Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật i TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
VIỆN ðÀO TẠO SAU ðẠI HỌC


 

 


NGUYỄN VĂN LINH
¬ Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn
Mã số : 60.52.54
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN XUÂN MINH Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật iii LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Phan Xuân Minh, giảng viên
trường ðại học Bách Khoa Hà Nội, người ñã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện công
trình khoa học này.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn trân trọng tới các thầy, cô giáo trong Bộ môn ðiện Kỹ
thuật, Khoa Cơ ðiện, ðại học Nông nghiệp Hà Nội, ñã tạo ñiều kiện, giúp ñỡ, ñộng
viên tôi, và có những góp ý hết sức bổ ích và cần thiết cho công trình nghiên cứu này.
Tôi muốn gửi lời biết ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong Bộ môn ðiều
khiển tự ñộng, Khoa ðiện, ðại học Bách Khoa Hà Nội về những ñóng góp quý báu
cho luận văn này.
Một lời cảm ơn nồng nhiệt tôi muốn gửi tới các ñồng nghiệp, bạn bè của tôi ñã
thường xuyên thăm hỏi, chia sẻ suy nghĩ trong quá trình tôi thực hiện luận văn này.
ðặc biệt, tôi muốn gửi tình yêu vô hạn tới gia ñình tôi ñã luôn bên cạnh, ñộng
viên, tạo ñiều kiện tốt nhất ñể tôi thực hiện công trình khoa học này.

Tác giả Nguyễn Văn Linh



QUAN

SÁT

CHẾ

ðỘ

TRƯỢT

4

-
1.3

PHÂN

BIỆT

GIỮA

BỘ

QUAN

SÁT

TRƯỢT



9

-
2.2

CHIẾN

LƯỢC

ðIỀU

KHIỂN

11

-
2.3

CƠ

SỞ

CHẾ

ðỘ

TRƯỢT

14

2.4.1 Các hệ thống tuyến tính - 18 -
2.4.2 Các hệ thống phi tuyến - 22 -
2.4.3 Hiện tượng tiếng kêu lạch cạch (chattering) - 24 -
2.5

THIẾT

KẾ

ðIỀU

KHIỂN

CHẾ

ðỘ

TRƯỢT

26

-
2.5.1 ðiều kiện ñạt ñược - 26 -
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật v

2.5.2 Các thuộc tính bền vững - 28 -
CHƯƠNG 3 - 32 -
BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT - 32 -
3.1 GIỚI


3.2.1 Bộ quan sát phi tuyến - 39 -
3.2.2 Bộ quan sát trượt cho ñầu ra và dạng nội xạ phi tuyến vi phân ñầu ra . - 41 -
3.3 QUAN

SÁT

ðẦU

VÀO

MÔ

HÌNH

DẠNG

TAM

GIÁC

45

-
3.3.1 Thiết kế bộ quan sát chế ñộ trượt ñối với ñầu vào mô hình dạng tam giác -
46 -
3.3.2 ðiều kiện xem xét bộ quan sát - 50 -
3.4 MÔ

PHỎNG



CHIỀU

54

-
4.2

BỘ

QUAN

SÁT

CHẾ

ðỘ

TRƯỢT

55

-
4.2.1 Bộ quan sát tốc ñộ - 55 -
4.2.2 Bộ quan sát dòng - 56 -
4.2.3 Bộ quan sát mô men tải - 57 -
4.3.

MÔ



MÔ

HÌNH

TOÁN

HỌC

ðỘNG

CƠ

KHÔNG

ðỒNG

BỘ

BA

PHA

65

-
5.3

BỘ



CƠ

KHÔNG

ðỒNG

BỘ

BA

PHA

74

-
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật vi

5.5

ðÁNH

GIÁ

CHẤT

LƯỢNG

CỦA


5.5.2 Kết quả mô phỏng giữa hai phương pháp - 80 -
5.5.3 Kết luận - 84 -
5.6

THIẾT

KẾ

BỘ

ðIỀU

KHIỂN

CHẾ

ðỘ

TRƯỢT

ðIỀU

KHIỂN

ðỘNG

CƠ

KHÔNG



LUẬN

90

-
2.

KIẾN

NGHỊ

91

-
PHỤ LỤC - 92 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO - 101 - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật vii


Vector trạng thái
U Vector tín hiệu ñầu vào
X
e
Vector trạng thái tương ñương
u Tín hiệu vào
x, x
i
Biến trạng thái
Y Vector tín hiệu ra
s Bề mặt trượt
f, h, g Các trường vector
u
e
Tín hiệu ñiều khiển tương ñương

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU



Hình 2.1 Pha mô tả và miền chế ñộ trượt 19

Hình 2.2 Chuyển ñộng chế ñộ trượt với hai hàm 22

Hình 2.3 Hiện tượng chattering 24

Hình 2.4 Hàm bão hoà sat(s) 25

Hình 2.5
a) Chuyển ñộng chuẩn ε = 0;
b) Chuyển ñộng thực
26

Hình 2.6 Biểu diễn các biến trạng thái theo thời gian 29

Hình 3.1 Giá trị thực (nét liền) và giá trị quan sát (nét ñứt) của biến x
1
53

Hình 3.2 Giá trị thực (nét liền) và giá trị quan sát (nét ñứt) của biến x
2
56

Hình 4.1
Dạng sóng dòng
a
i
ˆ
(nét ñứt) và

ˆ
(nét liền)
61

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xi

Hình 4.5
Dạng sóng dòng
a
i
(nét liền) và
a
i
ˆ
(nét ñứt)
62

Hình 4.6
Dạng sóng tốc ñộ
ω
(nét liền) và
ω
ˆ
(nét ñứt)
62

Hình 5.1 Các cuộn dây trong ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 66

Hình 5.2 Bố trí các cuộn dây trong ñộng cơ không ñồng bộ 67


(nét liền)
76

Hình 5.6
Dạng sóng
α
i
(nét ñứt) và
α
i
ˆ
(nét liền)
76

Hình 5.7
Dạng sóng
β
i
(nét ñứt) và
β
i
ˆ
(nét liền)
77

Hình 5.8
Dạng sóng
β
i
(nét ñứt) và

β
λ
(nét ñứt) và
β
λ
ˆ
(nét liền) – Luenberger
81

Hình 5.12
Dạng sóng
β
λ
(nét ñứt) và
β
λ
ˆ
(nét liền) – quan sát trượt
82

Hình 5.13
Dạng sóng
α
i
(nét ñứt) và
α
i
ˆ
(nét liền) – Luenberger
82

β
i
ˆ
(nét liền) – quan sát trượt
84

Hình 5.17
Sự sai lệch dòng ñiện theo trục q giữa giá trị thực và giá trị quan
sát ñược bởi bộ quan sát trượt
88

Hình 5.18
Sự sai lệch từ thông rotor theo trục d giữa giá trị thực và giá trị
quan sát ñược bởi bộ quan sát trượt
89 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 -
CHƯƠNG 1: MỞ ðẦU

Trong các hệ thống ñiều khiển, ñặc biệt các hệ thống ñiều khiển kín, ñể ñiều khiển
ñối tượng chính xác, ổn ñịnh và tối ưu theo yêu cầu công nghệ ñòi hỏi hệ thống phải
ño ñược các tín hiệu ñầu ra của ñối tượng. Trên thực tế, các tín hiệu ñầu ra của ñối
tượng ñều ñược ño bởi các cảm biến, nhưng các cảm biến thực có những nhược ñiểm

phản hồi), ñáp ứng của ñối tượng có thể ñược biết với ñộ chính xác lớn hơn việc sử
dụng tín hiệu phản hồi. Như ñược chỉ ra trong Hình 1.1, bộ quan sát củng cố thêm ñầu
ra cảm biến và cung cấp tín hiệu phản hồi tới các luật ñiều khiển.
Trong một số trường hợp, bộ quan sát có thể ñược sử dụng ñể nâng cao chế ñộ
thực thi của hệ thống. Nó có thể chính xác hơn các cảm biến và có thể giảm ñộ trễ pha
trong các cảm biến [2]. Các bộ quan sát cũng có thể cung cấp các tín hiệu nhiễu, các
tín hiệu này có thể ñược sử dụng ñể cải tiến ñáp ứng nhiễu. Trong các trường hợp
khác, các bộ quan sát có thể giảm giá thành hệ thống bằng cách củng cố chế ñộ thực
thi của các cảm biến giá trị thấp. Do ñó, sự kết hợp này có thể cung cấp chế ñộ thực thi
tương ñương ñối với cảm biến có giá trị cao. Trong trường hợp có thể, các bộ quan sát
Tín hiệu
ñặt
Hình 1.1. Vai trò của bộ quan sát
Sự hiểu
biết về ñối
tượng/cảm
biến
ðáp
ứng
Nhiễu
Luật ñiều
khiển
Biến ñổi
năng lượng
ðối
tượng
Cảm
biến
Bộ quan sát
trạng thái

biết hay ít nhất xác ñịnh các ngưỡng. Phương pháp còn lại bao gồm việc quan sát các
trạng thái của hệ thống ngay cả khi không có các ñầu vào bất chấp các nhiễu bên ngoài
như thế nào [7].
Vấn ñề thiết kế các bộ quan sát cho các hệ thống ña biến ñược ñiều khiển bởi các
ñầu vào chưa biết ñã ñược nghiên cứu rộng rãi. Các bộ quan sát như vậy rất quan trọng
ñối với các hệ thống có nhiễu ngoài hay các ñầu vào không thể truy cập, và trong
nhiều ứng dụng như phát hiện lỗi và nhận dạng tham số các bộ quan sát bền vững phải
ñược thiết kế. ðối với các hệ thống tuyến tính, ñiều này có thể ñược thực hiện bằng
cách sử dụng các bộ quan sát kiểu Luenberger [8].
Theo [9], thiết kế ngẫu nhiên các bộ quan sát dựa trên mô hình ñối tượng ñược mô
tả bởi một số lượng lớn các loại kỹ thuật lọc Kalman khác nhau. Trên thực tế thiết kế
số của lọc Kalman là tuyệt ñối toàn diện, các thuật toán lọc Kalman có thể dễ dàng
thích hợp với các nguồn tín hiệu ñầu vào tại các tốc ñộ khác nhau, có thể sử dụng thoả
mãn thêm không chỉ từ quan hệ thời gian với một nguồn tín hiệu, mà còn từ sự sai lệch
của nhiều phép ño của cùng tín hiệu.
Thông thường các bộ ñiều khiển phản hồi trạng thái và bộ quan sát trạng thái ñược
xây dựng dựa trên mô hình toán học của hệ thống với một số các chế ñộ dao ñộng nhất
ñịnh, nhưng ñiều này có thể gây ra tràn ñiều khiển và quan sát, do ñó các chế ñộ hệ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - thống không thể ñiều khiển ñược. ðể loại bỏ tràn quan sát sử dụng bộ quan sát chế ñộ
trượt. Việc thực thi bộ quan sát chế ñộ trượt ñược so sánh với sự thực thi của bộ lọc
Kalman truyền thống ñể minh chứng tính bền vững và loại bỏ các tính chất nhiễu [10].
1.2 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT
Khái niệm chế ñộ trượt xuất hiện ở Liên Xô cuối thập kỷ 60 của thế kỷ 20, khi mà
các ảnh hưởng của việc giới thiệu hành ñộng ñiều khiển không liên tục vào các hệ
thống ñộng học ñược nghiên cứu [11]. Từ năm 1977, sự quan tâm ñặc biệt lên các hệ
thống có cấu trúc thay ñổi và ñiều khiển chế ñộ trượt ñã xuất hiện trong cộng ñồng

ñược khi áp dụng bộ quan sát trượt với bộ lọc Kalman như là phần tuyến tính của nó.
Nền tảng của ñánh giá trạng thái bởi bộ quan sát trượt ñược thực hiện bởi bộ quan
sát Luenberger truyền thống. Sự mở rộng phi tuyến ñược thiết kế ñể phản ứng nhanh
với các sai lệch của ñánh giá tuyến tính từ hệ thống phi tuyến hay bù ñối với nhiễu và
các nhiễu ngoài [12].
1.3 PHÂN BIỆT GIỮA BỘ QUAN SÁT TRƯỢT VÀ CÁC BỘ QUAN SÁT
TRẠNG THÁI KHÁC
Các bộ quan sát bền vững ñối với các hệ thống phi tuyến có các ñầu vào chưa xác
ñịnh và hệ số khuếch ñại cao hay các bộ quan sát chế ñộ trượt thường ñược xem xét
dưới các giả thiết rằng hệ thống có thể ñược coi là dạng chuẩn có thể quan sát ñược.
Trong trường hợp các bộ quan sát chế ñộ trượt, việc ñánh giá các trạng thái hệ thống
và các ñầu vào chưa biết có thể ñạt ñược trong thời gian xác ñịnh. Thuộc tính hội tụ
trong thời gian xác ñịnh của các bộ quan sát chế ñộ trượt có thể là các ưu ñiểm trong
các vấn ñề như thiết kế bộ ñiều khiển dựa trên bộ quan sát ñối với các hệ thống phi
tuyến hay trong các ứng dụng ñòi hỏi các ñánh giá nhanh của các ñầu vào chưa biết
giống như phát hiện lỗi và nhận dạng tham số trực tuyến. Các bộ quan sát cấu trúc thay
ñổi trong thời gian xác ñịnh cũng có thể ñược quan tâm ñể giải quyết các vấn ñề quan
sát của một số lớp các hệ thống lai [8].
Theo [6] sự ñơn giản trong tính toán và các thuộc tính bền vững của các bộ ñiều
khiển chế ñộ trượt thúc ñẩy việc nghiên cứu các bộ quan sát chế ñộ. Misawa lần ñầu

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - tiên nghiên cứu thiết kế bộ quan sát sử dụng lý thuyết chế ñộ trượt ñối với các hệ
thống phi tuyến.
Trong một thời gian, bộ lọc Kalman mở rộng ñược coi là giải pháp duy nhất cho
vấn ñề quan sát trạng thái. Tuy nhiên, bộ quan sát này có một vài nhược ñiểm cố hữu,
như sự ảnh hưởng của nhiễu, hạn chế trong tính toán và chưa có các chuẩn thiết kế và
hiệu chỉnh. Vì lý do này, các nhà khoa học ñã quan tâm tới các phương pháp lý thuyết

trong một số trường hợp, ñặc biệt trong quá trình thực hiện vòng kín [9].
Theo [12], ñể ñánh giá các cải tiến trong quan sát trạng thái ñược thực hiện bởi bộ
quan sát chế ñộ trượt, việc xây dựng bộ quan sát trượt ñược so sánh không chỉ với cấu
trúc ñại số ñược xây dựng lại mà còn với bộ lọc Kalman. Ma trận khuếch ñại bộ lọc
Kalman tối ưu ñược tính toán sử dụng các ma trận trọng lượng, biểu diễn các phép ño
khác nhau và các phương trình hệ thống. Bằng cách hiệu chỉnh các giá trị của các ma
trận trọng lượng bộ lọc Kalman tuyến tính có thể ñược áp dụng ñể ñánh giá các hệ
thống phi tuyến.
Bộ quan sát chế ñộ trượt ñược thiết kế ñể phản ứng lại các sai số ñánh giá theo mô
hình ñược theo sau. Các sai số ban ñầu khá lớn ñược giảm dần tỷ lệ bởi phần
Luenberger của bộ quan sát ñược bổ sung bởi các phần phi tuyến. Mục tiêu làm cho
biến bậc không của mỗi bậc tự do dịch chuyển tới không, tương ñương ñạt tới ñường
trượt, bằng cách sử dụng ñóng mở. Nếu ñạt tới ñường trượt, các biến trạng thái bậc cao
hơn cũng sẽ bằng không. Chất lượng của bộ quan sát chế ñộ trượt vẫn ñảm bảo nếu sự
mất ổn ñịnh ñộng học ñược bù [12]. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8 -
CHƯƠNG 2: ðIỀU KHIỂN CHẾ ðỘ TRƯỢT

ðiều khiển chế ñộ trượt (Sliding Mode Control – SMC), là một dạng của ñiều

dụng các phương pháp ñiều biến ñộ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) hay
kỹ thuật tương tự áp dụng tín hiệu liên tục tới ñầu ra là các trạng thái gián ñoạn.
ðiều khiển chế ñộ trượt phải ñược áp dụng với sự quan tâm nhiều hơn so với các
hình thức khác của ñiều khiển phi tuyến, các hình thức có hành vi ñiều khiển khiêm
tốn hơn. Trong thực tế, bởi vì các cơ cấu thừa hành luôn có trễ và những sai lệch khác
nhau, hành vi ñiều khiển chế ñộ trượt cứng có thể dẫn tới hiện tượng chattering – hiện
tượng có tiếng kêu lạch cạch trên các cơ cấu thừa hành, gây tổn thất năng lượng, phá
huỷ hệ thống, và kích thích các ñộng học không mong muốn. Các phương pháp thiết
kế ñiều khiển liên tục không bị ảnh hưởng bởi những vấn ñề này và có thể ñược chế
tạo ñể sao chép các bộ ñiều khiển chế ñộ trượt [21].
2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
ðiều khiển chế ñộ trượt ñã cho thấy ñược các lợi ích của nó. Nó có rất nhiều ưu
ñiểm như thiết kế tương ñối ñơn giản, ñiều khiển chuyển ñộng ñộc lập miễn là các
ñiều kiện trượt ñược duy trì, sự ổn ñịnh ñể xử lý các tính chất ñộng và những thay ñổi
bên ngoài, sự ña dạng của các chế ñộ vận hành như ñiều chỉnh, ñiều khiển chiến lược,
theo mô hình và quan sát [1]. Mặc dù chủ ñề ñã ñược nghiên cứu trong nhiều bài báo,
các cuộc ñiều tra, hay trong các sách, ñiều khiển trượt vẫn ñược coi là ñối tượng của
nhiều nghiên cứu (lý thuyết hay liên quan tới các ứng dụng khác nhau).
ðiều khiển chế ñộ trượt cơ bản là hệ quả của ñiều khiển không liên tục. Trong nửa
ñầu thế kỷ 16, ñiều khiển không liên tục (với dạng ñơn giản nhất là ñiều khiển bang-
bang) là chủ ñề nghiên cứu của các kỹ sư cơ khí và các kỹ sư ñiều khiển. Một số công
trình nổi tiếng như công trình của Hamel (Pháp), hay công trình của Cypkin và
Emelyanov (Liên Xô cũ), ñã giải quyết một cách cẩn thận vấn ñề của các dao ñộng
xuất hiện trong các hệ thống ñiều khiển bang-bang. Những nghiên cứu ñầu tiên này ñã

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10 - quan tâm nhiều hơn tới sự phân tích, tìm nơi xuất hiện hiện tượng, bất chấp những khó
khăn những nghiên cứu ñã không giải quyết vấn ñề bằng các cách khác nhau. Một

=

(2.1)
Ở ñây, lấy giá trị tuyệt ñối và f
1
và f
2
là các bộ lọc xấp xỉ tuyến tính. Do ñó ñầu
ra là không liên tục và ñược ñiều biến bởi hàm của x và vi phân của nó. Thực tế, nó ñã
xuất hiện ở Pháp và ở Liên Xô cũ, những luật này ñã giới thiệu hai lĩnh vực khác nhau:
- Bù tuyến tính tưởng tượng: Kết hợp thông minh của các tín hiệu tuyến tính và
phi tuyến, bao gồm chuyển mạch, có thể dẫn ñến những ưu ñiểm ñáng kể trong

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11 - khi ñang ñược tự do từ những nhược ñiểm cụ thể ñối với các hệ thống tuyến
tính thuần khiết;
- Chúng tạo ra chuyển ñộng trượt bởi ñiều khiển sự phát triển của hệ thống thông
qua chuyển mạch. Chế ñộ này chắc chắn không tối ưu nhưng cho thấy khả năng
khá nhạy cảm.
2.2 CHIẾN LƯỢC ðIỀU KHIỂN
Xem xét hệ thống ñộng học phi tuyến ñược mô tả:
)(),(),()(
tUtXBtXftX
+=
&

(2.2)
ở ñây

)(
)(
1
2
1
Μ

là một vector trạng thái n chiều và
m
m
m
R
tu
tu
tu
tu
tU ∈















Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 12 - trong phương trình (2.2) xung quanh gốc toạ ñộ
[
]
T
X
0, ,0,0=
. Dưới luật ñiều khiển,
bất cứ khi nào hệ thống rời xa khỏi gốc toạ ñộ, thì nó sẽ quay trở lại ñó. Ví dụ, thành
phần
x
1
của vector trang thái
)(tX
có thể mô tả sự sai khác một vài ñầu ra so với tín
hiệu ñược biết ñến (tín hiệu
sin
mong muốn); nếu tín hiệu ñiều khiển
U
có thể ñảm
bảo rằng
x
1
quay trở lại nhanh tới
x
1


Một trạng thái
X
ở ngoài bề mặt trượt này có
0)(
≠
Xs
.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
- 13 - -

Một trạng thái ở trên bề mặt trượt này có
0)(
=
Xs
.
Luật ñiều khiển chế ñộ trượt chuyển từ một trạng thái tới trạng thái khác dựa trên
dấu của khoảng cách. Vì vậy ñiều khiển chế ñộ trượt hoạt ñộng giống như áp lực
không ñổi luôn ñẩy vào hướng của chế ñộ trượt ở ñây
0)(
=
Xs
. Các quỹ ñạo mong
muốn
)(
tX

1
×
n
ñược cho bởi
{
}
0)(: =∈ XsRX
k
n

(2.3)
Phần quan trọng của thiết kế VSC là chọn luật ñiều khiển ñể chế ñộ trượt (bề mặt
trượt này ñược cho bởi
0)(
=
Xs
) tồn tại và ñạt ñược dọc theo các quỹ ñạo hệ thống.
Nguyên tắc của ñiều khiển chế ñộ trượt là ñiều khiển bắt buộc hệ thống, bởi chiến lược
ñiều khiển phù hợp, ñể ở trên bề mặt trượt thì hệ thống sẽ biểu diễn ñược các ñặc tính
mong muốn. Khi hệ thống ñược ñiều khiển bởi ñiều khiển trượt ñể ở trên bề mặt trượt,
các ñộng học hệ thống ñược ñiều khiển bởi hệ thống giảm bậc ñạt ñược từ phương
trình (2.3).
ðể ép các trạng thái hệ thống
X
thoả mãn
0)(
=
Xs
, ta phải:
1.