nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong hệ điều khiển vị trí động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Lời nói đầu Điều khiển vị trí thờng là mạch vòng điều khiển ngoài cùng trong các hệ điều khiển tự động nên nó ảnh hởng trực tiếp tới chất lợng điều khiển của hệ thống, đó là một cầu nối quan trọng và là nền tảng để xây dựng các hệ truyền động điện trong công nghiệp. Vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng các tiến bộ khoa học mới trong quá trình tổng hợp hệ điều khiển vị trí nhằm đạt đ- ợc các chỉ tiêu chất lợng cao đang là những vấn đề đang đợc đặt ra. Trớc đây ta thờng dùng các bộ điều khiển tự động với các bộ điều chỉnh P, PI, PD, PID Các bộ điều khiển này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn nh điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức Các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp Tuy nhiên trên thực tế hệ điều khiển vị trí sử dụng các bộ điều khiển R I , R , R với các luật điều khiển PID phổ dụng không đáp ứng đợc các yêu cầu cao về chỉ tiêu chất lợng của hệ thống điều khiển ( nh thời gian qua độ ngắn, độ chính xác cao và rất cao, đặc biệt trong kỹ thuật điều robot). Ngày nay, do ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong điện tử và tin học mà các hệ thống điều khiển tự động đợc phát triển và có sự thay đổi rất lớn. Công nghệ vi mạch phát triển khiến cho việc sản suất các thiết bị điện tử ngày càng hoàn thiện và các bộ biến đổi điện tử công suất trong các hệ thống điều khiển không những đáp ứng đợc khả năng tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ thống. Đặc biệt trong những thập kỷ gần đây sự phát triển mạnh mẽ và càng hoàn thiện của lý thuyết tập mờ, hàng loạt các ứng dụng của lý thuyết tập mờ, logic mờ và điều khiển mờ đã và đang mở ra một kỷ nguyên mới trong điều khiển học kỹ thuật. Tuy là ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ nhng những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ thật là rộng rãi nh điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong các lĩnh vực dân dụng và ngay cả trong ngành y học đã có sự tham gia của điều khiển mờ.Tới nay đã có nhiều sản phẩm công nghiệp đợc tạo ra nhờ áp dụng kỹ thuật điều khiển mờ, đặc biệt ở Nhật Bản hệ điều khiển logic mờ đợc áp dụng rất thành công. 1 Chính vì thế mà việc đi sâu nghiên cứu và áp dụng lý thuyết mờ, logic mờ và điều khiển mờ trong quá trình tổng hợp hệ điều khiển vị trí đã trở nên hết sức cần thiết và hấp dẫn. Tuỳ theo các yêu cầu cụ thể mà hệ điều khiển vị trí thờng đòi hỏi các chỉ tiêu chất lợng cao nh thời gian tác động nhanh đặc biệt là thời gian hãm, độ chính xác cao, độ bền vững tốt với các hạn chế về momen và tốc độ cho phép. Trong quá trình tính toán, tổng hợp theo phơng pháp kinh điển ta áp dụng các chỉ tiêu tối u modul và tối u đối xứng, để thiết kế hệ điều chỉnh vị trí thoả mãn các chỉ tiêu chất lợng trên ở mức cao nhất, cùng với việc áp dụng lý thuyết tập mờ ta có thể dễ dàng giải quyết đợc vấn đề nêu trên. Do cách giải quyết vấn đề của hệ mờ rất giống với các hành vi của con ngời mà ta vẫn th- ờng gặp, các luật điều khiển đợc viết dới dạng các biểu thức ngôn ngữ nên điều khiển mờ rất thích hợp cho các hệ thống điều khiển phi tuyến, hệ thống khó xác định thông số đối tợng hay các thông số đo đạc đợc phải chấp nhận sai số lớn, hệ thống cần phải có khả năng thích nghi cao Dựa vào các cơ sở lý thuyết toán học trên các tập mờ cùng với các kiến thức, kinh nghiệm và sự hiểu biết của các chuyên gia những ngời đã từng điều khiển hệ thống bằng tay ta có thể lập ra các thuật toán điều khiển mờ, trên cơ sở đó thiết kế hệ điều khiển logic mờ để cải thiện chất lợng điều khiển của hệ thống. Xuất phát từ những vấn đề mà thực tiễn đặt ra trên đây, đợc sự đồng ý của Bộ môn Điện Tự Động Trờng Đại Học Hàng Hải và Thầy giáo hớng dẫn Ths Trần Anh Dũng và Ks Phạm Tâm Thành tác giả đã chọn đề tài thiết kế tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong hệ điều khiển vị trí Nội dung của bản đồ án đợc tác giả chia làm bốn chơng. Chơng thứ nhất trình bày tổng quan về hệ điều khiển vị trí hiện đợc sử dụng phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp. Phân tích và mô hình hoá các khâu chủ yếu trong hệ thống và tổng hợp các bộ điều khiển dòng điện, bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển vị trí. Trong chơng này cũng chứng minh đặc tuyến điều chỉnh của bộ điều khiển vị trí là phi tuyến và vấn đề áp dụng điều khiển mờ để thực hiện đặc tuyến điều khiển phi tuyến này. 2 Chơng hai sẽ hệ thống lại một số kiến thức cơ sở về lý thuyến tập mờ. Các cơ sở toán học của hệ mờ đợc trình bày theo phơng pháp mở rộng các kiến thức đã có trên các hệ logic kinh điển. Đồng thời đa vào một hệ thống các khái niệm, định nghĩa trên các tập mờ, thông qua các biến ngôn ngữ và các giá trị ngôn ngữ, nghiên cứu các luật mờ IF-THEN đó là trái tim của hệ thống điều khiển mờ. Chơng thứ ba nói về việc thiết kế hệ điều khiển mờ qua việc phân tích chi tiết trên sơ đồ khối của một bộ điều khiển cơ bản. Chơng bốn dành để trình bày ứng dụng cụ thể của điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí. Trong chơng này sẽ phân tích tỉ mỉ từng bớc của quá trình thiết kế bộ bù mờ. Để thấy đợc hiệu quả của bộ điều khiển mờ tác giả sẽ mô phỏng, khảo sát hệ thống điều khiển vị trí trong cả hai trờng hợp có và không có bộ bù mờ ứng với mỗi giá trị tham số đầu vào. Việc áp dụng kỹ thuật điều khiển mờ trong điều khiển tự động truyền động điện nói chung và điều khiển vị trí nói riêng là những vấn đề lớn và có nhiều hứa hẹn khả quan. Đây chỉ là những bớc vận dụng ban đầu của đề tài, dựa vào những kết quả đã đạt đợc ta có thể thiết kế đợc bộ điều khiển mờ thông minh hơn, giải quyết đợc nhiều vấn đề hơn trên cơ sở bộ điều khiển mờ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu ta đạt đợc hệ điều khiển mờ động, bộ điều khiển mờ lai (Fuzzy Hybrid Controler), bộ điều khiển mờ trợt (Fuzzy Sliding Controler). . . Trong quá trình thực hiện đề tài đã phát sinh nhiều vấn đề khó khăn nh về mặt lý thuyết tập mờ cha hoàn thiện, nguồn tài liệu còn hạn chế. Song để đạt đợc kết quả này Tác giả đã nhận đợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô cùng các bạn đã và đang nghiên cứu về điều khiển mờ. Tác giả vô cùng biết ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo hớng dẫn Ths Trần Anh Dũng, Ks Phạm Tâm Thành và các Thầy cô trong Khoa Điện Bộ môn Điện Tự Động Công nghiệp đã hết lòng giúp đỡ động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để Tác giả hoàn thành bản đồ án này đúng thời hạn. 3 Do thời gian thiết kế đồ án và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên bản đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả cũng biết ơn và trân trọng mọi ý kiến góp ý, xây dựng của các Thầy, các Cô và các bạn để bản đồ án này đợc hoàn thiện hơn. Hải phòng, tháng 02 năm 2005 Sinh viên Đặng văn viết Mục lục Lời nói đầu 1 Mục lục 5 4 Chơng 1:Tổng quan về hệ điều khiển vị trí và vấn đề áp dụng điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí .8 1.1-Truyền độngT- Đ đảo chiều điều khiển chung 9 1.2 Mô hình toán học hệ chấp hành T-Đ 11 1.2.1 Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập 11 1.2.2. Mô hình toán học bộ chỉnh lu có điều khiển 15 1.3. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phơng pháp tổng hợp các mạch vòng 15 1.3.1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện 17 1.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 19 1.3.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí 21 1.4.Tính phi tuyến của điều khiển vị trí 23 1.5 Kết luận 25 Chơng 2: Một số kiến thức cơ sở của logic mờ trong các hệ mờ 26 2.1- Nhắc lại về tập hợp kinh điển 26 2.2- Các phép toán trên tập hợp 27 2.2.1- Hiệu của hai tập hợp 28 2.2.2 - Giao của hai tập hợp 28 2.2.3- Hợp của hai tập hợp 29 2.2.4- Phép bù của tập hợp 30 2.2.5- Tích của hai tập hợp 31 2.3- Lý thuyết tập mờ trong điều khiển mờ 32 2.3.1- Định nghĩa tập mờ 32 2.3.2 - Một số thuộc tính của tập mờ 33 2.3.3- Biến ngôn ngữ 34 2.4- Các phép toán trên tập mờ 35 2.4.1 Phép hợp hai tập mờ 35 2.4.1.1-Hợp hai tập mờ theo luật max 36 2.4.1.2-Hợp hai tập mờ theo luật sum (Lukasiewicz) 36 2.4.2 Phép giao hai tập mờ 37 2.4.2.1- Giao hai tập mờ theo luật min 39 2.4.2.2-Giao của hai tập mờ theo luật tích đại số 39 5 2.4.3 Phép bù của một tập mờ 40 2.5 Các biến ngôn ngữ và các luật mờ if- then 42 2.5.1 Từ các biến số học tới các biến ngôn ngữ 42 2.5.2 Các luật mờ if- then 44 2.5.2.1 Các mệnh đề mờ 44 2.5.2.2 Diễn giải giá trị chân lý của phép toán kéo theo 45 2.6 Kết luận 46 Chơng 3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 47 3.1 Tín hiệu vào/ra 49 3.2 Khâu mờ hóa 51 3.3 Thiết bị hợp thành 52 3.3.1 Thiết bị hợp thành là Max- Min 52 3.3.2 Thiết bị hợp thành là Max- Prod 52 3.3.3 Thiết bị hợp thành là Sum- Prod 52 3.3.4 Thiết bị hợp thành là Sum- Min 53 3.4 Khâu giải mờ 53 3.3.1- Phơng pháp cực đại 53 3.3.2- Phơng pháp điểm trọng tâm 54 3.5 Luật mờ cơ bản 55 3.6 Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 57 3.7 Tính ổn định của hệ điều khiển mờ 58 3.8 Kết luận 59 Chơng 4: ứng dụng khâu bù mờ trong mạch vòng điều khiển vị trí 61 4.1 Tính toán các thông số và mô phỏng hệ điều khiển vị trí khi cha có bộ điều khiển mờ 61 4.1.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập 61 4.1.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí khi cha có bù mờ 65 4.2 Tổng hợp khâu bù mờ 71 4.2.1 Mờ hóa 73 6 4.2.2. Luật điều khiển và luật hợp thành 75 4.2.3 Giải mờ 77 4.3 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí khi có bù mờ 77 4.3.1-Chơng trình mô phỏng viết trên M- file 79 4.3.2-Kết quả mô phỏng 83 4.4 Nhận xét kết quả mô phỏng 92 4.5 Kết luận chung 93 Tài liệu tham khảo 96 7 Chơng 1 Tổng quan về hệ điều khiển vị trí và vấn đề áp dụng điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí Ngày nay, các hệ điều khiển vị trí đặc biệt là các hệ điều khiển các Robot công suất lớn, hệ truyền động điện một chiều kiểu T-Đ đang ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững cao. Cấu trúc chung của hệ điều khiển vị trí gồm ba mạch vòng từ trong ra ngoài là: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí nh trên hình 1.1. Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí sử dụng hệ chấp hành T-Đ Trong đó: R I : Bộ điều khiển dòng điện. R : Bộ điều khiển tốc độ. R : Bộ điều khiển vị trí. ĐC: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 8 K i , K , K : Các hệ số khuếch đại. T i , T , T : Các hằng số thời gian. FT: Máy phát tốc. 1.1 truyền động T- Đ đảo chiều điều khiển chung So với hệ truyền động F-Đ thì hệ truyền động T-Đ đảo chiều khó khăn hơn do các chỉnh lu dẫn dòng theo một chiều và ta chỉ điều khiển đợc thời điểm van mở còn thời điểm đóng van phụ thuộc vào điện áp nguồn. Vì vậy yêu cầu đối với hệ T-Đ đảo chiều là độ an toàn phải cao và logic điều khiển phải chặt chẽ. Tuy nhiên do lợi thế của các hệ T-Đ là độ tác động nhanh, không gây ồn ào và do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất lớn nên các hệ điều khiển có cấu trúc nhiều vòng, mức độ tự động hóa cao thờng sử dụng hệ T-Đ. Đối với từng dải công suất của động cơ và yêu cầu về tần số khởi động lớn hay nhỏ mà ta sử dụng các nguyên tắc điều khiển khác nhau, trong các hệ điều khiển vị trí yêu cầu độ chính xác, thời gian tác động nhanh ta thờng dùng các hệ truyền động không tiếp điểm dùng hai bộ biến đổi có thể điều khiển chung hoặc riêng. Để đảm bảo cho việc đảo chiều thực hiện nhanh và trơn chu ta sử dụng hệ T-Đ gồm hai bộ biến đổi nối chéo nhau, điều khiển chung nh trên hình 1.2 [9] Hình 1.2: Hệ truyền động T-Đ đảo chiều điều khiển chung 9 Trên hình 1.2 mô tả hệ T-Đ đảo chiều điều khiển chung, tại một thời điểm cả hai bộ biến đổi đều nhận đợc xung mở, nhng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lu, còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi. Giả thiết 1 < /2; 2 > /2 sao cho E d1 E d2 thì dòng điện chỉ có thể chảy từ K 1 sang động cơ mà không thể chảy từ K 1 sang K 2 đợc. Để đạt đợc trạng thái này thì các góc điều khiển phải thoã mãn điều kiện: 2 - 1 . Nếu tính đến góc chuyển mạch à và góc khoá thì giá trị lớn nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lu đợi phải là: max = - (à max + ) và giá trị nhỏ nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang làm việc ở chế độ chỉnh lu là: min à + . Nếu chọn E d1 = E d2 thì 1 + 2 = và ta có phơng pháp điều khiển chung đối xứng, khi đó sức điện động tổng trong mạch vòng giữa hai bộ biến đổi sẽ triệt tiêu và dòng điện trung bình chảy vòng qua hai bộ biến đổi cũng triệt tiêu: 0 21 = + = cb dd cb R EE I trong đó R cb là tổng điện trở trong mạch vòng cân bằng. Trong thực tế điều khiển thờng dùng phơng pháp điều khiển chung không đối xứng, tức là 2 > - 1 , khi đó E d1 > E d2 và không có dòng điện cân bằng. Trong các phơng pháp điều khiển chung, mặc dù đã đảm bảo E d1 E d2 , tức là không xuất hiện giá trị trung bình của dòng cân bằng, song giá trị tức thời của sức điện động các bộ chỉnh lu e d1 (t), e d2 (t) luôn khác nhau, do đó vẫn xuất hiện thành phần dòng cân bằng. Để hạn chế biên độ của dòng cân bằng thờng dùng các cuộn kháng cân bằng L cb . 10 [...]... + p.Tdk ) (1 + p.TV ) (1 16 ) Hình 1. 7: Sơ đồ khối mạch chỉnh lu có điều khiển 1. 3 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phơng pháp tổng hợp các mạch vòng Trong hệ điều chỉnh vị trí có ba mạch vòng: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ, mạch vòng vị trí Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo chiều đợc [11 ] Hình 1. 8 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một chiều t Quan hệ giữa .. .1. 2 Mô hình toán học hệ chấp hành T-Đ 1. 2 .1 Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lợng cao, dải công suất động cơ một chiều (Đ) từ vài W đến hàng MW Sơ đồ mạch thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập đợc đa ra nh trên hình 1. 3 Hình 1. 3: Sơ đồ mạch thay thế động cơ điện... (1 + T p ) (1 34) áp dụng tiêu chuẩn tối u đối xứng, ta có: R ( p) = 1 K r K K p (1 + 4Ts p ) 2 p 1+ p 1 + T p Ta chọn = T có: 22 R ( p) = K (1 + 4Ts p) K r K 2T (1 35) R(p) cũng là khâu tỷ lệ đạo hàm (PD) Sau khi tổng hợp ra các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều nh trên hình 1. 15 [11 ] 1. 4 Tính phi tuyến của điều khiển vị trí Bộ điều khiển. .. ( p ). (1 + p.Tk ) (1 9) K I 0 ( p ) + K 0 I ( p) M C = J p. ( p ) (1 10 ) Hình 1. 4 trình bày sơ đồ cấu trúc đã đợc tuyến tính hoá theo các phơng trình (1- 8) ữ (1- 10) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ đợc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số Hình 1. 5: Mô hình tuyến tính hóa động cơ điện một chiều Đặt... bậc cao [11 ] 18 Hình 1. 11: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 1. 3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ Viết gọn sơ đồ hình 1. 11 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ nh trên hình 1. 12 Hình 1. 12: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hàm truyền hệ hở: S ow = R.K w K i Cu.Tc p (1 + p.Tsw ) (1 23) Với Ts =T + 2.Tsi Ts rất nhỏ áp dụng tiêu chuẩn tối u modul: FOMw = Rw ( p ) = 1 1 + 2 p + 2 2 p 2 S ow (1 24)... R JR JR 1+ p+ T p2 2 2 u Cu Cu (1 14 ) Hình 1. 6: Mô hình tuyến tính hoá động cơ một chiều kích từ độc lập Gọi Tc = JR là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của Cu 2 động cơ một chiều nh trên hình 1. 6 [11 ] 1. 2.2 Mô hình toán học bộ chỉnh lu có điều khiển Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều U dk thành xung điện áp có góc thích hợp đa vào mở Thyristor cấp nguồn cho động cơ [2] Sơ... tính điều khiển của bộ điều khiển vị trí là phi tuyến nên để nâng cao chất lợng điều khiển của hệ thống thì việc thực hiện bộ điều khiển vị trí phi tuyến là cần thiết và vô cùng cấp bách đặc biệt khi cần thiết kế các hệ điều khiển vị trí đáp ứng đợc các chỉ tiêu chất lợng cao và rất cao về thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao 25 Chơng 2 Một số kiến thức cơ sở của logic mờ trong các hệ mờ 2 .1 Nhắc... điện một chiều kích từ độc lập Phần ứng đợc biểu diễn bởi một vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần Stato có thể có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập KTĐ, dây quấn kích từ nối tiếp KTN, dây quấn cực từ phụ CF, dây quấn cực bù CB Hệ thống các phơng trình mô tả động cơ một chiều (Đ) thờng là phi tuyến, trong đó các đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng là điện áp phần ứng U,... ( p) 1 1 = d ( p ) 1 + 2Ts p K (1 29) Khi dùng chuẩn tối u module ( p) 1 1 = d ( p ) 1 + 4Ts p K (1 30) Khi dùng chuẩn tối u đối xứng Viết gọn sơ đồ hình 1. 13 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh vị trí nh trên hình 1. 14 Hình 1. 14: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh vị trí 21 Nếu khi tổng hợp mạch vòng vị trí R (p) dùng chuẩn tối u modul, ta có hàm truyền của đối tợng nh sau: S o ( p) = Kr K K (1 + 2Ts... đại lợng đặt là vô sai cấp một đối với đại lợng nhiễu IC [11 ] 20 1. 3.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại nh hình 1. 13 Hình 1. 13: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí Trong đó: 1 K r = : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực i Ts = T + 2Tsi = T+ 2(Tdk + Tv + Ti ) (1- 27) (1- 28) Tổng hợp mạch vòng vị trí cũng tơng tự nh tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta dùng tiêu . vị trí khi cha có bộ điều khiển mờ 61 4 .1. 1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập 61 4 .1. 2 Mô phỏng hệ điều. Chơng 1 Tổng quan về hệ điều khiển vị trí và vấn đề áp dụng điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí Ngày nay, các hệ điều khiển vị trí đặc biệt là các hệ