Đề cương luận văn Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp mô hình nội kết hợp Neural Network

haùp ñònh höôùng tröôøng coù khuyeát ñieåm chính laø nhaïy caûm ñoái vôùi söï thay ñoåi thoâng soá cuûa ñoäng cô.
Ñeå khaéc phuïc nhöôïc ñieåm naøy ñoøi hoûi phaûi caàn söï hoå trôï cuûa maïng Neuron hay fuzzy, chuùng ñoøi hoûi moät löôïng tính toaùn lôùn neân caàn vi xöû lyù coù toác ñoä cao.
Caùc phöông phaùp khaùc khaéc phuïc moät phaàn tính beàn vöõng (Robust) nhöng thuaät toaùn phöùc taïp, caùc thoâng soá ñieàu khieån khoù xaùc ñònh.
Mục tiêu
Đề tài nghiên cứu phương pháp điều khiển dùng mô hình nội (IMC) [7] khắc phục tính bền vững (Robust) [1] cho điều khiển động cơ không đồng bộ, mục tiêu đưa ra cách điều khiển động cơ ít phụ thuộc thông số và tham số điều khiển ít, có thể sử dụng cho một tầm nhất định về mặt công suất.
Cụ thể như sau:
Xây dựng mô hình của đối tượng điều khiển - đối tượng điều khiển ở đây là động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
Xây dựng mô hình ngược cho đối tượng (bộ điều khiển Q).
Kiểm tra tính bền vững đối với sự thay đổi các thông số Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J của động cơ.
Áp dụng Neural Network thay thế mô hình thuận đối tượng P (thay thế mô hình thuận) và bộ điều khiển Q, kiểm tra bằng mô phỏng trên MATLAB/ Simulink.
Ước lượng từ thông rotor bằng Neural Network, kiểm tra bằng mô phỏng trên MATLAB/ Simulink.
Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm tra phương pháp điều khiển dùng IMC, kiểm tra tính thực tiển và tính khả thi của đề tài nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu
So sánh các phương pháp điều khiển ĐCKĐB
Phương pháp
Ưu điểm
Nhược điểm
V/f = const
- Sơ đồ và giải thuật rất đơn giản.
- Không cần sử dụng các cảm biến hồi tiếp dòng và áp, tiết kiệm chi phí. 
Khi điều khiển vòng hở không kiểm soát chính xác tốc độ.
Chất lượng truyền động thấp.
Bị ảnh hưởng bởi sụt áp nguồn và tải thay đổi làm ảnh hưởng đến từ thông và momen ĐC.
FOC
- Tần số đóng ngắt khóa cố định.
- Tổn hao đóng ngắt thấp.
- Có thể điều khiển độc lập từ thông và momen.
- Đáp ứng không bị ảnh hưởng khi tải thay đổi. 
- Phải sử dụng nhiều phép biến đổi tương quan.
- Phương trình tính toán tương đối nhiều, đòi hỏi vi điều khiển có khả năng tính toán mạnh.
- Phụ thuộc rất nhiều vào thông số của ĐC.
DTC
- Hầu như không phụ thuộc vào thông số ĐC.
- Không cần phải sử dụng các phép biến đổi tương quan.
- Cho đáp ứng rất nhanh, chất lượng truyền động rất tốt, hiệu suất điều khiển cao.
- Có thể điều khiển độc lập từ thông và momen.
- Đáp ứng không bị ảnh hưởng khi tải thay đổi.
- Từ thông ĐC luôn được giữ tối ưu. 
- Tần số đóng ngắt linh kiện thay đổi khi không sử dụng các giải thuật nâng cao.
-Yêu cầu tốc độ tình toán và tần số lấy mẫu cao.
-Xảy ra hiện tượng đập mạch do momen có sự dao động khi điều khiển ở tốc độ thấp. 
Phương pháp mô hình nội
Ngoài các phương pháp đã nêu ở trên, các phương pháp còn lại khắc phục được một phần tính bền vững (Robust) nhưng thuật toán khá là phức tạp, các thông số điều khiển khó xác định hơn.
Sử dụng phương pháp điều khiển Mô hình nội (IMC) có các ưu điểm như sau:
Thuật toán đơn giản.
Điều kiện ổn định nội và bền vững diễn tả bằng các hàm truyền đơn giản nên dễ sử dụng trong thiết kế (Trong lĩnh vực điều khiển động cơ KĐB rotor lồng sóc, thông số động cơ thay đổi và rất khó xác định chính xác).
Cấu trúc chính của IMC:
Hình 2 – Phương pháp điều khiển dùng mô hình nội
Trong đó:
	P	: Đối tượng điều khiển
	: Moâ hình cuûa ñoái töôïng.
	Q 	: Boä ñieàu khieån (Moâ hình ngöôïc cuûa )
	r(t)	: Caùc tín hieäu ñaët (set points).
	y(t)	: Các tín hiệu ngõ ra tương ứng
	d(t)	: Nhieãu taùc ñoäng leân heä thoáng.
Bộ Điều Khiển Q
Mô hình lý tưởng: mô hình đối tượng trùng khớp với đối tượng điều khiển
Ta có:	y - = 0.
Tröôøng hôïp naøy khoâng coù tín hieäu hoài tieáp veà do ñoù:
y = P*u = P*(Q* r) = P*Q*r.
Choïn	Q = -1 = P-1	 neân	P.Q = I (vôùi I laø ma traän ñôn vò).
Þ y = r : giá trị ngõ ra mong muốn.
	Mô hình không lý tưởng: mô hình đối tượng khác với đối tượng điều khiển (đây là trường hợp thường gặp trong thực tế)
Ta có:
u = Q*(r-e) = Q*[r-(y-)] 
 = Q*r - Q*[P.u -.u] 
 Þ u = Q*r- Q*[P -].u 
Þ [I + Q*(p -)]*u = Q*r
Þ u=[I + Q*(P -)]-1Q.r
Ngõ ra:	y = P*u	suy ra: y = P.[I+Q (P -)]-1.Q.r
Chọn	Q =.
Þ y = P.[I+P - ]-1.r
Þ y = P.[I+p – I ]-1.r
Þ y = P.[p ]-1.r
Þ y = P...r
Þ y = r 
	Ta nhận thấy rằng nếu P ¹ thì giá trị ra vẫn đạt được giá trị yêu cầu (giá trị mong muốn).
Nhận xét về ma trận Q
	Khi tìm ma trận Q = thì xuất hiện các vấn đề như sau:
Xuất hiện thừa số (s – α ) với α > 0 ở mẫu số làm cho hệ thống mất ổn định.
Bậc tử lớn hơn bậc mẫu Þ không khả thi.
	Khắc phục: Chọn Q sao cho: Q =
Trong đó: 
k, l > 0 : hằng số thực
n được chọn sao cho bậc tử bằng bậc mẫu.
 Lúc này:
Chọn k và l sao cho sai số xác lập giữa y và r là nhỏ nhất.
Khi điều khiển động cơ không đồng bộ, ngõ vào bộ điều khiển Q là tín hiệu đặt có giá trị lớn, khi có nhiễu tác động thì sai số e sẽ lớn làm hệ thống dễ mất ổn định lúc quá độ.
Để khắc phục điều này, Zafiriou và Morari đưa ra thiết kế theo kiểu 2 bước ( two – step design procedure) và cấu trúc IMC khi sai số như sau:
Hình 3 - Bộ điều khiển dùng mô hình nội
Bước 1: Thiết kế bộ điều khiển danh định Q cho trường hợp mô hình hoàn toàn chính xác và không có tác động của nhiễu ( P = , d =0).
Bước 2: Thiết kế bộ lọc IMC dựa vào đặc tính vòng kín mong muốn và sai số của mô hình.
Chương 2: 	TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
--------------------
2.1.Tình hình nghiên cứu liên quan
Ñieàu khieån moâ hình noäi (Internal Model Control-IMC) aùp duïng cho caùc ñoái töôïng oån ñònh, ñöôïc Garcia & Moran ñeà xuaát naêm 1985. Naêm 1987 Zafirion & Moran ñaõ hoaøn thieän nguyeân lyù IMC aùp duïng cho caû ñoái töôïng oån ñònh vaø baát oån [4]. Tính ñôn giaûn cuûa IMC ñaõ thu huùt nhieàu nhaø khoa hoïc vaø noù ñöôïc ñaùnh giaù laø moät phöông phaùp höõu hieäu ñeå thieát keá heä thoáng ñieàu khieån oån ñònh beàn vöõng [7] [8].
Hình 4 - Heä thoáng ñieàu khieån duøng moâ hình noäi.
Hình bên trên trình baøy caáu truùc cuûa moät heä thoáng IMC. Trong ñoù, P laø ñoái töôïng caàn ñieàu khieàn, PÂ laø moâ hình cuûa ñoái töôïng, Q laø moâ hình ngöôïc cuûa ñoái töôïng, F laø boä loïc. Vieäc thieát keá boä ñieàu khieån IMC ñoøi hoûi phaûi coù moâ hình cuûa ñoái töôïng. Ñoái vôùi caùc heä thoáng tuyeán tính vieäc xaây döïng moâ hình vaø moâ hình ngöôïc Q raát deå daøng. Tuy nhieân ñoái vôùi heä thoáng phi tuyeán nhö ñoäng cô khoâng ñoàng boä thì vieäc xaây döïng vaø Q gaëp nhieàu khoù khaên.
2.2.Kế hoạch thực hiện
Nội dung nghiên cứu và bố cục dự kiến của luận văn:
Chương 1: Tổng quan
Tổng quan đề tài
Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
So sánh các phương pháp điều khiển
Chương 2: Phương pháp điều khiển dùng mô hình nội
2.1 Ưu khuyết điểm của phương pháp.
2.2 Mô hình tổng quát.
2.3. Cấu trúc IMC với động cơ không đồng bộ.
Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB và kết quả
	3.1 Xây dựng mô hình động cơ trên MATLAB (hệ tọa độ stator)
	3.2 Xây dựng mô hình thuận phi tuyến
3.3 Xây dựng mô hình ngược
3.4 Xây dựng phương trình và mô phỏng bộ biến đổi
3.5 Xây dựng và mô phỏng bộ lọc.
3.6 Kết quả mô phỏng
	3.6.1 Đáp ứng danh định
	3.6.2 Bền vững với thông số R, L, J
Chương 4: Xây dựng Neural Network thay thế các khối trong mô hình mô phỏng
	4.1 Xây dựng Neural Network ước lượng từ thông rotor.
4.2 Xây dựng Neural Network thay thế mô hình thuận
4.3 Xây dựng Neural Network thay thế mô hình ngược
4.4 Kết quả mô phỏng.
Chương 5: Giải thuật và mô hình thực nghiệm
	5.1 Lưu đồ giải thuật
	5.2 Thiết kế và thi công phần cứng
Chương 6: Kết quả và Thảo luận
Chương 3: 	CÁC KẾT QUẢ SƠ BỘ ĐẠT ĐƯỢC
---------------------
3.1 Mô phỏng điều khiển bằng phương pháp IMC
Hình 5 – Sơ đồ mô phỏng điều khiển ĐCKĐB 3P bằng pp IMC
Thông số của động cơ dùng để mô phỏng:
	Công suất: 	P = 800W
	Điện trở stator	Rs = 1.177Ω
	Điện trở stator	Rr = 1.382Ω
	Điện cảm stator	Ls = 0.119H
	Điện cảm stator	Lr = 0.118H
	Hệ số hỗ cảm	Lm = 0.113H
	Số đôi cực	p = 2.
	Moment quán tính	J = 0.00126 kgm2
	Moment tải	MT = 5 Nm (bắt đầu ở thời điểm 2s)
	Thông số của bộ lọc:
	Thời hằng bộ lọc từ thông:	TFi = 50 ms
	Thời hằng bộ lọc tốc độ:	Tw = 200 ms.
	Thời hằng phép xấp xỉ đạo hàm:	Td = 1 ms
3.2 Kết quả mô phỏng:
Minh họa đáp ứng bộ lọc và đáp ứng của hệ thống điều khiển:
Từ thông:
Hình 6 – Đáp ứng tốc độ của bộ lọc và hệ thống
Tốc độ:
Hình 7 – Đáp ứng từ thông của bộ lọc và hệ thống
Nhận xét: Đáp ứng từ thông và tốc độ của hệ thống điều khiển giống với đáp ứng của bộ lọc.
Đáp ứng danh định (đáp ứng khi mô hình và đối tượng điều khiển trùng nhau)
Từ thông:
Hình 8 – Đáp ứng danh định từ thông của hệ thống
Tốc độ:
Hình 9 – Đáp ứng danh định tốc độ của hệ thống
Moment:
Hình 10 – Đáp ứng danh định moment của hệ thống
Dòng điện 2 pha (isα, isβ):
Hình 11 – Đáp ứng danh định dòng điện của hệ thống
Điện áp 2 pha(usα, usβ):
Hình 12 – Đáp ứng danh định điện áp của hệ thống
TÀI LIỆU THAM KHẢO
----------
[1] M.MORARI & ZAFRIOU. Robust process control, prentice hall, 1997.
[2] NGUYEÃN PHUØNG QUANG. Ñieàu khieån töï ñoäng truyeàn ñoäng ñieän xoay chieàu ba pha, NXB GD, 1996.
[3] NGOÂ VAÊN KY. Ñieàu khieån Toác Ñoäng Cô Khoâng Ñoàng Boä. Luaän Aùn Cao Hoïc, Thaùng 11 Naêm 2000.
[4] E. ZAFIRIOU & M.MORARI, internal model control : Robust Digital controller Synthesis for Multivariable Open-Loop Stable for Unstable Systems, College Park, University of Maryland, Technical Research Report Tr 90-148, 1990.
[5] NGUYEÃN THÒ PHÖÔNG HAØ, Ñieàu Khieån Töï Ñoäng, NXB khoa hoïc kyõ thuaät, 1996.
[6] NGUYEÃN ÑOAÕN PHÖÔÙC & PHAN XUAÂN MINH, Ñieàu Khieån Toái Öa Vaø Beàn Vöõng, NXB Khoa Hoïc Kyõ Thuaät, 1999
[7] DÖÔNG HOAØI NGHÓA & TRÒNH HOAØNG HÔN. Ñieàu Khieån Ñoäng Cô Khoâng Ñoàng Boä Duøng Moâ Hình Noäi. Tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa, Hoäi nghò khoa hoïc coâng ngheä laàn thö 8ù . 2002.
[8] ISABELLE RIVALS & LEÙON PRESONNAZ, Internal Model Control Using Neural Networks, IEEE pp. 17-20, June 1996.
[9] NGUYEÃN VAÊN GIAÙP, Öùng Duïng Matlap Trong Ñieàu Khieån Töï Ñoäng, Nxb Ñaïi Hoïc Quoác Gia Tp Hoà Chí Minh 2000.