Điều khiển tối ưu bền vững kích hoạt sự kiện dùng học củng cố áp dụng cho hệ truyền động PMSM :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẶNG QUANG MINH

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG KÍCH HOẠT

SỰ KIỆN DÙNG HỌC CỦNG CỐ ÁP DỤNG

CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG PMSM

Chuyên ngành: K THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã chuyên ngành: 8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tấn L y

Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 01 n m 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:

1. .........................................................................- Chủ tịch Hội đồng

2. .........................................................................- Phản iện 1

3. .........................................................................- Phản iện 2

4. .........................................................................- Ủy viên

5. .........................................................................- Thƣ ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CN ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đ ng Quang Minh MSHV: 18104631

Ngày, tháng, n m sinh: 09/04/1973 Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: K thuật điện tử Mã chuyên ngành: 8520203

I. TÊN ĐỀ TÀI:

“Điều khiển tối ƣu ền vững kích hoạt sự kiện dùng học củng cố áp dụng cho hệ

truyền động PMSM”

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thiết kế luật điều khiển truyền th ng để chuyển đổi ài toán điều khiển hệ phi

tuyến truyền ngƣợc thành ài toán điều khiển hệ phi tuyến affine tƣơng đƣơng; thiết

kế luật điều khiển tối ƣu kích hoạt sự kiện để loại ảnh hƣởng nhiễu ngoài.

- Thiết kế thuật toán điều khiển truyền th ng và tối ƣu kích hoạt sự kiện để loại bỏ

thủ tục nhận dạng, loại bỏ điều kiện kích thích hệ thống PE (Persistent Excitation)

trong điều khiển thích nghi. Chứng minh sự ổn định của hệ kín sử dụng lý thuyết

Lyapunov. Chứng minh sai số xấp xỉ bị ch n và hàm chi phí hội tụ về giá trị cận tối

ƣu. Áp dụng thuật toán điều khiển cho hệ truyền động PMSM bị ràng buộc ngõ vào,

bị tác động bởi nhiễu ngoài và tham số bất định.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Thực hiện Quyết định số 841/QĐ-ĐHCN ngày

10/07/2020 của Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh về việc

giao đề tài và cử ngƣời hƣớng dẫn luận v n thạc s .

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/01/2021

IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Tấn L y

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng 01 năm 2021

NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA CN ĐIỆN TỬ

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Mƣời tám n m một ch ng đƣờng, tuy không dài nhƣng c ng không ngắn đối với

một đời ngƣời. Trải qua thời gian kể từ ngày tốt nghiệp đại học cho đến nay, sự kh

kh n trong việc tiếp thu các kiến thức mới của một ngƣời ngoại đạo không đ ng

chuyên ngành đ thôi th c tôi không ngừng cố gắng tìm hiểu và trau dồi. Tuy nhiên

kết quả đạt đƣợc c ng chỉ là giới hạn nhất định so với kiến thức vô ờ ến của nh n

loại. ản thân tôi sau những n m tháng học tập vất vả và nghiên cứu c ng đ cố

gắng để hoàn thành đƣợc luận v n này. Tôi luôn ghi nhận những sự đ ng g p giúp

đỡ, sự ủng hộ, sự hỗ trợ nhiệt tình của những ngƣời bên cạnh mình, nh n đ y tôi

muốn gửi lời cảm ơn s u sắc nhất tới họ. Lời cảm ơn tr n trọng đầu tiên tôi muốn

dành tới PGS.TS. Nguyễn Tấn L y, một ngƣời thầy, một ngƣời đồng nghiệp, một

ngƣời anh đ dìu dắt và hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận v n, sự chỉ bảo

và định hƣớng của thầy giúp tôi tự tin nghiên cứu những vấn đề mới và giải quyết

bài toán một cách khoa học. Lời cảm ơn s u sắc muốn đƣợc gửi tới các thầy cô đ

truyền đạt và mở ra cho chúng tôi thấy chân trời tri thức mới, hƣớng dẫn chúng tôi

cách khám phá và làm chủ công nghệ mới. Tôi muốn gửi lời cảm ơn ch n thành đến

tập thể lớp CHĐT8 đ cùng tôi đi qua những tháng ngày miệt mài học tập, cùng

chia sẻ những niềm vui nỗi buồn, động viên tôi đi qua những kh kh n, để tôi vững

ƣớc vƣợt qua những vất vả, quyết tâm hoàn thành luận v n này. Tôi xin tr n trọng

cảm ơn vợ, con tôi đ mang tới tất cả niềm tin, định hƣớng và theo dõi tôi suốt

ch ng đƣờng đời. N ng đỡ và đến bên tôi những gi y ph t kh kh n nhất của cuộc

sống mà tƣởng chừng không thể vƣợt qua. Tôi xin ch n thành cảm ơn an l nh đạo

Khoa Công nghệ Điện tử và đồng nghiệp, đ tạo điều kiện và gi p đỡ tôi trong công

việc và học tập để tôi có thể theo học và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Đ c iệt

là thầy Nguyễn Thanh Đ ng và cô Hu nh Tuyết Vy trong nh m nghiên cứu khoa

học, đ không quản ngại kh kh n ngày đêm đồng hành cùng tôi trong suốt quá

trình thực hiện đề tài này. Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn tới thầy Phạm Công uy

Khoa Công nghệ Điện đ hỗ trợ nhiệt tình để tôi c thể thực nghiệm đƣợc.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Một phƣơng pháp điều khiển mới cho động cơ đồng bộ nam ch m v nh cửu

(Permanent Magnet Synchronous Motors-PMSM) với động học chƣa iết, điện áp

bão hòa, nhiễu tốc độ và dòng điện. Bài toán bám tốc độ và dòng điện của cấu tr c

thông thƣờng đƣợc chuyển thành ài toán điều khiển tối ƣu với cấu trúc mới bằng

bộ điều khiển truyền th ng, từ đ luật điều khiển tối ƣu kích hoạt sự kiện đƣợc thiết

kế. Nghiệm của phƣơng trình Hamilton-Jacobi-Issac (HJI), cung cấp giá trị cho luật

điều khiển và luật nhiễu xấu nhất, đƣợc ƣớc lƣợng bằng một bộ xấp xỉ hàm trực

tuyến đơn giản, áp dụng kỹ thuật học củng cố không cần nhận dạng động học chƣa

biết của PMSM. Hàm đánh giá, luật điều khiển và luật nhiễu xấu nhất đƣợc chứng

minh hội tụ về các giá trị cận tối ƣu. Mô phỏng số và thực nghiệm trên mô hình

PMSM có so sánh với thuật toán điều khiển kinh điển PID (Proportional Integral

Derivative) đƣợc thực hiện để kiểm chứng tính hiệu quả của phƣơng pháp đề xuất.

iii

ABSTRACT

A new control method for permanent magnet synchronous motors (PMSM) with

partially unknown dynamics, saturation voltages, and disturbances in both speed

and current dynamics. The tracking problem of speed and current in conventional

structures is transformed into the optimal control problem with the new structure by

feedforward control, based on which the event-triggered optimal control law is

designed. The solution of the Hamilton-Jacobi-Issac equation (HJI), providing a

value for control and worst disturbance laws, is approximated by a simple online

approximator using reinforcement learning without observing unknown dynamics

of PMSM. The value function, the control and worst disturbance laws are proven to

be converged on the near-optimal values. Numerical simulation and experiment on

model PMSM in comparison with classical control algorithm PID (Proportional

Integral Derivative), is performed to verify the effectiveness of the proposed

method.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đ y là công trình nghiên cứu của ản th n tôi. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận v n là trung thực, không sao chép từ ất k một

nguồn nào và dƣới ất k hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu c )

đ đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đ ng quy định.

Học viên

Đ n Qu n Min

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC S ........................................................................................ii

ABSTRACT..........................................................................................................................iii

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................iv

MỤC LỤC .............................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................viii

DANH MỤC ẢNG IỂU ...................................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................................xi

KÝ HIỆU ............................................................................................................................xiv

MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................1

1. Đ t vấn đề ......................................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................................2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................3

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................3

5. Ý ngh a thực tiễn của đề tài ...........................................................................................4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ L NH VỰC NGHIÊN CỨU..........................................6

1.1 Tổng quan về đề tài.................................................................................................6

1.1.1 Khái niệm về học củng cố................................................................................6

1.1.2 Lịch sử phát triển của RL trong điều khiển .....................................................8

1.2 Tổng quan về điều khiển tối ƣu ền vững.............................................................11

1.3 Tổng quan về điều khiển cho hệ truyền động PMSM...........................................13

1.4 Tổng quan về cơ chế kích hoạt sự kiện.................................................................15

CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................17

2.1 Các định ngh a.......................................................................................................17

2.2 Lý thuyết học củng cố ...........................................................................................18

2.3 Các giải thuật học củng cố kinh điển ....................................................................20

2.3.1 Giải thuật VI ( Value Iteration ).....................................................................20

2.3.2 Giải thuật PI (Policy Iteration).......................................................................21

2.3.3 Giải thuật Q-Learning....................................................................................22

2.3.4 Giải thuật chỉ trích thích nghi ( Adaptive Critic-AC)....................................24

2.4 Xấp xỉ hàm trong RL.............................................................................................25

vi

2.4.1 Sự cần thiết phải sử dụng xấp xỉ hàm trong RL ............................................25

2.4.2 Yêu cầu về xấp xỉ hàm trong RL...................................................................26

2.5 Giải thuật học củng cố trong điều khiển tối ƣu ền vững.....................................27

2.6 Giới thiệu về điều khiển OC ( ield Oriented Control).......................................28

2.7 Động cơ PMSM ....................................................................................................29

2.7.1 Mô hình điện từ của động cơ đồng bộ nam ch m v nh cửu...........................31

2.7.2 Từ trƣờng quay ..............................................................................................31

2.7.3 Phƣơng trình cơ học.......................................................................................34

2.8 iến đổi Clarke: ....................................................................................................35

2.9 iến đổi Park.........................................................................................................36

2.10 iến đổi Park ngƣợc ..........................................................................................39

2.11 Điều chế độ rộng xung: .....................................................................................40

2.12 IGBT..................................................................................................................40

2.13 Giới thiệu về phần cứng điều khiển OC..........................................................41

2.13.1 Code Composer StudioTM

..............................................................................41

2.13.2 Card điều khiển Piccolo F28035....................................................................42

2.13.3 Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số..........................................................................42

2.13.4 Quản lý dữ liệu ..............................................................................................43

2.13.5 Tín hiệu ng vào / ng ra ...............................................................................43

2.13.6 Điều chế độ rộng xung...................................................................................44

2.13.7 Chuyển đổi tƣơng tự sang k thuật số ............................................................44

2.13.8 Điều khiển động cơ k thuật số điện áp cao ...................................................44

2.13.9 Hiệu suất FOC ...............................................................................................46

CHƢƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƢU CHO PMSM VỚI ĐỘNG HỌC KHÔNG

BIẾT, ĐIỆN ÁP BÃO HÒA VÀ NHIỄU NGOÀI..............................................................47

3.1 PMSM và điều khiển truyền th ng........................................................................47

3.1.1 Hệ thống phi tuyến PMSM phản hồi nghiêm ng t ........................................47

3.1.2 Điều khiển truyền th ng.................................................................................48

3.2 Điều khiển ám tối ƣu...........................................................................................53

3.2.1 Phƣơng trình HJI cho điều khiển PMSM ......................................................53

3.2.2 Luật điều khiển bám tối ƣu thích nghi o hòa .............................................55

3.3 So sánh ộ chất lƣợng điều khiển của AOC và PIC .............................................57

3.4 Điều khiển tối ƣu

H



kích hoạt sự kiện với các ràng buộc ng vào và nhiễu

ngoài 61

vii

3.4.1 Phƣơng trình HJI kích hoạt sự kiện ...............................................................62

3.4.2 Thuật toán điều khiển tối ƣu kích hoạt sự kiện

H

......................................62

3.4.3 Ph n tích độ ổn định ......................................................................................66

3.4.4 Thời gian tối thiểu giữa các sự kiện...............................................................70

CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ V Đ NH GI .......................................................................73

4.1 Kết quả thực nghiệm .............................................................................................73

CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................79

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố CỦA HỌC VIÊN .......................................80

T I LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................81

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN....................................................................86