Thạc Sĩ Thiết kế bộ quan sát trượt

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT
Mô tả bị lỗi font vài chữ, tài liệu thì bình thường

MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT VII
BẢNG QUY ƯỚC KÝ HIỆU . VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .X
CHƯƠNG 1 - 1 -
MỞ ðẦU - 1 -
1.1 BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI .- 1 -
1.2 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT .- 4 -
1.3 PHÂN BIỆT GIỮA BỘ QUAN SÁT TRƯỢT VÀ CÁC BỘ QUAN SÁT
TRẠNG THÁI KHÁC .- 5 -
CHƯƠNG 2 - 8 -
ðIỀU KHIỂN CHẾ ðỘ TRƯỢT - 8-
2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN .- 9 -
2.2 CHIẾN LƯỢC ðIỀU KHIỂN .- 11 -
2.3 CƠ SỞ CHẾ ðỘ TRƯỢT .- 14 -
2.3.1 Sự tồn tại của chế ñộ trượt . - 14 -
2.3.2 Tính ñạt ñược ñường ống trượt trong thời gianxác ñịnh - 14 -
2.3.3 Kết quả của ñiều khiển chế ñộ trượt . - 15 -
2.3.4 Vùng hấp dẫn . - 16 -
2.3.5 Chuyển ñộng trượt . - 16 -
2.4 CÁC ðẶC TÍNH ðỘNG HỌC TRONG CHẾ ðỘ TRƯỢT - 18 -
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 -
2.5.2 Các thuộc tính bền vững . - 28 -
CHƯƠNG 3 - 32 -
BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT - 32 -
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .- 32 -
3.2 ðẦU RA VÀ PHÉP NỘI XẠ VI PHÂN ðẦU VÀO .- 39 -
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 BỘ QUAN SÁT TRƯỢT - 52 -
CHƯƠNG 4 - 54 -
BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT CHO ðỘNG CƠ MỘT CHIỀU - 54 -
4.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ðỘNG CƠ ðIỆN MỘT 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 PHỎNG BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT - 58 -
CHƯƠNG 5 - 64 -
THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT TRƯỢT CHO ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA
. - 64 -
5.1 GIỚI THIỆU - 64 -
5.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA - 65 -
5.3 BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT .- 69 -
5.3.1 Mô hình bộ quan sát . - 69 -
5.3.2 Phân tích bộ quan sát . - 70 -
5.4 MÔ PHỎNG BỘ QUAN SÁT TRƯỢT ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ BA
PHA .- 74 -
5.5 ðÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA BỘ QUAN SÁT CHẾ ðỘ TRƯỢT VỚI BỘ
QUAN SÁT TRẠNG THÁI LUENBERGER .- 78 -
5.5.1 Bộ quan sát Luenberger cho ñộng cơ không ñồngbộ ba pha - 78 -
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 ðỒNG BỘ BA PHA DỰA TRÊN BỘ QUAN SÁT TRƯỢT .- 84 -
5.6.1 Thiết kế bộ ñiều khiển . - 84 -
5.6.2 ðáp ứng vòng kín . - 86 -
5.6.3 Kết quả mô phỏng - 88 -
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . - 90 -
1. KẾT LUẬN - 90 -
2. KIẾN NGHỊ .- 91 -
PHỤ LỤC . - 92 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO - 101 -

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 cầucông 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
có thể gây ảnh hưởng xấu ñến hệ thống ñiều khiển [2].
Có ít nhất bốn vấn ñề thường thấy xuất hiện liên quan ñến các cảm biến. Thứ nhất,
các cảm biến thường ñắt. Giá cảm biến có thể nâng giá thành của cả hệ thống ñiều
khiển lên tương ñối lớn. Trong nhiều trường hợp, các cảm biến và phụ kiện ñi theo
ñược coi là những thành phần ñắt nhất của hệ thống.Thứ hai, các cảm biến và dây tín
hiệu có thể làm giảm sự ổn ñịnh của các hệ thống. Thứ ba, một số tín hiệu trên thực tế
rất khó ñể ño. Các tín hiệu không thể tiếp cận ñượcdo một vài lý do như môi trường
khắc nghiệt và chuyển ñộng tương ñối giữa bộ ñiều khiển và cảm biến, ví dụ, ño nhiệt
ñộ trong rotor ñộng cơ ñiện. Thứ tư, các cảm biến gây ra các sai số như nhiễu ngẫu
nhiên, sai số chu kỳ và một số hạn chế.
1.1 BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI
Các bộ quan sát có thể ñược sử dụng ñể thay thế cáccảm biến trong hệ thống ñiều
khiển. Các bộ quan sát là các thuật toán kết hợp giữa các tín hiệu ño ñược và các kiến
thức khác của hệ thống ñiều khiển ñể tạo ra các tínhiệu ñược quan sát. Các tín hiệu
ñược quan sát này có thể chính xác hơn, ít tốn kém hơn và chắc chắn hơn các tín hiệu
ñược ño. Do ñó, các bộ quan sát cho phép các kỹ sư thiết kế thay thế các cảm biến
thực [2].
Các bộ quan sát làm việc dựa trên sự kết hợp kiến thức về ñối tượng, ñầu ra biến
ñổi công suất, và các thiết bị phản hồi ñể lấy các tín hiệu phản hồi. Một ví dụ trong
cuộc sống hàng ngày khi người lái xe có kinh nghiệmmang xe ô tô ñến bãi ñỗ. Người
lái xe kết hợp giữa kiến thức về phanh xe với kiến thức về ñáp ứng ñộng học của xe
trong quá trình phanh mà anh ta ñã có từ trước. Người lái xe có kinh nghiệm sẽ biết
ñược phản ứng của xe như thế nào ñối với lực phanh và sử dụng kiến thức ñó ñể mang
xe ô tô tới bãi ñỗ nhanh nhất và có thể ñiều khiển dễ dàng nhất [2,21].
Nguyên tắc của bộ quan sát là sự kết hợp của các tín hiệu phản hồi ño ñược với
kiến thức về các thành phần của hệ thống ñiều khiển(chủ yếu ñối tượng và hệ thống
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 sửdụng 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 thểcung 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
có thể loại bỏ hoàn toàn các cảm biến, giảm giá cảmbiến và các phụ kiện ñi kèm. Ví
dụ, một trong các phương pháp là phản hồi gia tốc, việc gia tốc ñược quan sát sử dụng
cảm biến vị trí và do ñó loại bỏ sự cần thiết ñối với cảm biến gia tốc riêng biệt.
Các bộ quan sát có thể bền vững hơn các cảm biến thực tế, ñặc biệt khi các tham
số hệ thống thay ñổi nhanh trong suốt quá trình vậnhành. Bộ quan sát có thể mang lại
các lợi ích khi hệ thống vận hành và vì vậy, trong nhiều trường hợp, nó làm giảm giá
thành và tăng ñộ ổn ñịnh [2].
Các kỹ thuật ñược sử dụng ñối với việc quan sát cáchệ thống có các ñầu vào chưa
biết có thể ứng dụng trong nhiều vấn ñề như phát hiện lỗi và loại bỏ nhiễu. Chúng ta
phân biệt hai phương pháp: Một phương pháp bao gồm việc quan sát các ñầu vào chưa
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 ñabiến 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 thuậttoán 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 vớimột 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG ANH
[1] Wilfrid Perruquetti, Jean Pierre Barbot, “Sliding mode control in engineering”,
Library of Congress Cataloging in Publication Data,2002;
[2] George Ellis, “Observers in control systems”, Academic Press, 2002;
[3] S. Drakunov, “Sliding mode observer based on equivalent control method”,
Proceedings of the 31th IEEE CDC92, pp. 2368-2369, 1992;
[4] Francesco Parasiliti, Roberto Petrella, Marco Tursini, “Adaptive sliding mode
observer for speed sensorless control of induction motors”, IEEE, pp. 2277-2283,
1999;
[5] H.R. Sabouhi, A.A. Gharaveisi, “Design of a novel sliding mode observer for
chaotic systems”, Proceedings of World Congress on Engineering, Vol. 3, London,
UK, 2008;
[6] Roy A. McCann, Mohammad S. Islam, “Application of a sliding mode observer for
position and speed estimation in switched reluctance motor drives”, IEEE
Transactions on industry applications, Vol. 37, No.1, January/February 2001;
[7] T. Boukhobza, M. Djemai, J.P. Barbot, “Implicit triangular observer form
dedicated to a sliding mode observer for systems with unknown inputs”, Asian Journal
of Control, Vol. 5, No. 4, pp. 513-527, December 2003;
[8] J.P. Barbot, T. Floquet, “Iterative higher order sliding mode observer for nonlinear
systems with unknown inputs”, Inrrina, version 1, December, 2009;
[9] I. A. Shkolnikov, Y.B. Shtessel, “Multi-rate digital design for sliding mode
observer based feedback control”, American control conference, pp. 2427-2432, June
2005;
[10] Myung Hyun Kim, Sung Won Kang, Gyuhae Park, Daniel J. Inman, “Application
of sliding mode observer for simultaneous vibration control and structural health
monitoring”, Pusan National University, Korea;
[11] K. Hakiki, B. Mazari, A. Liazid, S. Djaber, “Fault reconstructrion using sliding
mode observers”, American Journal of Applied Science 3, pp. 1669-1674, 2006;
[12] J. Blansjaar, “Analysis of a sliding observer for a beam with one-sided spring”,
WFW Report 97.065;
[13] K. David Young, Vadim I. Utkin, “A control engineer’s guide to sliding mode
control”, IEEE transactions on control systems technology,Vol. 7, No. 3, pp. 328-342,
May, 1999;
[14] Jorge Davila, Leonid Fridman, Arie Levant, “Second-order sliding mode observer
for mechanical systems”, IEEE transactions on automatic control, Vol. 50,No. 11, pp.
1785-1789, November, 2005;
[15] Sachit Rao, Martin Buss, Vadim Utkin, “An adaptive sliding mode observer for
induction machines”, American control conference, June, 2008;
[16] Bimal K. Bose, “Modern power electronic and AC drives”, Library of Congress
Cataloging in Publication Data, 2001;
[17] Vadim I. Utkin, Hao Chi chang, “Sliding mode control on electro – mechanical
systems”, Mathematical problems in engineering, Vol. 8, pp. 451-473, 2002;
[18] R. Marino, S. Peresada, P. Valigi, “Adaptive input-output linearizing control of
induction motors”, Automatic Control, IEEE Transaction on, Vol. 38,No. 2, pp. 208-221, February, 1993;
TIẾNG VIỆT
[19] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết ñiều khiển tuyến tính”, Nhà xuất bản Khoa học
và Kỹ thuật, 2002;