Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho hệ nhiều động cơ bằng phương pháp điều khiển cuốn chiếu
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO HỆ NHIỀU ĐỘNG CƠ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU
BUILDING A SPEED CONTROLLER FOR MULTI-MOTOR SYSTEMS
BY BACKSTEPPING METHOD
Trần Xuân Tình1*, Đặng Tiến Trung2, Lê Văn Sâm1, Nguyễn Ngọc Tuấn3
1Học viện Phòng không - Không quân, 2Trường Đại học Điện lực, 3Học viện Kỹ thuật quân sự
Ngày nhận bài: 19/07/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: PGS.TS. Nguyễn Quang Hoan
Tóm tắt:
Bài báo trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển cuốn chiếu (backstepping) cho vòng tốc độ của hệ
truyền động nhiều động cơ. Các kết quả được khảo sát đánh giá bằng mô phỏng trên phần mềm
Matlab-Simulink cho thấy bộ điều khiển này đảm bảo được các yêu cầu chất lượng ngay cả khi hệ
thống chịu ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến do cấu trúc phần cơ gây ra.
Từ khóa:
Nhiều động cơ, điều khiển cuốn chiếu, ma sát, đàn hồi.
Abstract:
The paper presents the results of summarizing the backstepping controller for the speed loops of the
multi-motor drive. The results surveyed and evaluated by simulation on Matlab-Simulink software
show that the controller ensures the quality requirements in the system under the influence of
nonlinear factors as causing the mechanical structure
Keywords:
Multi-motor drive systems, backstepping controller, elastic, backlash.
liên tục được nghiên cứu phát triển cả
trong và ngoài nước, từ đơn giản như
BĐK PID [3] đến phức tạp như logic mờ
[4], mạng nơron [5], điều khiển tối ưu [6],
và điều khiển bền vững [7]. Tuy nhiên
vẫn vẫn cần thêm những nghiên cứu nhằm
làm phong phú thêm các thuật toán điều
khiển cho hệ. BĐK điều khiển cuốn chiếu
mà tác giả đề xuất đã cho chất lượng tốt
ngay cả khi tính đến yếu tố phi tuyền hệ
số đàn hồi thay đổi.
1. MỞ ĐẦU
Hệ truyền động (HTĐ) nhiều động cơ ứng
dụng trong công nghiệp và quốc phòng
đều là hệ động lực học phi tuyến, chứa
các liên hệ chéo; các mối liên hệ này làm
cho mô hình của đối tượng điều khiển trở
nên phi tuyến. Trong điều khiển HTĐ vật
liệu đàn hồi nhiều động cơ, việc kiểm soát
tốc độ các động cơ là một vấn đề khó. Các
bộ điều khiển (BĐK) tốc độ cho HTĐ này
Số 25
17
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
2. MÔ HÌNH CƠ HỆ
Roll 1
Roll 2
Roll n
r n
r1
r2
Fn1,n
r
F
r
2
F23
r
1
12
n
Inventer 1
Motor 1
Inventer 2
Motor 2
Inventer n
Motor n
r1
r2
r3
Bộ điều khiển tốc độ
f
Hình 1. Mô hình hệ truyền động nhiều động cơ
Theo [1-2] mô hình toán hệ truyền động
một động cơ không đồng bộ trong dây
chuyền sản xuất có dạng:
hằng số thời gian rôto; rd : từ thông rôto;
JLrm
ki2Mdm
: dòng stato. KT
: hằng số thời
isq
crm
gian của tải; kc
: hệ số đàn hồi; c:
ki2Mdm
k .u
f
f
s
1
hệ số đàn hồi; rm : tốc độ định mức của
động cơ; Mdm : mômen định mức; : hệ
số truyền của hộp số.
c
T
r
KT
ki
1
M M
s
d
Jd
LmTr
Lr
3
Md np
2
r2d
(2)
r
f
L2m
Lr
(1)
3
Md np
rd isq
2
Với
Tr
1
isq rd
M M
s
r
d
f
Jd
Lm
LmTr
1 3
1
r2d
k
c T
y T
. np
r
f
r
Jd
2
Lr
LmTr
Jd
Trong đó: f kf us : tốc độ đặt do vòng
1 3
= . np
r2dr
M
MT
:
ngoài đưa vào. s : mômen đàn hồi;
Jd
2
Lr
Md
mômen tải;
: mômen động cơ; np : số
LmTr
1 3
. np
1
+
r2d kf us k
c
T
r
Lm
đôi cực của động cơ;
: hỗ cảm giữa
Jd
2
Lr
Jd
Lr
L
Tr
rôto và stato; r : điện cảm rôto;
:
x T ;x2 r T ;x3 r T
Đặt
1
Rr
18
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Đạo hàm V1 ta có:
k
x
KT
1
V
x
2
1
B
kkc
LmTr
Lr
1 3
x
x . np
r2d x x
1
3
2
1
(7)
z1(2 x2 ) 2 (
Jd KT
Jd
2
2
B
LmTr
1 3
. np
r2d kf us
1
z1x2 2 (2
Jd
2
Lr
B
y x1
Do z2 x2 1 hay x2 z2 1 với 1 là biến
điều khiển ảo. Thay vào trên ta có:
(3)
1
Đặt
2
V 2 (2 12 1
(8)
2
B
B
kc
kc
LmTr
1 3
r2d ;
Chọn 1 d1z1 với c1 0 rồi thế vào trên
1
; 2
;1 . np
Jd
KT
LmTr
Lr
Jd
r2d kf
2
Lr
ta có:
(4)
(5)
1 3
2 . np
Jd
1
2
ˆ
V 1) 2 (2
B
x
1
= z1(z2 d1z1) 2 (2
(9)
B
x
1
d1z12 z1z2 2 (
x x x x u
2
1
3
2
1
2 s
B
y x1
Bước 2:
Tổng hợp bộ điều khiển cuốn chiếu cho
vòng điều khiển tốc độ:
1
Chọn V2 V z22 . Tính đạo hàm của V2
1
2
Bước 1:
ta có:
Do tốc độ của tải ở đầu ra không đo được
trực tiếp khi tính đến biến dạng đàn hồi
nên gọi giá trị tiệm cận với tín hiệu đầu ra
1
V
B
(10)
yr
z1
là , sai số được tính như sau:
x2; zd12 x2
Ta có:
thế vào
z1 y yr x yr
1
phương trình trên có:
y
z
. Do 2 là tham
Vì
nên ta có:
V
số không đo được nên gọi giá trị đánh giá
1
d1z12 z1z2 z2 (x3 d12 x2 ) 2 (2
ˆ
ˆ
2 2
2 hay
là 2 và sai số đánh giá là
B
ˆ
2 2
z
2 . Chọn hàm Lyapunov cho là:
V z1z2
1
1
1
1
V
z12
22
+ z x d x 2 (2
(6)
1
2
1
2
3
2
2
22
2B
B
Số 25
19
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Tiến hành tính đạo hàm riêng của 2 lần
V
d1z12 z1z2
ˆ
lượt theo x , x2 , yr , 2 có :
1
1
ˆ
2
2 (2 x2 z2 x d x
2
3
1
2
x1
2
x2
B
ˆ
d1d2 1
;
d2 d12
;
Đặt z3 x3 2 hay x3 z3 2 thế vào
2
yr
2
ˆ
2
0
;
d1x2
phương trình trên ta có:
1
V z1z2 2 (
Thế vào phương trình z2 zta có:
B
(11)
ˆ
1 2
d z x z z d x
2 2
z2 z
1
2
2
2
3
2
ˆ
ˆ
2
z x x x x x x
1
(17)
2
1
2
1
2
2
2
2
3
1
ˆ
Lựa chọn: 2 c2 z2 z1 c 2 x2 với c2 0
thay vào phương trình trên ta có:
1
ˆ
+2us d1d2 1 d2 d12 d1x2
1
Chọn thành phần:
V d2 z22 2 (2 122 x2
(12)
B
1
ˆ
ˆ
2
us
d z z x x x x
1 1
3
3
2
1
2
2
3
Bước 3:
2
(18)
ˆ
d1d2 1 d2 d12 d1x2
Tham số không xác định 1 được đánh giá
ˆ
bằng 1 với sai số đánh giá 1 do đó:
Từ đó có:
ˆ
1 1 1
z2 z1x2 2 x2
thay vào ta có:
V
Xác định hàm Lyapunov V3 là:
V d2 z22 z3 c z x x
2
3
3
1
2
2
1
V3 V2 z32
2
1
12
1
(13)
(14)
2 2
d1z22 x2
2G
1 1
G
B
1
1
1
(19)
= d1z12 d2 z22 d3 z32 1 z3 x2 1
V
G
G
G
V d2 z22 z3 z z
1
2
2 z3 x2 d1z2 x2
B
1
ˆ
d1z22 x2
1
G
B
ˆ
Chọn
khi đó
d1z2 x2
z2 z
Tính
:
ta có:
ˆ ˆ
z2 z , , x
2
1
2
Vd2 z22 d3z32
= z x x x
2 1 3
(15)
(16)
2
1
2
1
Như vậy sẽ bảo đảm cho
nếu như
V
ˆ ˆ
2us , , x
2
1
2
d , d , d 0
. Chọn B, G là hệ số khuếch
1
2
3
Với
được tính:
2
d1, d2 , d3
đại của luật cập nhật,
là hệ số
ˆ
2 d2 z2 z1 d12 x2
us
khuếch đại của bộ điều khiển, ta có là
ˆ
1 2 2
d2 x x y d x
1 r
2
1
tín hiệu điều khiển tốc độ cho động cơ ở
vòng trong.
ˆ
= d2 x2 d1d2 x1 d1d2 yr x1 yr d12 x2
20
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
3. MÔ PHỎNG
Trường hợp 2: Khi tải thay đổi nhảy bậc
tại thời điểm 4s và 7s, hệ số đàn hồi thay
đổi.
Trong cấu trúc trên, bài báo đã xây dựng
bộ điều khiển tốc độ cho các động cơ ở
vòng trong, lực căng vòng ngoài dùng bộ
điều khiển PID, vòng dòng điện đã được
xử lý bởi biến tần. Trước hết tính toán các
tham số của hệ truyền động dùng động cơ
không đồng bộ ba pha. Xét ba động cơ ba
pha roto lồng sóc của hãng Siemens có
các tham số giống nhau: Công suất Pđm
=
Hình 4. Đáp ứng tốc độ
với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad
4 kW; Lm = 0,1958 (H); Ls = 0,202 (H);
Lr = 0,2065; Rr = 1,275 (); Rs =1,663 ();
p = 2; nđm = 1400 v/p; JM = 7,47.105 Kgm2;
JL=8.258.105 Kgm2.
Trường hợp 1: Khi tải không đổi hệ số
đàn hồi thay đổi.
Hình 5. Đáp ứng tốc độ
với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad tại thời điểm 4s
Hình 2. Đáp ứng tốc độ
với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad
Hình 6. Đáp ứng tốc độ
với hệ số đàn hồi c=320 Nm/rad tại thời điểm 7s
Hình 7. Đáp ứng tốc độ
Hình 3. Đáp ứng tốc độ
với hệ số đàn hồi c=120 Nm/rad
với hệ số đàn hồi c=120 Nm/rad
Số 25
21
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
có liên hệ ma sát, đàn hồi. Phần trình bày
Nhân xét:
được bắt đầu từ việc xây dựng mô hình
cơ hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mô
hình mô phỏng, kiểm nghiệm bằng phần
mềm Matlab-Simulink. Qua kiểm tra cho
thấy BĐK tốc độ đã nâng cao được chất
lượng của hệ thống truyền động nhiều
động cơ thông qua các tiêu chí đánh giá,
đó là: tính bền vững với nhiễu, đảm bảo
khả năng đồng tốc của các động cơ, đảm
bảo tính chính xác bám. Kết quả nghiên
cứu này là tiền đề để nhóm tác giả phát
Từ các kết quả mô phỏng thấy rằng bộ
điều khiển tốc độ cuốn chiếu cho chất
lượng điều khiển tốt. Trong điều kiện chịu
ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến hệ số đàn
hồi thay đổi, mômen tải thay đổi, hệ thống
vẫn đảm bảo được độ chính xác trong cả
chế độ động và chế độ tĩnh, sai số trong
chế độ tĩnh luôn về 0 trong các trường
hợp khác nhau.
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày kết quả tổng hợp triển bộ điều khiển lực căng cho các dây
BĐK tốc độ bằng phương pháp điều khiển chuyền sản xuất công nghiệp có chứa
cuốn chiếu cho hệ cơ điện nhiều động cơ băng tải đàn hồi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Dao Phuong Nam, Pham Tuan Thanh, Tran Xuan Tinh, Tran Thanh Dat, Pham Van Tu, “High-
Gain Observer based Output feedback Controller for a Two-Motor Drive System: A Separation
Principle Approach”, Lecture Note in Electrical Engineering 465, Scopus Q3, Dec-2017.
[2] Pham Tam Thanh, Dao Phuong Nam, Tran Xuan Tinh and Luong Cong Nho, “High-Gain
Observer–Based Sliding Mode Control of Multimotor Drive Systems”, Book Adaptive Robust
Control Systems, Published by InTech Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia 2018.
[3] B. Allaoua , A. Laoufi and B. Gasbaoui, “Multi-Drive Paper System Control Based on Multi-Input Multi-
Output PID Controller”, Leonardo Journal of Sciences, 2010.
[4] Fawzan Salem, E.H.E. Bayoumi, “Robust fuzzy-PID control of three-motor drive system using
simulated annealing optimization”, Journal of Electrical Engineering, 2011.
[5] Li Jinmei, Liu Xingqiao, “Application of an Adaptive Controller with a Single Neuron in Control of
Multi-motor Synchronous System”, IEEE, 2008.
[6] A. Angermann, M. Aicher, and D. Schroder, “Time-optimal tension control forprocessing plants
with continuous moving webs”, Proc. 35th Annual Meeting- IEEE Industry Applications Society,
Rome, Oct. 1999.
[7] H. Koc, D. Knittel, M. D. Mathelin, “Robust gain-scheduled control of winding systems”, IEEE
Conf. Decision and Control, Sidney, Australia, Dec. 2000.
22
Số 25
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Giới thiệu tác giả:
Tác giả Trần Xuân Tình tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử, nhận bằng Thạc
sĩ chuyên ngành tự động hóa, bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 tại Học viện Kỹ
thuật quân sự. Tác giả hiện là giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện – Học viện Phòng
không - Không quân.
Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng các giải pháp điều khiển hiện đại trong hệ
truyền động điện.
Tác giả Đặng Tiến Trung nhận bằng tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ sư điện -
tự động hóa tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, bảo vệ luận án Tiến
sĩ năm 2019 tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Tác giả hiện là giảng viên Khoa Kỹ
thuật điện - Trường Đại học Điện lực.
Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng các giải pháp điều khiển hiện đại trong hệ
thống điện.
Tác giả Lê Văn Sâm tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện tử, nhận bằng Thạc sĩ
chuyên ngành tự động hóa, bằng Tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự
động hóa 2019 tại Viện Kỹ thuật và Công nghệ quân sự. Tác giả hiện là giảng viên
Bộ môn Kỹ thuật điện - Học viện Phòng không - Không quân.
Lĩnh vực nghiên cứu: ứng dụng các giải pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển
thiết bị bay.
Tác giả Nguyễn Ngọc Tuấn tốt nghiệp đại học chuyên ngành tự động hóa tại Học
viện Kỹ thuật quân sự năm 2006, bảo vệ luận án Tiến sĩ tại Trường Đại học Tổng
hợp vô tuyến điện tử Ryazan, Liên bang Nga năm 2014. Tác giả hiện là giảng viên
Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học viện Kỹ thuật quân sự.
Lĩnh vực nghiên cứu: thiết kế các bộ điều khiển trong hệ truyền động điện, nghiên
cứu phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại.
Số 25
23
7 trang
17840
Free
Bạn đang xem tài liệu "Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho hệ nhiều động cơ bằng phương pháp điều khiển cuốn chiếu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xay_dung_bo_dieu_khien_toc_do_cho_he_nhieu_dong_co_bang_phuo.pdf
