Luận án Nghiên cứu phát triển các giải thuật sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điều khiển động cơ xoay chiều

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LÊ HÙNG LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2016 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ...*** LÊ HÙNG LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TSKH. PHẠM THƢỢNG CÁT 2. TS. PHẠM MINH TUẤN Hà Nội – 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả đƣợc viết chung với các tác giả khác đều đƣợc sự đồng ý của đồng tác giả trƣớc khi đƣa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Hùng Linh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TSKH. Phạm Thƣợng Cát và TS. Phạm Minh Tuấn, hai thầy đã định hƣớng và tận tình hƣớng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và các đơn vị trong Nhà trƣờng đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi có thể thực hiện nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phòng Công nghệ Tự động hóa – Viện Công nghệ thông tin, các đồng nghiệp thuộc Khoa Công nghệ Tự động hóa - Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã động viên và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, các bạn đồng nghiệp - những ngƣời luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày 18 tháng 01 năm 2016 Tác giả luận án Lê Hùng Linh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................................. 5 1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 5 1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều ....................... 6 1.3 Các vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................................. 19 CHƢƠNG 2 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH ............................ 20 2.1 Mô hình động cơ xoay chiều ......................................................................... 21 2.1.1 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha.................................................. 22 2.1.2 Chuyển đổi các hệ trục tọa độ tham chiếu ............................................... 23 2.1.3 Mô hình hai pha của động cơ không đồng bộ ba pha .............................. 25 2.2 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) .............................................. 27 2.2.1 Xây dựng mô hình toán học bộ điều khiển .............................................. 28 2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ ...................................... 29 2.2.3 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng .................................................................. 32 2.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng ................................................................ 34 2.3 Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (,) ...................... 39 2.3.1 Xây dựng mô hình bộ điều khiển ............................................................. 39 2.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông rotor ........................ 44 2.3.3 Kết quả mô phỏng .................................................................................... 48 iv 2.4. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................ 52 CHƢƠNG 3 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH ............................ 54 3.1 Bài toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor của động cơ cảm ứng ......... 54 3.2 Phát triển các thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông của động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định ........................................... 56 3.2.1 Xây dựng bộ ƣớc lƣợng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và tự thích nghi ... 56 3.2.1.1 Tách thành phần chứa giá trị của  và  ........................................ 58 3.2.1.2 Xây dựng bộ ƣớc lƣợng tốc độ  và giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor  của động cơ. ...................................................................... 61 3.2.2 Xây dựng bộ tự thích nghi ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông ........................ 64 3.3 Mô hình ứng dụng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) không sử dụng cảm biến tốc độ .................................................................................................... 67 3.3.1 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.1......................................... 68 3.3.2 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.2......................................... 72 3.4 Mô hình ứng dụng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (α,β) không sử dụng cảm biến tốc độ .................................................................................................... 75 3.4.1 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.1......................................... 76 3.4.2 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.2......................................... 81 3.5 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 85 4. KẾT LUẬN ...................................................................................................... 87 4.1. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án ......................................... 87 4.2. Những đóng góp khoa học mới của luận án: ............................................. 87 4.3. Định hƣớng nghiên cứu phát triển ............................................................. 88 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ................................................. 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 90 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị tính Mô tả ωs Rad/s Tốc độ góc đồng bộ ω Rad/s Tốc độ góc của rotor ωe Rad/s Tốc độ góc trƣợt w, ,su sv si i i A Dòng vào các cuộn dây stator trên hệ trục tọa độ ba pha ,s si i  A Thành phần dọc và ngang của dòng điện stator trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) T s s si i    i A Véc tơ dòng điện stator trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) ,sd sqi i A Thành phần dọc và ngang của dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ quay (d,q) T sdq sd sqi i   i A Véc tơ dòng điện stator trên hệ trục tọa độ quay (d,q) ,u u  V Thành phần dọc và ngang của điện áp stator trên hệ trục tọa độ cố định (α,β)  , T s u u u V Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) ,sd squ u V Thành phần dọc và ngang của điện áp stator trên hệ trục tọa độ quay (d,q) T sdq sd squ u   u V Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ quay (d,q) ,r r   Wb Thành phần dọc và ngang của từ thông rotor trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) T r r r     ψ Wb Véc tơ từ thông rotor trên hệ trục tọa độ cố định (α,β) vi Ký hiệu Đơn vị tính Mô tả ,rd rq  Wb Thành phần dọc và ngang của từ thông rotor trên hệ trục tọa độ quay (d,q) T rdq rd rq    ψ Wb Véc tơ từ thông stator trên hệ trục tọa độ quay (d,q) B Nms/rad Hệ số ma sát J Nms 2 /rad Quán tính của rotor mL Nm Mô men tải mM Nm Mô men của động cơ rL H Cảm kháng của cuộn dây rotor mL H Hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn dây rotor sL H Cảm kháng của cuộn dây stator sR  Điện trở của cuộn dây stator rR  Điện trở của cuộn dây rotor  Rad Góc lệch giữa trục của rotor với trục tham chiếu α s Rad Góc lệch giữa trục của từ thông với trục tham chiếu α zp Số đôi cực s s s L T R  Hằng số thời gian stator r r r L T R  Hằng số thời gian rotor 1 rT   Giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor 3 2 m r LP K L  Hằng số mô men vii Ký hiệu Đơn vị tính Mô tả 2 1 m s r L L L    Ký hiệu m s r L L L    Ký hiệu *, ref Giá trị tham chiếu, mong muốn ͡ Giá trị đã biết ^ Giá trị ƣớc lƣợng ~ Sai lệch giữa giá trị ƣớc lƣợng và giá trị tham chiếu, mong muốn DC Một chiều AC Xoay chiều MRAS Mô hình hệ thống tham chiếu thích nghi ANN Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Network) RBF Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function Networks) NFO Tựa từ thông tự nhiên (Natural Flux Orientation) RFO Tựa từ thông rotor (Rotor Flux Oriented) SFO Tựa từ thông stator (Stator Flux Oriented) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) IRFO Điều khiển gián tiếp tựa từ thông rotor (Indirect Rotor Flux Oriented) viii Ký hiệu Đơn vị tính Mô tả DRFO Điều khiển trực tiếp tựa từ thông rotor (Direct Rotor Flux Oriented) DTC Điều khiển trực tiếp mô men (Direct Torque Control) ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số ........................ 8 Hình 1.2 Mô hình điều khiển trực tiếp tựa từ thông DRFO ..................................... 11 Hình 1.3 Mô hình điều khiển gián tiếp IRFO ........................................................... 12 Hình 1.4 Mô hình cơ bản của điều khiển trực tiếp mô men DTC ............................ 13 Hình 1.5 Mô hình điều khiển động cơ cảm ứng xoay chiều .................................... 18 Hình 2.1 Biểu diễn véc tơ dòng điện is trên hệ trục tọa độ (d,q), (α,β) và (u,v,w) [2] ................................................................................................................................... 23 Hình 2.2 Mô hình điều khiển động cơ ...................................................................... 28 Hình 2.3 Bộ điều chỉnh tốc độ rotor động cơ ........................................................... 32 Hình 2.4 Bộ điều chỉnh dòng .................................................................................... 33 Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref ........................................................... 35 Hình 2.6a mL2 thành phần tải không biết trƣớc khi khoan các lỗ vào vật liệu ......... 35 Hình 2.6b ΔmL thành phần tải không biết trƣớc phụ thuộc vào kết cấu vật liệu ...... 36 Hình 2.6c mL thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống .................................. 36 Hình 2.7 Vận tốc thực của rotor khi sử dụng mạng nơ ron ...................................... 36 Hình 2.8 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor ....... 37 Hình 2.9 Thời gian quá độ vận tốc góc khi tải với mL.............................................. 37 Hình 2.10 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor ..... 37 khi không sử dụng mạng nơ ron ................................................................................ 37 Hình 2.11 Vận tốc góc thực của rotor khi không sử dụng mạng nơ ron .................. 38 Hình 2.12 Mô hình điều khiển động cơ .................................................................... 39 Hình 2.13 Cấu trúc mạng nơ ron RBF xấp xỉ đại lƣợng f ........................................ 45 Hình 2.14 Bộ điều khiển tốc độ và từ thông rotor động cơ ...................................... 48 Hình 2.15 ΔRr thay đổi theo thời gian ...................................................................... 48 Hình 2.16 Vận tốc góc thực của rotor ...................................................................... 49 Hình 2.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor ..... 49 Hình 2.18 Thời gian quá độ vận tốc góc với tải mL .................................................. 49 Hình 2.19 Sai lệch giữa từ thông mong muốn 2 refr và từ thông thực tế 2 r ............ 50 x Hình 2.20 Thời gian quá độ giữa từ thông thực tế 2 r và từ thông mong muốn 2 refr ................................................................................................................................... 50 với tải mL ................................................................................................................... 50 Hình 2.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor khi v1=0 ........................................................................................................................... 50 Hình 2.22 Sai lệch giữa từ thông mong muốn 2 refr và từ thông thực tế 2 r khi v1=0 ................................................................................................................................... 51 Hình 3.1 Mô hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến ............................. 55 Hình 3.2 Bộ ƣớc lƣợng tốc độ, hằng số thời gian rotor ............................................ 55 Hình 3.3 Sơ đồ bộ ƣớc lƣợng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor và từ thông rotor ........................................................................................................ 57 Hình 3.4 Sơ đồ bộ ƣớc lƣợng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor và từ thông rotor ........................................................................................................ 64 Hình 3.5 Mô hình điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ .................. 68 Hình 3.6 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ............................................................... 68 Hình 3.7 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 69 Hình 3.8 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với tải mL ................... 69 Hình 3.9 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với không tải ............. 69 Hình 3.10 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 70 Hình 3.11 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 70 Hình 3.12 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 71 Hình 3.13 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ............................................................. 72 Hình 3.14 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 72 Hình 3.15 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với tải mL ................. 73 Hình 3.16 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor khi không có tải ...... 73 Hình 3.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 74 xi Hình 3.18 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 74 Hình 3.19 Mô hình điều khiển động cơ sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông . 75 Hình 3.20 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ............................................................. 76 Hình 3.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 76 Hình 3.22 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn với tải mL.......................................................................................................................... 77 Hình 3.23 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn khi không có tải ............................................................................................................... 77 Hình 3.24 Sai lệch giữa từ thông mong muốn 2 refr và từ thông ƣớc lƣợng 2ˆ r của rotor ........................................................................................................................... 77 Hình 3.25 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng 2ˆ r ổn định theo từ thông mong muốn 2 refr với tải mL .......................................................................................................... 78 Hình 3.26 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng 2 r ổn định theo từ thông mong muốn 2 refr khi không tải .................................................................................................... 78 Hình 3.27 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 79 Hình 3.28 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 79 Hình 3.29 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 80 Hình 3.30 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ............................................................. 81 Hình 3.31 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ................................................................................................................................... 81 Hình 3.32 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn .... 82 Hình 3.33 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn khi không tải ...............................................................