đồ khối cho hệ thống sẽ được sử dụng làm ví dụ xuyên suốt chương này.
Hình 3.4: Mô hình đối tượng điều khiển và mô hình mẫu
Việc sử dụng tham số Ka và Kb để "điều khiển" không phản ánh một bộ điều khiển thực tế Trong phần này, chúng ta giả định rằng các thông số của đối tượng có thể được điều chỉnh trực tiếp.
Trong ví dụ này, đối tượng (tuyến tính) được mô tả bằng hàm truyền: bp s + a s + 1 2 p
Và mô hình mẫu được mô tả bởi: bm s + a s +1 2 m hoặc
Sự điều chỉnh tham số ap thông qua việc hiệu chỉnh Ka và tham số bp bằng cách điều chỉnh Kb là cần thiết để bù đắp cho sự biến đổi Điều này được thực hiện dựa trên hàm truyền của hệ thống cùng với bộ điều khiển.
Mô hình tham chiếu (tuyến tính) đã có bậc giống với đối tượng Giá trị tính toán sau được lựa chọn: ω =1; = 0.8; a =1.6; b = 0.5 n p p
Trong trường hợp chỉ sử dụng điều khiển thích nghi trực tiếp (DC - Direct Control), hệ số khuếch đại của đối tượng và mô hình mẫu sẽ khác nhau gấp hai lần Sự khác biệt này có thể được nhận thấy qua các đáp ứng bước nhảy đơn vị của hệ thống.
Để đạt được hai đáp ứng giống nhau, cần hiệu chỉnh các tham số Kb, với sai lệch e được xác định là ym – yp Rõ ràng, Kb nên được điều chỉnh tăng lên để cải thiện kết quả Một lựa chọn hợp lý cho việc điều chỉnh Kb là
Hình 3.5: Sự thay đổi tham số bq dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra
Hình 3.6: 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
Hệ số thích nghi β cho phép điều chỉnh tốc độ chỉnh định, với các chức năng nhớ yêu cầu thực hiện qua tích phân, đồng thời đảm bảo hằng số khác nhau giữa (Kb + bp) và bm, với sai lệch e hội tụ về 0 Luật “thích nghi” này, khi β = 0,5, cho kết quả được trình bày trong Hình 3.6.
Hình 3.7: Bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT theo tham số Kb
Hình 3.8: Đáp ứng đầu ra của đối tượng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT
Hình 3.9: Sai lệch đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu
Mặc dù hệ số thích nghi Kb theo luật MIT cho thấy kết quả tốt, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề Khi tín hiệu đầu vào u bị đảo dấu, việc điều chỉnh Kb sẽ sai hướng do e mang dấu âm, dẫn đến sự không ổn định của hệ thống Giải pháp cho vấn đề này rất đơn giản: bằng cách đưa dấu của tín hiệu vào vào tính toán, như nhân e và u, việc điều chỉnh thông số sẽ phù hợp hơn với Hình 3.7 Luật điều chỉnh này được gọi là luật MIT.
Một vấn đề quan trọng là không chỉ cần bù đắp cho biến đổi tham số bp mà còn cả tham số ap Việc hiệu chỉnh tham số Kb có thể dẫn đến quy luật điều chỉnh cho tham số Ka, dựa vào tín hiệu e và hàm dấu của u Tuy nhiên, điều này có thể tạo ra những quy luật điều chỉnh tương tự cho từng tham số Do đó, việc điều chỉnh trực tiếp các tham số không chỉ quan trọng mà còn cần xem xét lượng điều chỉnh của từng tham số và mối quan hệ với các tham số khác.
Tốc độ động của việc chỉnh định được xác định qua việc điều chỉnh từng tham số, và hiệu quả của các điều chỉnh này sẽ quyết định mức độ giảm sai lệch Do đó, các quy tắc chỉnh định cần được thiết lập dựa trên nguyên tắc này.
Tham số Kb được điều chỉnh khi tín hiệu u chịu ảnh hưởng lớn từ Kb, trong khi tham số Ka được điều chỉnh khi tín hiệu x2 chịu ảnh hưởng lớn từ Ka Kết quả mô phỏng, như thể hiện trong Hình 3.11, cho thấy các tham số hội tụ đến giá trị chính xác 0.5 và 0.6, dẫn đến sự tương đồng giữa đáp ứng của đối tượng và mô hình mẫu Tốc độ thích nghi được chọn là α = 2 và β = 0.5.
Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb
Hình 3.12: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tượng và mô hình mẫu
Khi tốc độ thích nghi tăng lên, hệ thống bắt đầu trở nên mất ổn định Kết quả mô phỏng với các hệ số thích nghi α = 4 và β = 2, như thể hiện trong hình 3.14, đã xác nhận điều này.
Hình 3.14: Khi thay đổi hệ số thích nghi
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi tuyến tính dựa vào phương pháp ổn định Lyapunov
Thiết kế hệ thích nghi dựa trên lý thuyết ổn định bắt nguồn từ những thách thức liên quan đến việc chứng minh ổn định thông qua phương pháp độ nhạy Phương pháp thứ hai của Lyapunov là phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực này Các phương pháp liên quan khác cũng dựa trên lý thuyết ổn định, và cả hai phương pháp đều mang lại kết quả tương tự, do đó không có sự khác biệt rõ ràng về kết quả thuật toán.
Sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov để thiết kế hệ thống thích nghi đã được Park giới thiệu vào năm 1966 Luật thích nghi được thực hiện một cách hiệu quả nhất khi cả đối tượng và mô hình mẫu được mô tả dưới dạng mô hình không gian trạng thái Đối tượng được biểu diễn lại bằng phương trình: \( p p p p x = A x + B u; A p = A p' + K a; B p = B' p + K b \).
Ma trân A ' p và B p ' là các thông số đối tượng đang thay đổi, được điều chỉnh thông qua các thông số Ka và Kb Mô hình mẫu được diễn đạt dưới dạng không gian trạng thái với phương trình: m m m m x A x B u (3.9) Để xác định sai số, ta trừ (3.7) cho (3.6) và định nghĩa e là: e x m x p.
Với: A A m A p và B B m B p Điều chỉnh A và B đòi hỏi phải có luật thích nghi như với điều chỉnh
Ka và Kb là các yếu tố quan trọng trong phương trình vi phân sai lệch e (3.8), cho thấy tính phi tuyến của nó Để đảm bảo rằng e tiến tới 0 khi t tiến tới vô cực, hệ thống cần phải ổn định Theo lý thuyết ổn định Lyapunov, điều này có thể đạt được bằng cách tìm một hàm vô hướng V(e) có các tính chất nhất định.
V e xác định dương (V > 0 với e 0, V= 0 khi e = 0)
Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp dựa vào phương pháp ổn định Lyapunov
Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp được thiết kế dựa trên mô hình của đối tượng điều khiển, trong đó tất cả các tham số của mô hình là biến để thích nghi Các trạng thái và tham số của mô hình mẫu sẽ hội tụ tiệm cận với các trạng thái và tham số của đối tượng điều khiển Việc ước tính các tham số trong mô hình gián tiếp dẫn đến sự thích nghi của các tham số trong bộ điều khiển Cụ thể, cơ chế thích nghi trong hệ thống này làm thay đổi hiệu suất hệ thống thông qua việc điều chỉnh các tham số của mô hình mẫu, từ đó ảnh hưởng đến sự thích nghi của các tham số trong bộ điều khiển.
Hệ thống thích nghi gián tiếp cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc cải thiện chất lượng điều khiển, đặc biệt trong môi trường có nhiễu đo lường và biến đổi tham số của đối tượng.
Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp được thiết kế thông qua hai quá trình chính Quá trình đầu tiên là xác định luật thích nghi cho các biến thay đổi của mô hình mẫu Tiếp theo, quá trình thứ hai liên quan đến việc thiết kế bộ điều khiển PD thích nghi dựa trên các tham số đã xác định.
3.3.1 Xác định cấu trúc của đối tượng và mô hình mẫu
Mọi hệ thống đều có thể được diễn tả thông qua phương trình vi phân, hàm truyền hoặc mô hình không gian trạng thái Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào đối tượng bậc 2 được biểu diễn dưới dạng phương trình vi phân.
Ta có thể viết dưới dạng không gian trạng thái như sau:
Dựa vào cấu trúc của đối tượng điều khiển từ đó ta nhận dạng mô hình mẫu như sau:
Mô hình mẫu biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái:
3.3.2 Xác định phương trình sai số p m e x x (3.28) p m dx dx de dt dt dt
P là một ma trận đối xứng xác định dương; E là ma trận đường chéo với các phần tử dương đóng vai trò xác định tốc độ thích nghi
3.3.4 Xác định điều kiện để đạo hàm V e ( ) xác định âm
Từ phương trình Lyapunov (3.35) đã chọn ta có:
Pe e P E E dt dt dt dt dt
T T o T T p p dV e d e PA A P e Pe E dt dt
(3.36) Đặt PA p T A P p Q Trong đó Q xác định dương
2 dV e e Qe T o T T Pe E d dt dt
Nếu ma trận thuộc một hệ ổn định, nó sẽ tuân theo thuyết Malkin, trong đó Q và P là hai ma trận xác định dương Điều này có nghĩa là hệ thống sẽ duy trì tính ổn định và đảm bảo các đặc tính cần thiết cho sự phát triển bền vững.
2 dV e e Qe T dt (3.38) Điều đó dẫn tới luật điều chỉnh sau:
T Pe E dt dt d dbm dt dt
3.3.5 Tìm tham số biểu thức của tham số a m ,b m
Giải phương trình (3.39) ta có thể đạt được biểu thức tham a m , b m d 0
E Pe E Pe dt dt e uc p p e
(3.41) Biểu thức tham số a m , b m thay đổi như sau:
Các thành phần của ma trận P được tính toán từ nghiệm của phương trình Lyapunov, trong đó ma trận Q là xác định dương và có thể được chọn tùy ý Đối với các đối tượng thay đổi chậm, ta có thể áp dụng các nguyên lý liên quan để phân tích và tối ưu hóa hệ thống.
Giải phương trình trên ta thu được tham số thích nghi sau:
3.3.7 Thiết kế bộ điều khiển PD thích nghi Đối tượng điều khiển bậc 2 được điều khiển với bộ điều khiển PD Các tham số của bộ điều khiển này là Kp và Kd Sự thay đổi trong các tham số của đối tượng b p và a p có thể được bù bằng việc thay đổi Kp và Kd Tiếp đến ta xây dựng luật thích nghi cho tham số của bộ điều khiển PD.Phương pháp cân bằng mô hình được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển thích nghi PD Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, chất lượng điều khiển tốt
Hệ thống phản hồi của đối tượng bậc 2 được mô tả dưới dạng hàm truyền:
Chất lượng mong muốn của hệ thống được mô tả bởi hàm truyền sau:
o là một tần số đặc trưng
là hệ số suy giảm
Hình 3.15: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp Đối với mô hình mẫu xét trên miền thời gian liên tục được mô tả bởi hàm truyền (3.43):
Với hàm tối ưu được xác định như sau:
Từ phương (3.44) và (3.45) ta có hệ phương trình sau:
Thì ta có các tham số thích nghi của bộ điều khiển như sau:
Dựa trên các tham số hiệu chỉnh của mô hình mẫu (3.42) và các tham số thích nghi của bộ điều khiển (3.47), chúng tôi đã tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink 2010, như thể hiện trong hình 3.16.
Hình 3.16: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiến trên Matlab/Simulink
Ta thu được kết quả mô phỏng sau:
Hình 3.17: Đáp ứng của đối tượng, mô hình mẫu với tham số của đối tượng thay đổi
Nhiễu hệ thống và nhiễu đo lường là những yếu tố không thể tránh khỏi trong thực tế, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Do đó, trong quá trình mô phỏng trên Matlab, việc thêm nhiễu vào mô hình là cần thiết để kiểm tra và đánh giá chất lượng của bộ điều khiển.
Hình 3.18 minh họa sự đáp ứng của các tham số điều chỉnh mô hình mẫu và các tham số thích nghi như am, b, Kp, Kd khi có sự thay đổi trong các tham số của mô hình đối tượng.
Kết luận, chúng ta đã trình bày hai phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu về thiết kế điều khiển và mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink.
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG
Thiết kế và mô phỏng cho động cơ một chiều
Hệ thống gồm 2 mạch vòng điều chỉnh:
- Mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài ta sử dụng bộ điều khiển
PID dùng chung cho cả 2 động cơ
Mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong được thiết kế với bộ điều khiển PI cho động cơ đầu tiên và bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS cho động cơ thứ hai.
Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển
4.1.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1
Hình 4.2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trong đó, phần ứng động cơ có hàm truyền:
R Hằng số thời gian điện từ động cơ
Bộ biến đổi chỉnh lưu có hàm truyền:
K B : hệ số khuếch đại điện áp của bộ biến đổi
T B : thời gian trễ của bộ biến đổi
Khâu phản hồi dòng điện có hàm truyền:
Hệ số phản hồi dòng:
Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng: T i
Hàm truyền hở của hệ khi chưa có bộ điều chỉnh xấp xỉ là:
Vậy hàm truyền của hệ hở:
Bộ điều khiển có dạng tỷ lệ - tích phân PI:
Hàm truyền hở của hệ khi có bộ điều khiển là:
Để giảm bậc, ta chọn: T 1 = T u = 0.025
Hàm truyền của hệ kín là :
Sau quá trình biến đổi và thay số ta được hàm truyền của hệ kín là:
Sơ đồ mô phỏng bộ điều chỉnh dòng điện động cơ 1 theo phương pháp tối ưu độ lớn trên Matlab/Simulink:
Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 Đáp ứng đầu ra của hệ thống với tín hiệu đặt là xung step:
Hình 4.4: Đáp ứng dòng điện 1
4.1.2 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện động cơ 2 dùng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS
Hàm truyền hở của mạch vòng dòng điện 2 khi chưa có bộ điều khiển:
Sau quá trình biến đổi và thay các thông số cuối cùng ta được luật chỉnh định cho các tham số k1, k2, kF như sau:
Chọn các thông số cơ bản và mô phỏng bộ điều khiển thích nghi như hình vẽ:
Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2
Hình 4.6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu
Hình 4.7: Các tham số của bộ điều khiển
Sau khoảng 2 giây, sai lệch giữa hai dòng điện giảm xuống gần bằng 0, cho thấy dòng điện của động cơ 2 đã bám sát dòng điện của động cơ 1 Các tham số của bộ điều khiển k1, k2 và kF cũng dần hội tụ về một giá trị ổn định.
4.1.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Ta có sơ đồ cấu trúc của mạch vòng tốc độ như sau:
Hình 4.8: Cấu trúc mạch vòng tốc độ Hàm truyền hở của hệ khi chưa có bộ điều chỉnh là:
Bộ điều khiển tốc độ có dạng tỷ lệ - tích phân PI:
Hàm truyền kín của hệ khi có bộ điều chỉnh tốc độ là:
Thay các hệ số vào phương trình và biến đổi ta được hàm truyền cuối cùng như sau:
Ta có cơ đồ mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink như sau:
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ Đáp ứng của hệ thống với tín hiệu đặt bước nhảy:
Hình 4.10: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ Nhận xét:
Bộ điều chỉnh PI mang lại hiệu suất đầu ra tối ưu với sai lệch tĩnh gần như bằng 0, thời gian đáp ứng nhanh chóng chỉ trong 1 giây và độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép.
Ta sử dụng bộ điều chỉnh PI này để điều chỉnh tốc độ chung cho 02 động cơ một chiều bám theo tốc độ đặt s
Kết quả từ mô phỏng cho thấy bộ điều khiển thích nghi cho mạch vòng dòng điện động cơ 2 và bộ điều khiển PI cho 2 động cơ đã đáp ứng các tiêu chí chất lượng điều khiển của hệ thống nối cứng trục 2 động cơ 1 chiều Để khám phá khả năng ứng dụng đa dạng của bộ điều khiển thích nghi, luận văn sẽ tiếp tục ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu nhằm thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng tải nối cứng trục 2 động cơ xoay chiều, chung tải.
Thiết kế và mô phỏng cho động cơ xoay chiều
4.2.1 Xây dựng đối tượng trên Matlab/Simulink
Phương pháp điều khiển dựa trên từ thông rôto là việc điều chỉnh chính xác hai thành phần dòng điện isd và isq để tạo ra mô men và từ thông Cơ chế này mang lại khả năng truyền động hiệu quả cho động cơ đồng bộ ba pha, với các tính năng tương đương hoặc thậm chí vượt trội hơn so với hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện một chiều.
Từ phương trình (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) mô hình chuyển đổi từ Uabc sang
Udq được thực hiện trên Matlab như (Hình 4.11)
Để đảm bảo rằng các đại lượng đầu vào của MTu là yd và yq phù hợp với các dòng isd và isq sau thời gian trễ Tsd và Tsq, cần phải thỏa mãn phương trình 2.8 Mối liên hệ giữa các đại lượng này được minh họa trong Hình 4-12.
Hình 4-12: Sơ đồ mối liên hệ giữa y d, y q với i sd , i sq
Mô hình động lực học của động cơ 3 pha với đầu vào là Usd và Usq được xây dựng thông qua các khối trong Matlab/Simulink, như thể hiện trong Hình 4.13.
Hình 4.13: Mô hình chi tiết động cơ ĐB3P
Mô hình động cơ đồng bộ 3 pha được xây dựng từ các phương trình 2.15, 2.16 và 2.17, với đầu vào là yd và yq, và đầu ra gồm dòng isd, isq, tốc độ và mô men, như thể hiện trong hình 4.14.
Hình 4.14: Mô hình động cơ đồng bộ 3 pha Tương tự ta có mô hình 2 động cơ đồng bộ 3 pha nối cứng trục được thực hiện như hình 4.15
Hình 4.15: Mô hình 2 động cơ ĐB3P nối cứng trục
4.2.2.1 Xây dựng bộ điều khiển PID theo phương pháp Zigler – Nichol
Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật thực nghiệm nhằm xác định các tham số cho bộ điều khiển P, PI, hoặc PID dựa trên đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đã phát triển hai phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển.
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất:
Phương pháp này được áp dụng cho những đối tượng có phản ứng với tín hiệu vào theo hàm nấc dạng chữ S, như nhiệt độ lò nhiệt và tốc độ động cơ.
Hình 4.16: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:
Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất Thông số
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:
Phương pháp này được áp dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, chẳng hạn như mực chất lỏng trong bồn chứa hoặc vị trí hệ truyền động sử dụng động cơ Nó đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng khi giá trị tăng đến vô cùng Cách thực hiện phương pháp này như sau:
Để xác định hằng số khuếch đại tới hạn, cần thay thế bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại Sau đó, tăng hệ số khuếch đại lên giá trị tới hạn kth, nhằm đảm bảo hệ kín hoạt động ở chế độ biên giới ổn định, với h(t) có dạng dao động điều hòa.
Xác định chu kỳ Tth của dao động
Hình 4.18: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th
Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng 4.2
Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2
PID 0,6k th 0,5T th 0,125T th a) Bộ điều khiển PI điều chỉnh dòng điện động cơ ĐB3P
Trước khi thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho động cơ thứ hai, chúng ta cần xây dựng bộ điều khiển PID cho cả hai động cơ Thuật toán thiết kế bộ điều khiển PID trong luận văn này dựa trên phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols.
Bộ điều khiển PI cho dòng ĐCĐB 3 pha có thể được tính toán cho hai động cơ giống nhau, do đó chỉ cần thực hiện tính toán cho động cơ thứ nhất, từ đó áp dụng tương tự cho động cơ thứ hai.
Hình 4.20: Cấu trúc bộ điều khiển PI chỉnh dòng đối với mô hình 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục
Các thông số của bộ điều khiển PI cho dòng Isd và Isq được tính toán theo phương pháp Ziegler – Nichols Để duy trì tốc độ ổn định cho động cơ đồng bộ 3 pha khi có sự thay đổi tải trong quá trình hoạt động, mạch điều chỉnh tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID Sơ đồ hệ thống ổn định tốc độ của động cơ đồng bộ 3 pha được thể hiện trong Hình 4-21.
Hình 4.21: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ 01 ĐCĐB 3 pha
Mạch vòng ổn định tốc độ quay của động cơ, bên cạnh bộ điều khiển PID thì còn bao gồm cả phần khởi động mềm và hạn dòng
Tương tự ta có sơ đồ mô phỏng mạch vòng ổn định tốc độ tương ứng với mô hình 2 động cơ nối cứng trục như (Hình 4-22)
Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ với hai ĐCĐB ba pha nối cứng trục được trình bày trong Hình 4.22 Các thông số của bộ ổn định tốc độ được xác định theo phương pháp Ziegler – Nichols Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của hệ thống trong việc duy trì tốc độ ổn định.
Bảng 4.3:Thông số kỹ thuật của động cơ
Công suất định mức 4,5KW Điện áp pha định mức 220V
Tần số lưới điện 50Hz Điện trở cuộn dây stator Điện cảm dọc trục Điện cảm ngang trục
Tốc độ đặt của động cơ là ω* = 400 rad/s Sau khi khởi động không tải trong 0,05 giây, động cơ sẽ được tải với mô men xoắn mT = 20 Nm Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất hoạt động của động cơ trong điều kiện này.
Hình 4.23: Đặc tính dòng Isq của động cơ 01 và 02 trên hệ tọa độ dq khi sử dụng bộ điều khiển PID
- Thông số các bộ điều khiển dòng được tìm ra dựa theo phương pháp Ziegler Nichols như sau:
Bộ PIsd1 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isd1 có hàm truyền:
Bộ PIsq1 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isq1 có hàm truyền:
Bộ PIsd2 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isd2 có hàm truyền:
Bộ PIsq2 hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện isq2 có hàm truyền:
- Thông số bộ điều khiển ổn định tốc độ:
Hình 4.24: Sai lệch giữa dòng Isq1 của ĐC01 với Isq2 của ĐC02 khi sử dụng bộ điều khiển PID
- Khi hệ thống làm việc ổn định tốc độ động cơ luôn bám theo giá trị đặt, như vậy sai lệch tĩnh của hệ thống gần như bằng không
Khi động cơ hoạt động dưới tải tại thời điểm 0,05 giây, tốc độ của động cơ giảm xuống nhưng nhanh chóng ổn định trở lại mức tốc độ đã được thiết lập.
- Dòng điện khởi động nằm trong phạm vi cho phép
Trong thực tế, hai động cơ không hoàn toàn giống nhau, dẫn đến giả thiết rằng tham số Rs của chúng khác nhau Điều này được thể hiện qua dòng điện Isq1 và Isq2 không hoàn toàn bám sát nhau, như minh họa trong Hình 4.23 và Hình 4.24.
4.2.2.2 Bộ điều khiển PI thích nghi điều chỉnh dòng điện
Kết luận chương 4
Qua các kết quả mô phỏng (Hình 4.26; 4.27; 4.28, và 4.29) ta thấy rằng:
- Tín hiệu dòng điện đầu ra theo hệ dq của động cơ 02 bám theo tín hiệu dòng điện đầu ra của động cơ 01 (mô hình mẫu)
- Tốc độ đầu ra luôn bám theo lượng đặt ngay trong điều kiện tải thay đổi (tải thay đổi lên 20N.m ở thời điểm 0.051s)
Các hệ số thích nghi của bộ điều khiển PI cho dòng điện isd2 và isq2 có khả năng hội tụ nhanh chóng, điều này không chỉ đảm bảo sự ổn định của hệ thống mà còn nâng cao chất lượng điều khiển.
Các yếu tố này giúp ngăn ngừa tình trạng một động cơ hoạt động quá tải trong khi động cơ khác lại không tải Hơn nữa, điều này cũng tránh được tình huống xấu hơn, khi một động cơ không chỉ phải gánh toàn bộ tải mà còn phải kéo cả động cơ còn lại.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết quả chính đã đạt được:
Luận văn này đề xuất giải pháp kết hợp nhiều động cơ nối cứng trục để tạo ra công suất lớn theo yêu cầu, đồng thời cho phép mỗi động cơ đóng góp công suất riêng Ý tưởng chính là sử dụng dòng của một động cơ làm dòng mẫu, các động cơ khác sẽ hoạt động theo dòng mẫu này với hệ số điều chỉnh có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1, từ đó phân chia tải một cách hiệu quả cho các động cơ.
Giải thuật điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu đã được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển cho dòng điện Isq của động cơ 02, với kết quả mô phỏng cho thấy đây là một giải pháp tiềm năng cần được xem xét và đánh giá nghiêm túc cho ứng dụng thực tế trong sản xuất Luận văn này đóng góp quan trọng vào việc phát triển công nghệ điều khiển động cơ.
- Xây dựng mô hình 02 động cơ xoay chiều ba pha làm việc song song nối cứng trục, mô hình hóa trên phần mềm Matlab/Simulink
Bài viết trình bày về thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa trên mô hình mẫu cho hai động cơ xoay chiều ba pha hoạt động song song, được nối cứng trục Việc áp dụng phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác trong quá trình điều khiển.
- Kiểm chứng hệ thống điều khiển đề xuất thông qua mô phỏng
Hạn chế của đề tài:
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:
- Thuật ngữ chia tải chưa được rõ khi ta sử dụng sensor dòng điện như hiện tại
Để nâng cao hiệu quả của thiết kế và mô phỏng, cần áp dụng chúng vào mô hình thử nghiệm và thực tế sản xuất Hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc giải quyết các vấn đề còn tồn tại nhằm hoàn thiện bài toán một cách toàn diện hơn.
- Tiến hành áp dụng vào mô hình trong thực tế sản xuất
Sử dụng cảm biến đo mô men trên trục động cơ sẽ giúp làm rõ hơn thuật ngữ chia tải so với việc sử dụng cảm biến dòng điện hiện tại Tuy nhiên, cảm biến đo mô men có chi phí cao và việc lắp ráp cũng phức tạp hơn.
- Áp dụng vào thực tế sản xuất với các động cơ công suất lớn
- 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.
