Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để điều khiển hệ có tham số thay đổi

Bài báo trình bày một ứng dụng của điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho việc tổng hợp bộ điều khiển cho hệ truyền động Tiristor - Động cơ một chiều (T-Đ). Với phương pháp này, giá trị của các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh một cách tự động trong từng chế độ làm việc của hệ thống.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để điều khiển hệ có tham số thay đổi Đỗ Trung Hải và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 74(12): 57 - 61 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ THAM SỐ THAY ĐỔI Đỗ Trung Hải*, Nguyễn Đức Thăng, Nguyễn Thị Thu Hường Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo trình bày một ứng dụng của điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu cho việc tổng hợp bộ điều khiển cho hệ truyền động Tiristor - Động cơ một chiều (T-Đ). Với phương pháp này, giá trị của các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh một cách tự động trong từng chế độ làm việc của hệ thống.  ĐẶT VẤN ĐỀ Các hệ truyền động điện T-Đ là các hệ trong đó động cơ được cấp nguồn bởi các bộ biến đổi bán dẫn công suất xoay chiều – một chiều có điều khiển. Với bộ nguồn này quan hệ giữa điện áp điều khiển và điện áp ra của bộ biến đổi thường là quan hệ phi tuyến theo hàm số cosin. Khi tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp thông thường người ta thường tuyến tính hoá và coi hệ số khuếch đại của bộ biến đổi có giá trị hằng [1] và [2]. Tuy nhiên tham số của bộ điều khiển sẽ không còn phù hợp bởi hệ số khuếch đại của bộ biến đổi thay đổi theo giá trị của điện áp điều khiển. Do đó, bài báo đề xuất hướng nghiên cứu và ứng dụng luật điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để điều chỉnh tham số của bộ điều khiển trong hệ truyền động T-Đ theo sự biến đổi của hệ số khuếch đại của bộ nguồn chỉnh lưu. CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ THAY ĐỔI ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG Giới thiệu chung Cấu trúc tổng quát hệ truyền động điện được trình bày trong hình 1 [1]. Trong đó: Bộ biến đổi năng lượng (BBĐ) cung cấp nguồn điện cho động cơ điện (ĐC) được nối với máy sản xuất (MSX). Các phần khác được gọi chung là phần điều khiển gồm có bộ điều chỉnh công nghệ RT, bộ đóng cắt phục vụ công nghệ KT, bộ điều chỉnh truyền động R, các bộ đóng cắt phục vụ truyền động K, các bộ ghép nối GN và người vận hành VH. Hình 1. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện Với hệ truyền động T-Đ thì BBĐ là bộ chỉnh lưu có điều khiển Tiristor và ĐC là động cơ một chiều kích từ độc lập. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu và sự biến thiên tham số Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của bộ chỉnh lưu có điều khiển Tiristor, thời điểm thay đổi của điện áp điều khiển Uđk không trùng với sự thay đổi của góc điều khiển . Nghĩa là sau khi điện áp điều khiển thay đổi được một khoảng thời gian là  thì góc điều khiển  mới thay đổi. Như vậy ta có thể coi bộ chỉnh lưu là một khâu chậm trễ có cấu trúc và hàm truyền như sau [5]: Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của BBĐ WCL (s)  KCL .esCL  (1) Tel: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 57 Đỗ Trung Hải và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Ta có thể biểu diễn hàm truyền của bộ chỉnh lưu một cách gần đúng bởi khai triển Mc. Laurin như sau: e  sCL  1 sCL   sCL  0 0! 1 1! s   ...  CL n 1  1  sCL U  U ®k U d  U d0 cos  rcmax  U rcmax 74(12): 57 - 61    (7) Từ (7) ta có được quan hệ vào ra giữa Ud và Uđk có dạng như hình 4: n! (2) Khi đó hàm truyền của bộ chỉnh lưu có thể thay thế bằng một khâu quán tính WCL (s)  K CL 1  sCL (3) Trong đó: - CL là thời gian trễ. Độ dài của thời gian này được xác định một cách ngẫu nhiên. Để tiện cho tính toán CL thường được chọn theo biểu thức:   min (4) CL  max 2 với max  2 2 1   , min  0 m m2f fm trong đó m là số xung áp đầu ra trong 1 chu kỳ điện áp nguồn cung cấp, f là tần số nguồn cung cấp. - KCL là hệ số khuyếch đại của bộ chỉnh lưu. Trong tính toán ta xem KCL là hằng số và xác định bằng cách tuyến tính hoá đặc tuyến quan hệ điện áp đầu ra của BBĐ và điện áp điều khiển U d  f(U ®k ) . Hình 3: Đồ thị quan hệ giữa điện áp điều khiển và góc điều khiển Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu KCL được xác định bằng hệ số góc của tiếp tuyến (ví dụ đường 2,3) với đường cong U d  f(U ®k ) tại các giá trị U ®k tương ứng. Nếu KCL được xác định bằng cách tuyến tính hoá đường cong U d  f(U ®k ) (đường 1) thì K CL  const và việc tổng hợp bộ điều khiển sẽ đơn giản. Tuy nhiên chất lượng điều khiển chỉ được đảm bảo trong phạm vi hẹp của điện áp điều khiển. Giả sử chọn sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha không có điot D0, theo [2] ta có : U d  U d0cos (5) với U d0  3 6 U 2 , U2 là trị hiệu dụng điện 2 áp nguồn cung cấp. Nếu ta dùng điện áp tựa hình răng cưa tuyến tính (hình 3) để xác định thời điểm mở van thì quan hệ giữa góc mở  và điện áp điều khiển U ®k được xác định như sau: U  U ®k  U rc max  U ®k     rc max  (6)  U rcmax U rcmax Thay vào phương trình (5) ta được : Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa Ud và Uđk Để giải quyết bài toán nâng cao chất lượng của hệ thống trong toàn dải điều chỉnh, một trong những giải pháp là ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để tự động điều chỉnh tham số bộ điều khiển cho phù hợp với giá trị của hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn | 58 Đỗ Trung Hải và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG T -Đ Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu [3] thì: 74(12): 57 - 61 T   e   de e dp e  e e e e     p   dt p dt p      e  e   e   p  p  T 2 (12) (12) luôn thoả mãn điều kiện (9) với γ là hệ số dương tuỳ chọn   0 . Như vậy (12) là cơ sở cho ta chỉnh định thích nghi các tham số của bộ điều khiển. Điều khiển thích nghi mạch vòng tốc độ hệ truyền động T-Đ Cấu trúc tổng quát của hệ truyền động T-Đ với một mạch vòng tốc độ như hình 6. Hình 5. Cấu trúc tổng quát của hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Bộ điều khiển theo mô hình mẫu làm việc theo nguyên tắc nếu xuất hiện biến động của tham số của đối tượng thì tham số của bộ điều khiển cũng phải thay đổi theo để đầu ra của đối tượng y(t) b ...