Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2016 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: PGS.TSKH Phạm Thƣợng Cát Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: TS. Phạm Minh Tuấn Phản biện 1:............................................................................ Phản biện 2:............................................................................ Phản biện 3:............................................................................ Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi.....giờ .....' ngày.....tháng.....năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Động cơ xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong dân dụng do các tính năng ưu việt cấu trúc nhỏ gọn, công suất lớn cũng như hiệu quả kinh kế, thuận tiện trong việc thiết kế, điều khiển và bảo dưỡng. Động cơ xoay chiều được ứng dụng trong máy bơm, máy nén, trong ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt, quạt công nghiệp hay dân dụng, thang máy, máy nâng hạ, máy kéo, cần cẩu trong ngành xây dựng, robot hay trong tàu biển... Do vậy, trong ba thập kỷ gần đây động cơ xoay chiều đã thay thế động cơ một chiều do loại bỏ được các nhược điểm của động cơ một chiều như chi phí bảo dưỡng cao đối với hệ thống cổ góp - chổi than, mô men quán tính cao, không an toàn trong môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. Các động cơ xoay chiều được sử dụng rất rộng rãi do các tính năng vượt trội của nó. Tuy nhiên, để khai thác triệt để hơn loại động cơ này có nhiều vấn đề đặt ra cần được giải quyết. Mặc dù trong và ngoài nước đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và hạ giá thành sản phẩm, nhưng các kết quả đạt được vẫn còn bộc lộ nhiều hạn chế. Chẳng hạn các phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman, lọc phi tuyến hay bộ quan sát theo chế độ trượt để ước lượng tốc độ góc và từ thông của động cơ nhưng hiệu quả điều khiển phụ thuộc căn bản vào thuật toán điều khiển, ước lượng các đại lượng cần thiết và độ chính xác của mô hình động cơ gây nên những khó khăn đáng kể. Mô hình toán của động cơ thường khó đạt độ chính xác mong muốn vì trong hệ thống chứa nhiều tham số không xác định trước như các hệ số ma sát, mô men quán tính và điện trở, chúng thường thay đổi trong quá trình vận hành. Ngoài ra, việc ước lượng các đại lượng cần thiết như tốc độ góc hay từ thông động cơ dùng làm các thông tin cho các bộ điều khiển thay cho các cảm biến đòi hỏi đạt được độ chính xác mong muốn là những vấn đề khó và cần tiếp tục nghiên cứu. Trong những năm gần đây, sự phát triển của mạng nơ ron nhân tạo đã góp phần rất lớn vào việc giải quyết các bài toán trong điều khiển, đặc biệt đối với các đối tượng điều khiển có đặc trưng phi tuyến và tham số bất định. Mạng nơ ron nhân tạo đã cho phép xử lý các yếu tố phi tuyến khá tùy ý trong các hệ điều khiển với các trọng số tự chỉnh khi vận hành. Luận án đi sâu nghiên cứu và phát triển phát triển một số thuật toán ước lượng thông số và điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Đề xuất một số thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều. Đề xuất một số thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không sử dụng cảm biến tốc độ. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án Đề xuất 02 thuật toán điều khiển, 02 thuật toán ước lượng các thông số động cơ: a) Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định và tải thay đổi trên hệ trục tọa độ (d,q) sử dụng mạng nơ ron nhân tạo. b) Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ cảm ứng xoay chiều với nhiều tham số bất định và tải thay đổi sử dụng phương pháp điều khiển không tác kênh trên hệ trục tọa độ (α,β). c) Thuật toán ước lượng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và bộ tự thích nghi. d) Thuật toán ước lượng tốc độ và từ thông động cơ sử dụng bộ tự thích nghi. Luận án đã chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán điều khiển và ước lượng tốc độ và từ thông động cơ đề xuất nêu trên sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat và tiến hành mô phỏng kiểm chứng các phương pháp đề xuất bằng công cụ mô phỏng Matlab. 2 Bố cục của luận án: Chương 1, luận án trình bày tổng quan một số vấn đề trong điều khiển động cơ. Chương 2, luận án phát triển một số thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ Chương 3, luận án phát triển một sốthuật toánước lượng tốc độ và từ thông của động cơ không đồng bộ. Kết luận của luận án. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Việc điều khiển động cơ xoay chiều còn có một số trở ngại như hai thành phần dòng rotor hoặc từ thông không phải lúc nào cũng đo được trực tiếp hay như tồn tại một số tham số bất định trong mô hình hệ thống như điện trở rotor, hệ số ma sát, mô men quán tính hay tải thay đổi trong quá trình hoạt động. Vấn đề đặt ra là: 1 - Xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ rotor và từ thông rotor động cơ một cách chính xác, tiết kiệm chi phí. 2 - Phát triển các thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham số bất định. 3 - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ thông minh trên các công nghệ chế tạo vi mạch điều khiển mới. 1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều Các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều được phân loại như sau: Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số Điều khiển chuyển động sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao. Các động cơ hiện nay chủ yếu sử dụng các mô hình điều khiển như phương pháp điện áp/tần số (V/F), điều khiển trực tiếp mô men và điều khiển tựa từ thông. Điều khiển vô hƣớng U/f = const is=f(ωr) Dòng stator Điều khiển véc tơ Điều khiển tựa từ thông Điều khiển trực tiếp mô men DTC Circular flux trajectory Hexagonal flux trajectory Tựa từ thông rotor RFO Tựa từ thông stator SFO Trực tiếp DRFO Gián tiếpIRFO Tựa từ thông tự nhiên NFO Điều khiển động cơ xoay chiều 3 Trong khuôn khổ của luận án này, phương pháp điều khiển tựa từ thông được lựa chọn nghiên cứu và áp dụng cho động cơ xoay chiều 3 pha với yêu cầu điều khiển tốc độ và mô men hiệu suất cao. Các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung nhận dạng điện trở rotor ít kể đến các yếu tố bất định khác như hệ số ma sát, mô men quán tính hay tải thay đổi. Do vậy, trong khuân khổ luận án này sẽ tập trung nghiên cứu, đề xuất các thuật toán điều khiển và ước lượng tốc độ động cơ cho động cơ xoay chiều có các tham số bất định nêu trên. 1.3 Các vấn đề nghiên cứu của luận án - Phát triển một số thuật toán ước lượng tốc độ rotor và từ thông rotor của động cơ xoay chiều. - Phát triển một số thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các tham số bất định. - Sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống và sử dụng Matlab mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán điều khiển, ước lượng. CHƢƠNG 2 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH Tác giả xây dựng hai thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông rotor: - Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với thuật học online để bù các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ quay (d,q). - Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông động cơ xoay chiều không tách kênh và sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để bù lại các đại lượng bất định trên hệ trục tọa độ cố định (α,β). 2.1 Mô hình động cơ xoay chiều Mô hình toán học của động cơ xoay chiều có thể viết trên hệ trục tọa độ cố định (,): 1 1 s s r r m s r r s s r r s s s r r m s r r s s r r s r r r r r m s r r r r r r r m s r r di R R R L i u dt L L L L di R R R L i u dt L L L L d R R L i dt L L d R R L i dt L L                                                                            (2.13)   3 2 p m M r s r s L r z L d m i i J B m L dt             (2.14) Mô hình toán học của động cơ xoay chiều viết trên hệ trục tọa độ quay (d,q): 4     1 1 sd s r r m sd s sq rd rq sd s r r s sq s r r s sd m sq rd rq sq s r r s rd r r rd s rq m sd r r rq r r s rd rq m sq r r di R R R L i i u dt L L L L di R R R i L i u dt L L L L d R R L i dt L L d R R L i dt L L                                                                     (2.15)   3 2 p m M rd sq rq sd L r z L d m i i J B m L dt         (2.16) Trong mô hình toán học của động cơ xoay chiều trên hệ trục tọa độ quay (d,q) khi từ thông rq theo hướng trục q bị triệt tiêu, từ (2.15) ta có: 1 1 sd s r r m sd s sq rd sd s r r s sq s r s sd m sq rd sq s r s rd r r rd m sd r r di R R R L i i u dt L L L L di R R i L i u dt L L L d R R L i dt L L                                             (2.17) 3 2 p m M rd sq L r z L d m i J B m L dt       (2.18) 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) 2.2.1 Xây dựng mô hình bộ điều khiển Từ phương trình (2.16) ta có thể viết rút gọn như sau: Hình 2.2 Mô hình điều khiển động cơ Bộ điều chỉnh tốc độ ref * sdi dq   uvw sqi sdi sdu squ si  si  su  su  sui svi Bộ điều chỉnh dòng * sqi 3~ dq  vt wt ut Điều chế vec tơ s 1 mL refr M3~ L m u v w Mô hình từ thông  -  sdi sqi 5 ( ) L d Ku t J B m dt     (2.22) trong đó ( ) ( )rd sq rq sdu t i i   gọi là điện áp điều khiển và khi rq đã bị triệt tiêu ta có * *( ) ( )rd sq rq sd rd squ t i i i     Từ phương trình (2.22), ta có thể chuyển thành dạng: k k k( )u t J B m    (2.23) trong đó: k k k J J J J K      ; k k k B B B B K      ; k Lmm K  ; k k,J B   là các phần biết; k k,J B  là các phần không biết. Đặt k k kf m J B    (2.24) k k( )u t J B f       (2.26) Như vậy, bài toán điều khiển động cơ trở về xác định tín hiệu điều khiển ( )u t sao cho tốc độ động cơ  bám theo tốc độ ref mong muốn trong khi không biết rõ các tham số k k,J B và mô men tải km thay đổi không biết trước. 2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ Chọn: 0 1( )u t u u  (2.27) trong đó 0u là tín hiệu phản hồi dạng PD và u1 là tín hiệu bù các đại lượng bất định f sẽ được xác định sau. Ta chọn: 0 k ref ref k( ( ))Du J K B          (2.28) sai số tốc độ: ref    , đặt ' 1 k u u J   , k f f J    , ' k D D K K J   . ' ' DK u f     (2.31) Như vậy, bài toán điều khiển trở thành tìm 'u sao cho hệ (2.31) ổn định tiệm cận trong khi không biết 'f . Một mạng nơ ron có đầu ra là fˆ để xấp xỉ hàm 'f . Định lý 1 [1][2]: Tốc độ ω của động cơ cảm ứng (2.16), (2.22) sẽ bám theo giá trị mong muốn ωref khi không biết chính xác hệ số ma sát B, mô men quán tính J và mô men tải mL nếu thuật điều khiển động cơ u(t) và thuật học w của mạng nơ ron được xác định như sau: k ref ref k k( ) ( ( )) 'Du t J K B J u            (2.34) ' ˆ(1 )u n f            (2.35) w n  (2.36) trong đó các tham số tự chọn DK , , 0n   . Chứng minh: Chọn hàm V xác định dương như sau:  2 2 1 2 V w  (2.37) 2 2( ) .D DV K K                     (2.38) 6 2 0DV K        (2.40) Từ (2.40) ta thấy 0V  và 0V   với mọi 0  và 0V  khi 0  , suy ra ,  luôn hữu hạn. Do 0V  xác định bán âm nên không bảo đảm hệ thống ổn định tiệm cận. Hệ thống là hệ không tự trị do các trọng số của mạng nơ ron thay đổi theo thời gian, nên để xác định hệ ổn định tiệm cận ta phải sử dụng bổ đề Barbalat. Từ (2.38), ta xác định được: 2 2 ( ) DV K sign             (2.41) Trong đó ,  luôn hữu hạn, do vậy V  luôn hữu hạn =>V liên tục đều theo thời gian. Theo bổ đề Barbalat khi V liên tục đều thì 0 , 0V      . Từ (2.31), ta có 1f u và ref  hay nói cách khác tốc độ động cơ bám theo tốc độ mong muốn với sai lệch bằng 0. Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ được thể hiện trên Hình 2.3: 2.2.3 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng Từ (2.17) ta có thể viết dưới dạng véc tơ như sau: sdq sdq sdq rd rd r r rd m sd r r d dt d R R L i dt L L               i Ai Bu h (2.42) Trong đó: s m s s s s m s R L L R L L A                                ; h         ; 1 0 1 0 s s L L B               Từ mô hình điều khiển ta xác định được điện áp đặt lên stator:  1 *sdq sdq sdq rd    u B Ai i Gξ h (2.43) trong đó chọn G là ma trận đường chéo xác định dương và đặt sdq sdq  ξ i i là véc tơ sai lệch giữa dòng mong muốn và dòng điều chỉnh. * * ( )sdq sdq sdq sdq sdq rd     ξ i i i Ai Bu h     (2.44) Hình 2.3 Bộ điều chỉnh tốc độ rotor động cơ 1 k ˆ(1 )u J n f              fˆ w w n  ref k ref ref k( ( ))DJ K B          -  0u 1u ( )u t * 1 rd * sqi 7 Thay (2.43) vào (2.42) và từ (2.44) ta có: ξ Gξ  => 0ξ Gξ  (2.45) Như vậy véc tơ sai lệch ξ 0 tức là sdq sdq i i . Xây dựng mô hình bộ điều chỉnh dòng Hình 2.4: 2.2.4 Kết quả mô phỏng kiểm chứng Mô hình hệ thống điều khiển động cơ có nhiều tham số bất định sử dụng phản hồi tốc độ như Hình 2.2. Ta sử dụng động cơ cảm ứng 4 cực lồng sóc 1.5 kW của LEROY SOMER với vận tốc góc mong muốn như Hình 2.5 và vận tốc góc ổn định ref 100  Rad/s (956 prm), từ thông mong muốn * refr =1.5 (Wb). Động cơ được gắn với hệ thống máy khoan. Bảng thông số của động cơ Công suất 1.5 KW Điện cảm stator (Ls) 0.253 H Dải điện áp stator 220/380 V Điện cảm rotor (Lr) 0.253 H Dải dòng điện stator 6.1/3.4 A Hỗ cảm (Lm) 0.213 H Điện trở stator (Rs) 4.58 Ω Mô men quán tính (J) 0.023 Nms 2 /rad Điện trở rotor (Rr) 4.468 Ω Hệ số ma sát (B) 0.0026 Nms/rad Hình 2.5 là vận tốc góc rotor mong muốn và động cơ bắt đầu khởi động tại thời điểm t=0,1(s). Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref Ta mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ với các tham số bất định được giả thiết: ; 0.05B B B B B     và ; 0.20 sin(100 )J J J J J t      Tải tổng hợp các tải mL tác động lên động cơ thay đổi có dạng như Hình 2.6c: 1 2L L L Lm m m m   (Nm) với: mL1 có thành phần tải cố định của hệ thống là 3 (Nm), mL2 thành phần tải không biết trước khi khoan các lỗ vào vật liệu như Hình 2.6a. Lm thành phần tải không biết trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu như Hình 2.6b 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 20 40 60 80 100 Time (s) R a d /s Omega.ref h 1 B  ξ sdqu A r m r r R L L s R G * sdqi sdqi - + - + + - Hình 2.4 Mô hình bộ điều chỉnh dòng rd + d dt sdi 8 Hình 2.6a mL2 thành phần tải không biết trước khi khoan các lỗ vào vật liệu Hình 2.6b ΔmL thành phần tải không biết trước phụ thuộc vào kết cấu vật liệu Hình 2.6cmL thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống Hình 2.8 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor khi sử dụng mạng nơ ron 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 Time (s) N m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -1 -0.5 0 0.5 1 Time (s) N m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2 4 6 8 Time (s) N m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -4 -3 -2 -1 0 1 Time (s) R a d /s 9 Hình 2.9 Thời gian quá độ vận tốc góc khi tải với mL - Tại thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động thì sai lệch vận tốc góc xấp xỉ 3,5%. Tại các thời điểm tải thay đổi đột biến thì sai lệch vận tốc góc xấp xỉ 1,5%. - Tại các thời điểm này, vận tốc góc rotor có quá trình quá độ nhất định nhưng chỉ sau một khoảng thời gian ngắn mạng nơ ron tự học đưa vận tốc rotor về với vận tốc mong muốn. Thời gian ổn định vận tốc góc của rotor trong xấp xỉ 1 giây. 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 (,) 2.3.1 Xây dựng mô hình bộ điều khiển Ta đặt 1x  , 2 2 2 r rx     , từ (2.13) và (2.14) ta có hệ phương trình:           1 1 1 1 1 2 1 1 1 s sr r m m s r s r r s r s s r L L m s r r s r s s R RB R B R x L x L x J L L J L L Kx i i RK x x R m m L J J L L J J K u u J L                                                        (2.49) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -4 -3 -2 -1 0 1 Time (s) R a d /s Bộ điều chỉnh tốc độ và từ thông ref  2 refr si  si  su  su  Mô hình từ thông 1e + - 2e + - 2ˆ r ˆ r ˆ r  uvw sui svi 3~ vt wt ut Điều chế vec tơ M3~ L m u v w Hình 2.12 Mô hình điều khiển động cơ 10           2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 r r m r r sr r m m r r r r r s r r m r s r s r r mr m s s r s r s r r s R R x x L x L L RR R L L i i L L L R L x i i L R LR L i i u u L L L                                                        (2.50) Các phương trình (2.49), (2.50) có thể viết dưới dạng véc tơ như sau: 1 s   x Mx + Nx Q D u  (2.51) trong đó B, J, Rr là các tham số bất định được mô tả như sau: B B B    J J J   r r rR R R    , , rB J R    là các giá trị đã biết. , , rJ B R   là các thành phần không biết. Từ các giá trị đã biết, ta có thể xác định được từ thông r  và r  : r r r r r m s r r r r r r r m s r r d R R L i dt L L d R R L i dt L L                                    (2.52) Các ma trận của hệ (2.51) có thể biểu diễn lại như sau: N = N +ΔN  ; M = M +ΔM  ; Q = Q +ΔQ  ; D = D +ΔD  . (2.53) trong đó , , ,Q D M N     là ma trận các thành phần đã biết và , , ,Q D M N    là ma trận các thành phần chưa biết. Tiếp tục biến đổi, ta chọn:  s u D v - Q  (2.54) với T v vv      là tín hiệu điều khiển phụ.   v x Mx + Nx f     (2.56) với 1 1     f = ΔMx+ΔNx D Dv D DQ Q   là các thành phần bất định được xác định sau. Như vậy bài toán điều khiển động cơ trở về xác định tín hiệu điều khiển v sao cho tốc độ và từ thông của động cơ đạt được các giá trị mong muốn ref  ,  2 2 2 2refr r r r       trong khi không biết rõ các tham số , , rJ B R và tải thay đổi mL không biết trước. 2.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông rotor Ta đặt mặt trượt: s = e + Ce (2.57) 11 với C là ma trận đường chéo xác định dương; refe x - x là sai lệch giữa giá trị thực 1 2 2 r x x x               và giá trị mong muốn 1 2 2 ˆ r