Luận án Nghiên cứu phương pháp triệt tiêu hỗn loạn trong hệ truyền động không đồng bộ xoay chiều ba pha điều khiển tựa theo từ thông rotor

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang và PGS. TS. Lê Tiến Dũng. Các kết quả là trung thực và chưa từng công bố trước đây. Luận án được thực hiện dưới sự giúp đỡ của hai hướng dẫn khoa học và được tạo điều kiện thuận lợi từ Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Đại học Bách Khoa Hà Nội; Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng và Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng. Đà Nẵng, ngày 17 tháng 01 năm 2024 Tác giả luận án Đỗ Hoàng Ngân Mi ii LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận án, tôi rất cảm ơn sự hướng dẫn tận tình về mặt khoa học và là chỗ dựa vững chắc về mặt tinh thần của hai thầy hướng dẫn GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang và PGS. TS. Lê Tiến Dũng. Hai Thầy đã luôn tin tưởng, tiếp sức cho tôi tự tin và không ngừng học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đặc biệt từ đồng nghiệp Bộ môn Tự động Hóa, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật - Đại học Đà Nẵng trong việc góp ý, hoàn thiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Bộ môn Tự động Hóa, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã tạo môi trường khoa học nghiêm túc, góp ý tích cực nhưng vô cùng thân thiện trong các báo cáo, chuyên đề và hội thảo. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, đồng nghiệp đã tạo điều kiện trong quá trình nghiên cứu của bản thân. Sau cùng xin gửi lời cảm ơn đến từng thành viên trong gia đình đã luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Những lời cảm ơn trên không thể diễn tả hết được sự trân trọng những giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi về mọi mặt và những trải nghiệm đáng quý, tuyệt vời trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xi ĐẶT VẤN ĐỀ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN RFOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 6 1.1 Đặt vấn đề 6 1.2 Tổng quan về nguyên lý RFOC 8 1.3 Mô hình động cơ không đồng bộ 11 1.3.1 Mô hình trạng thái liên tục 11 1.3.2 Đặc điểm phi tuyến của mô hình trên hệ tọa độ dq 13 1.4 Khái quát các phương pháp điều khiển hệ truyền động không đồng bộ 14 1.4.1 Phương pháp điều khiển tuyến tính 14 1.4.1.1 Phương pháp PI 14 1.4.1.2 Phương pháp Dead-beat 15 1.4.2 Phương pháp điều khiển phi tuyến 15 1.4.2.1 Phương pháp tuyến tính hoá chính xác 16 1.4.2.3 Phương pháp cuốn chiếu 20 1.5 Kết luận chương 1 21 CHƯƠNG 2: KHÁT QUÁT VỀ LÝ THUYẾT HỖN LOẠN 22 2.1 Khái quát về hiện tượng hỗn loạn 22 2.2 Các đặc điểm chính của hệ hỗn loạn 25 2.3 Khái niệm cơ bản về lý thuyết hỗn loạn 26 2.4 Phân nhánh xảy ra trong hệ bốn phương trình vi phân 26 iv 2.5 Nhận biết hệ thống hỗn loạn 27 2.5.1 Đáp ứng thời gian 27 2.5.2 Biểu đồ pha 28 2.5.3 Mặt cắt Poincaré 29 2.5.4 Phổ Fourier 29 2.5.5 Biểu đồ phân nhánh 30 2.6 Ứng dụng hỗn loạn trong điều khiển 31 2.7 Kết luận chương 2 33 CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM HỖN LOẠN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC 35 3.1 Các nguyên nhân gây ra hiện tượng hỗn loạn trong hệ truyền động không đồng bộ 35 3.2 Đặc điểm hỗn loạn của hệ truyền động không đồng bộ 38 3.3 Kết quả mô phỏng 43 3.3.1 Kết quả mô phỏng hệ truyền động không đồng bộ khi hoạt động ổn định 47 3.3.2 Kết quả mô phỏng hệ truyền động không đồng bộ khi xảy ra hiện tượng hỗn loạn 49 3.4 Kết luận chương 3 55 CHƯƠNG 4: QUAN SÁT HIỆN TƯỢNG HỖN LOẠN TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN RFOC 57 4.1 Mô hình hóa theo hướng ước lượng hỗn loạn 57 4.1.1 Mô hình hóa về dạng DLPV không xét đến nhiễu 59 4.1.2 Mô hình hóa về dạng DLPV có xét nhiễu gộp 60 4.1.3 Mô hình hóa về dạng DLPV có xét nhiễu riêng biệt 61 4.2 Thiết kế bộ quan sát hiện tượng hỗn loạn 62 4.2.1 Bộ quan sát theo phương pháp gán cực 63 4.2.1.1 Cấu trúc bộ quan sát 63 4.2.1.2 Sai số ước lượng 63 4.2.1.3 Tham số hóa các ma trận quan sát 64 4.2.1.4 Thiết kế bộ quan sát theo phương pháp gán cực 66 4.2.2 Bộ quan sát theo phương pháp 68 4.2.2.1 Cấu trúc bộ quan sát 68 4.2.2.2 Sai số ước lượng 69 v 4.2.2.3 Tham số hóa các ma trận quan sát 69 4.2.2.4 Thiết kế bộ quan sát bằng phương pháp 70 4.2.3 Bộ quan sát theo phương pháp 74 4.2.3.1 Cấu trúc bộ quan sát 74 4.2.3.2 Sai số ước lượng 74 4.2.3.3 Tham số hóa các ma trận quan sát 75 4.2.3.4 Thiết kế bộ quan sát bằng phương pháp 76 4.3 Phân tích, đánh giá kết quả ước lượng của các bộ quan sát 79 4.3.1 Kết quả mô phỏng bộ quan sát theo phương pháp gán cực 80 4.3.2 Kết quả mô phỏng bộ quan sát theo phương pháp 83 4.3.3 Kết quả mô phỏng bộ quan sát theo phương pháp 85 4.4 Kết luận chương 4 87 CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP TRIỆT TIÊU HỖN LOẠN TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN RFOC 90 5.1 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp gán cực 90 5.2 Phân tích, đánh giá hiệu quả bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp gán cực 96 5.3 Kết luận chương 5 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC A 111 PHỤ LỤC B 120 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu: STT Ký hiệu Chú thích 1 ^ Đại lượng tính được, quan sát được. (ví dụ: ̂ ) 2 Hệ số của bộ bù. 3 Hệ số tản tổng. 4 Vận tốc góc cơ, mạch stator, mạch rotor. 5 Vector từ thông stator, rotor. 6 Các thành phần từ thông stator trong hệ tọa độ dq. 7 Các thành phần từ thông rotor trong hệ tọa độ dq. 8 Biến lập lịch được biết thông qua đo lường hoặc thông qua các trạng thái ước lượng với . 9 Thành phần đại diện cho nguyên nhân hỗn loạn xuất phát từ bộ điều khiển trong quá trình làm việc dài hạn. 10 Thành phần đại diện cho nhiễu đầu vào. 11 Nhiễu đo lường. 12 Các thành phần dòng điện rotor, stator trong hệ tọa độ dq. 13 Các thành phần dòng stator trong hệ tọa độ . 14 J Momen quán tính. 15 Điện cảm hỗ cảm giữa stator và rotor. 16 Điện cảm stator. 17 Điện cảm rotor. 18 Điện cảm tản phía stator. 19 Điện cảm tản phía rotor. 20 Momen tải, cơ của động cơ. 21 Điện trở stator, rotor. 22 Hệ số ma sát. 23 Toán tử Laplace. vii STT Ký hiệu Chú thích 24 , Số nguyên dương bất kỳ. 25 Chuẩn tín hiệu 26 Chuẩn 27 Hằng số thời gian stator. 28 Hằng số thời gian rotor. 29 Các thành phần điện áp rotor, stator trong hệ tọa độ dq. 30 Số đôi cực từ. Ma trận, vector và các ký hiệu khác STT Ký hiệu Chú thích 1 Ma trận hệ thống. 2 Ma trận nhiễu. 3 Ma trận sai số ước lượng động 4 0 Ma trận zero. 5 Ma trận đơn vị. 6 ( ) ( ) Ma trận của bộ quan sát theo phương pháp gán cực. 7 ( ) ( ) Ma trận của bộ quan sát theo phương pháp . 8 ( ) ( ) Ma trận của bộ quan sát theo phương pháp . 9 Vector điện áp stator, rotor. 10 ( ) Ma trận tự do có số chiều phù hợp trong bộ quan sát theo phương pháp gán cực. 11 ( ) Ma trận tự do có số chiều phù hợp trong bộ quan sát theo phương pháp . 12 ( ) Ma trận tự do có số chiều phù hợp trong bộ quan sát theo phương pháp . viii CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Chú thích 1 DLPV Hệ kỳ dị tuyến tính tham số thay đổi (Descriptor Linear Parameter-Varying) 2 DSC Tự chỉnh trực tiếp (Direct Seft-Control) 3 DTC Điều khiển momen trực tiếp (Direct Torque Control) 4 ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ ba pha (Induction Motor) 5 FOC Điều khiển tựa theo từ thông (Field Oriented Control) 6 ISFC Bộ điều khiển phản hồi trạng thái với khâu tích phân (Integral action in State Feedback Control) 7 IM Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (Induction motor) 8 LMI Bất phương trình ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality) 9 LPV Hệ tuyến tính tham số thay đổi (Linear Parameter-Varying) 10 MBA Máy biến áp 11 MHTT Mô hình từ thông 12 NFO Tựa hướng trường tự nhiên (Natural Field Orientation) 13 NRMSD Chuẩn hóa bình phương của độ lệch chuẩn (Normalized Root Mean Square Deviation) 14 OGY Phương pháp kiểm soát hỗn loạn được viết tắt từ tên của ba nhà nghiên cứu Edward Ott, Celso Grebogi và James A. Yorke 15 RFOC Điều khiển tựa theo từ thông rotor (Rotor Flux Oriented Control). 16 RMSD Bình phương của độ lệch chuẩn (Root Mean Square Deviation) 17 SFO Điều khiển tựa theo từ thông stator (Stator Flux Oriented) 18 TTHCX Phương pháp tuyến tính hóa chính xác (Exact linearization or state space transformation) ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ..................................................... 6 Hình 1.2: Các phương pháp điều khiển ..................................................................... 7 Hình 1.3: Biễu diễn trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor [1]. ....................... 9 Hình 1.4: Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor. ..................... 10 Hình 1.5: Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor kinh điển của hệ truyền động điện không đồng bộ xoay chiều ba pha [1]. .............................................................. 11 Hình 1.6: Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ [15]. ................................................................................................................. 12 Hình 1.7: Mô hình trạng thái của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq [15]. ............................................................................................... 13 Hình 1.8: Giải pháp sử dụng các bộ PI kèm theo PWM analog để điều khiển độc lập ba dòng pha [1]. .................................................................................................. 14 Hình 1.9: Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator deadbeat [16] .................................. 15 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý tuyến tính hóa chính xác hệ phi tuyến [19]. ................ 16 Hình 1.11: Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác [16]. ........................................................................................................... 16 Hình 1.12: Cấu trúc hệ thống thiết kế theo nguyên lý phẳng [15]. .......................... 17 Hình 1.13: Cấu trúc điều khiển phi tuyến động cơ không đồng bộ thiết kế theo nguyên lý phẳng [20]. ................................................................................................ 18 Hình 1.14: Cấu trúc điều khiển phi tuyến động cơ không đồng bộ thiết kế theo nguyên lý phẳng có bổ sung thêm khâu thiết lập quỹ đạo phẳng [19]. ..................... 19 Hình 1.15: Cấu trúc điều khiển phi tuyến động cơ không đồng bộ thiết kế theo phương pháp cuốn chiếu [21]. .................................................................................. 20 Hình 2.1: Hiệu ứng cánh bướm của hệ Loenz: a) Mặt phẳng pha, b) Biểu đồ pha z khác nhau do sai khác nhỏ 0.000127 giá trị ban đầu. .............................................. 24 Hình 2.2: Hằng số Feigenbaum [24]. ....................................................................... 24 Hình 2.3: Bông tuyết Koch cơ bản từ tam giác đều [26]. ........................................ 25 Hình 2.13: Đáp ứng thời gian của a) Tín hiệu tuần hoàn, b) Tín hiệu hỗn loạn. .... 28 Hình 2.14: Tập hút phương trình Lorenz với các giá trị =28, =10, . ..... 28 Hình 2.15: Mặt cắt Poincare’ của phương trình Duffing: ̈ ̇ với trong trường hợp: a) ổn định với , b) hỗn loạn với [37]. .............................................................. 29 Hình 2.16: Phổ Fourier phương trình Duffing. ....................................................... 30 Hình 2.17: Biểu đồ phân nhánh biểu diễn biến trạng thái khi tham số phân nhánh thay đổi từ 1.5 đến 2.5. ............................................................................ 31 Hình 3.1: Các nguyên nhân có thể làm hệ truyền động không đồng bộ .................. 35 Hình 3.2: Cấu trúc hệ truyền động không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc điều khiển tựa theo từ thông rotor trên hệ tọa độ dq. ................................................................. 38 Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor của hệ truyền động không đồng bộ theo phương pháp PI. ................................................... 45 Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng cấu trúc bên trong khối RFOC của cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor của hệ truyền động không đồng bộ theo phương pháp PI. . 46 x Hình 3.5: Tốc độ đặt và tốc độ thực, momen và tải của hệ khi điều khiển theo phương pháp PI chưa xảy ra hỗn loạn. .................................................................... 48 Hình 3.6: Biểu đồ pha giữa khi hệ chưa xảy ra hỗn loạn. ............... 49 Hình 3.7: Tốc độ đặt và tốc độ thực, momen và tải của hệ khi xảy ra hỗn loạn. .... 50 Hình 3.8: Đáp ứng thời gian . .............................................................................. 51 Hình 3.9: Đáp ứng thời gian . .............................................................................. 52 Hình 3.10: Đáp ứng thời gian . ........................................................................... 52 Hình 3.11: Đáp ứng thời gian . .......................................................................... 53 Hình 3.12: Biểu đồ pha giữa các đại lượng .. ................................... 53 Hình 3.13: Biểu đồ pha giữa các đại lượng . ................................. 54 Hình 3.14: Phổ Fourier của đại lượng . ............................................................. 54 Hình 3.15: Đáp ứng thời gian nhạy cảm với giá trị đặt ban đầu. ............................ 55 Hình 4.1: Cấu trúc hệ truyền động không đồng bộ kết hợp bộ quan sát ................. 62 Hình 4.2: Các bước tham số hóa ma trận của bộ quan sát theo .............................. 66 Hình 4.3: Các bước thiết kế bộ quan sát gán cực. ................................................... 68 Hình 4.4: Các bước thiết kế bộ quan sát theo phương pháp . ............................. 73 Hình 4.5: Các bước thiết kế bộ quan sát theo phương pháp . ...................... 79 Hình 4.6: Cấu trúc bộ quan sát. ............................................................................... 80 Hình 4.7: Ước lượng thành phần của bộ quan sát theo .................................. 80 Hình 4.8: Sai số ước lượng thành phần của bộ quan sát theo ........................ 81 Hình 4.9: Ước lượng thành phần của bộ quan sát theo .................................. 82 Hình 4.10: Sai số ước lượng thành phần của bộ quan sát theo phương pháp gán cực khi xét đến nhiễu tác động. .......................................................................... 82 Hình 4.11: Hàm truyền ‖ ‖. .................................................................................. 83 Hình 4.12: Ước lượng thành phần của bộ quan sát theo ................................ 84 Hình 4.13: Sai số ước lượng thành phần của bộ quan sát theo ...................... 85 Hình 4.14: a) Hàm truyền‖ ‖, b) Hàm truyền ‖ ‖. ........................................... 86 Hình 4.15: Ước lượng thành phần của bộ quan sát theo ................................ 86 Hình 4.16: Sai số ước lượng thành phần của bộ quan sát theo ...................... 87 Hình 5.1: Cấu trúc hệ truyền động không đồng bộ điều khiển theo phương pháp ISFC cho thành phần dòng. ...................................................................................... 92 Hình 5.2: Cấu trúc phương pháp ISFC cho thành phần dòng của hệ truyền động không đồng bộ. .......................................................................................................... 93 Hình 5.3: Các bước thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp gán cực. ..................................................................................................................... 96 Hình 5.4: Đáp ứng tốc độ theo phương pháp ISFC cho điều khiển dòng. ............... 97 Hình 5.5: Sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực .................................................... 98 Hình 5.6: Đáp ứng dòng . ..................................................................................... 99 Hình 5.7: Đáp ứng dòng . ..................................................................................... 99 xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Phân biệt hệ ổn định, tuần hoàn, bán tuần hoàn, hỗn loạn. ..................... 34 Bảng 3.1: Bảng so sánh các nghiên cứu điển hình cho hệ truyền động không đồng bộ xảy ra hỗn loạn. .................................................................................................... 36 Bảng 3.2: Các tham số động cơ GL-63M2-4 Parma. ............................................... 43 Bảng 4.1: RMSD và NRMSD của phương pháp gán cực. ....................................... 83 Bảng 4.2: RMSD và NRMSD của phương pháp . ............................................... 85 Bảng 4.3: RMSD và NRMSD của phương pháp . ....................................... 87 Bảng 4.4: So sánh ưu điểm và hạn chế của các phương pháp thiết kế bộ quan sát. 89 Trang 1 ĐẶT VẤN ĐỀ i. Lý do chọn đề tài Ngày nay, các động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong những hệ truyền động yêu cầu chất lượng cao, tận dụng triệt để ưu điểm khởi động dễ dàng, giá thành thấp, vận hành êm, chi phí vận hành và bảo trì thấp. Có được điều đó chính là nhờ sự phát triển của linh kiện bán dẫn và kỹ thuật điều khiển hiện đại giúp loại bỏ tính phức tạp và phi tuyến mạnh của động cơ không đồng bộ. Do đó, luận án chọn hệ truyền động xoay chiều ba pha sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha là đối tượng công trình nghiên cứu phù hợp với yêu cầu phát triển của công nghệ hệ truyền động điện hiện đại [1][2][3][4]. Đồng thời sử dụng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (RFOC: rotor field-oriented control) để điều khiển đối tượng, với ý tưởng tương đồng trong điều khiển động cơ không đồng bộ như là điều khiển động cơ một chiều, giúp điều khiển chính xác tốc độ và đáp ứng tốt momen. Tuy nhiên các tham số của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi do tác động của nhiệt độ ảnh hưởng đến các chất lượng điều khiển RFOC và đến vùng tham số nhất định có thể dẫn đến hiện tượng hỗn loạn, làm giảm trạng thái ổn định cũng như hiệu suất của hệ thống. Cho đến những thập niên cuối thế kỷ 20, lý thuyết hỗn loạn mới bắt đầu được đưa vào tìm hiểu sâu trong các hệ thống truyền động. Từ những nghiên cứu đã có đối với hệ truyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ vào năm 1989 hiện tượng hỗn loạn trong hệ thống biến tần PWM của Kuroe và Hayashi [5]; sau đó được nghiên cứu sâu bởi Nagy, Suto năm 1996 [6]; tiếp theo là các nghiên cứu mở rộng về quan sát điểm phân nhánh của Bazanella và Reginatto năm 2000 [7] để nhận định về hiện tượng hỗn loạn của đối tượng động cơ không đồng bộ theo tham số; hoặc sử dụng tốc độ có tính chu kỳ sin để tạo ra chuyển động hỗn loạn của Gao và Chau năm 2003 [8] xem xét trạng thái làm việc của hệ thống động cơ không đồng bộ. Và năm 2018 là nghiên cứu phân tích và dự đoán phân nhánh nút yên, Hopf, Bogdanov-Takens gây ra bởi sự thay đổi được Jain, Ghosh và Maity Trang 2 nghiên cứu [9]; Chính vì vậy hệ truyền động không đồng bộ - đối tượng của nghiên cứu hướng đến là hệ hỗn loạn ở những điều kiện nhất định. Như vậy, hệ truyền động không đồng bộ cũng là hệ hỗn loạn trong những điều kiện nhất định. Điều này dẫn đến những thay đổi làm giảm trạng thái ổn định cũng như hiệu suất của hệ thống truyền động và có thể gây ra sự phân nhánh thay đổi các điểm cân bằng (hoặc các quỹ đạo tuần hoàn) hoặc tính chất ổn định. Nhưng các bài toán điều khiển sử dụng RFOC cho đến nay mới chỉ xét sự thay đổi của một tham số: (gồm có và ) [8] [10], hoặc các hệ số [9], chưa định lượng hoặc quan sát được hiện