Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ PID2 vào điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Bài viết Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ PID2 vào điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ PID2, đây chính là bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo hàm e mũ.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 41 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID2 VÀO ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU FUZZY PID2 SPEED CONTROLLER FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS (PMSM) Đinh Văn Nhượng1, Nguyễn Văn Tiệp1, Trần Hoàng Vũ2 Trường Đại học Sao Đỏ; Email: nhuongdv2000@gmail.com Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: tranhoangvu_university@yahoo.com.vn Tóm tắt - Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phương pháp vào điều khiển PMSM, nhiên PMSM có tính phi tuyến phức tạp nên việc điều khiển gặp nhiều khó khan, đặc biệt tham sớ đợng thay đổi Kỹ thuật điều khiển thông minh logic mờ phát triển ứng dụng vào cải thiện chất lượng điều chỉnh tốc độ động điện Có nhiều nghiên cứu so sánh hoạt đợng bợ điều khiển fuzzy logic với bộ điều khiển PI kinh điển đến một kết luận sử dụng bộ điều khiển fuzzy logic cho chất lượng cao Tuy nhiên vấn đề tham số động thay đởi vẫn tốn khó cho q trình điều khiển Bài báo đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ PID2, bợ điều khiển tự chỉnh mờ PID có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo hàm e mũ Với tốc độ điều chỉnh tham số theo hàm e mũ vào điều khiển tốc độ PMSM, kết cho thấy chất lượng điều khiển tốt, độ tin cậy cao Abstract - There have been many studies on the application of PMSM control methods; however, the motor has complicated nonlinear characteristics so that it is difficult to control it, especially when there are changes in parameters of the motor Intelligent control techniques such as fuzzy logic have been developed and applied to improving the quality of motors speed control There are many comparative studies between fuzzy logic and classical PI controller and all of these studies come to a conclusion that it is better to use fuzzy logic controller However, the changes in motor parameter is difficult in control process and control quality In this paper, writers propose a method of using PID2 fuzzy logic control This is the PID fuzzy self control but having PID exponential control With the application of the exponent speed of parameter control to controlling the speed of PMSM, as a result, the control quality is good and the reliability is high Từ khóa - logic mờ; bộ điều khiển PI; bộ điều khiển PID; PMSM; chất lượng điều khiển Key words - fuzzy logic, PI control, PID control, PMSM, Quality of control Đặt vấn đề Động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu có vị trí quan trọng cơng nghiệp Lớp động đạt hiệu tốt, có phần vượt trội nhiều loại động cảm ứng khác cơng nghiệp Đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng phương pháp vào điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM), nhiên động đồng nam châm vĩnh cửu có tính phi tuyến phức tạp nên việc điều khiển gặp nhiều khó khăn đặc biệt tham số động thay đổi Kỹ thuật điều khiển thông minh logic mờ phát triển nghiên cứu ứng dụng vào cải thiện chất lượng điều chỉnh tốc độ động thiết bị điện nói chung Có nhiều nghiên cứu so sánh hoạt động điều khiển fuzzy logic với điều khiển PI kinh điển đến kết luận sử dụng điều khiển fuzzy logic cho chất lượng cao [1,2,3] Tuy nhiên vấn đề tham số động thay đởi vẫn tốn khó cho q trình điều khiển, khiến chất lượng điều khiển còn nhiều hạn chế [4], báo đề xuất phương pháp dùng điều khiển mờ PID2 với tốc độ điều chỉnh tham số theo hàm e mũ vào điều khiển tốc độ PMSM Ý nghĩa ký hiệu PID2 sử dụng điều khiển tự chỉnh mờ PID có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo hàm e mũ Hình Sơ đờ nguyên lý hệ điều khiển động PMSM Mô hình toán học PMSM 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển PMSM Trên Hình sơ đồ điều khiển PMSM theo kiểu điều khiển vector PMSM cung cấp nguồn áp Vdc với điều khiển tốc độ, dòng điện chuyển đổi PWM 2.2 Mơ hình tốn học hệ tọa độ d-q Khi chuyển sang hệ tọa độ dq, từ thông tách thành thành phần dọc trục (Id), thành phần ngang trục (Iq) Khi Ids số thì PMSM giống động chiều [5] Lúc phương trình điện áp động sau: did Vd = Rs id + Ld − s Lq iq (1) dt diq Vq = Rs iq + Lq − s ( Ld id +  f ) (2) dt id ( s) 1/ Rs = = (3) Vd ( s) + s Lq iq ( s) Rs + Ld s +  s s iq ( s) 1/ Rs (4) = = Vq ( s) − s ( Ld id ( s) + f ) Rs + Lq s +  s s Trong Rs điện trở stator, Ld điện cảm dọc trục, Lq điện cảm ngang trục,  s tốc độ góc dòng điện,  f Ld Lq từ thông stator-rotor  s = = Rs Rs Phương trình momen: T = p[ f iq + ( Ld − Lq )id iq ] (5) Vì Ld = Lq nên (5) viết lại sau: T = p f iq = kT iq (6) Chuyển đổi laplace phương trình (6) Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Văn Tiệp, Trần Hoàng Vũ 42 T ( s) = p f = kT iq ( s) (7) p số đôi cực động Phương trình cân momen d T − TL = J + B dt Chuyển đổi Laplace phương trình (8)  ( s) = T ( s) − T L Js + B (8) (9) TL momen tải, J momen quán tính, B hệ số ma sát 2.3 Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ Từ phương trình (1-9) mơ tả cấu trúc PMSM theo sơ đồ khối trình bày hình Thiết kế điều khiển mờ PID2 Cấu trúc điều khiển mờ PID2 dạng số tín hiệu đầu vào xuất phát từ sai lệch e tín hiệu đầu biểu diễn phương trình sau: u (n) = u (n − 1) + u (n) u (n) =  K p *exp(−uFC1 )  e(n) +  K D / Ts *exp(uFC1 )  e( n) +     n +  K I Ts *(1 − exp(−uFC ))   e(i) +  K D / Ts *(exp(uFC )  e ( n)   i =0  (10) Trong đó: biến trạng thái sai lệch e định nghĩa bởi:  e( n ) =  * ( n ) −  ( n )  e(n) = e(n) − e(n − 1) (10)   e(n) = e(n) − e(n − 1)  Ts - thời gian lấy mẫu * (n)- tốc độ đặt  ( n)- tốc độ thực tế e( n)- sai lệch e(n) - vi phân sai lệch 2 e(n) - vi phân bậc sai lệch Kp - hệ số tỉ lệ KI - hệ số tích phân KD - hệ số vi phân Nếu đặt: u1 (n) =  K p *exp(−uFC1 )  e(n) +  K D / Ts *exp(uFC1 )  e(n)   n u2 (n) =  K I Ts *(1 − exp(−uFC ))   e(i ) +  K D / Ts *(exp(uFC )  e (n)   i =0  (12) Thì u (n) = u1 (n) + u2 (n) với: u1 (n) = u1 (n − 1) + u1 (n) u2 (n) = u2 (n − 1) + u2 (n)  (11) 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Trên Hình biểu diễn cấu trúc điều khiển tốc độ động PMSM sử dụng điều khiển mờ kết hợp với PID (P+I+D+D2) chỉnh định tham số PID theo hàm e mũ Với biến đầu vào mờ FC1 gồm sai lệch tốc độ e(kt) vi phân bậc ed1(kt); biến đầu vào điều khiển mờ FC2 gồm vi phân bậc ed2(kt) tích phân ei(kt) Tín hiệu đầu điều khiển là: u (kt ) = u1 (kt ) + u2 (kt ) 3.2 Xây dựng quy tắc mờ cho điều khiển Xác định tín hiệu vào điều khiển mờ: - Tín hiệu vào điều khiển mờ FC1 e(kt), ed1(kt); FC2 ed2(kt), ei(kt) Gọi tập mờ đầu vào FC1 FC2 tương ứng {âm nhiều, zero, dương nhiều}, hay viết tắt {NB, ZO,PB} - Tín hiệu điều khiển mờ FC1 uFC1(kt) ; FC2 uFC2(kt) Gọi tập mờ đầu FC1 FC2 đương ứng {âm nhiều, zero, dương nhiều}, hay viết tắt {NB, ZO,PB} Lựa chọn hàm liên thuộc tín hiệu vào hình tam giác (trimf), sử dụng hàm suy luận logic mờ Mamdani Xác định quy tắc điều khiển mờ: - Đối với điều khiển mờ FC1 có quy tắc mờ: R1: if e(kt) is N and ed1(kt) is N, then uFC1(kt) is N; R2: if e(kt) is N and ed1(kt) is P, then uFC1(kt) is Z; R3: if e(kt) is P and ed1(kt) is N, then uFC1(kt) is Z; R4: if e(kt) is P and ed1(kt) is P, then uFC1(kt) is P; - Đối với điều khiển mờ FC2 có quy tắc mờ: R5: if eI(kt) is N and ed2(kt) is N, then uFC2(kt) is N; R6: if eI(kt) is N and ed2(kt) is P, then uFC2(kt) is Z; R7: if eI(kt) is P and ed2(kt) is N, then uFC2(kt) is Z; R8: if eI(kt) is P and ed2(kt) is P, then uFC2(kt) is P Ưu điểm việc kết hợp điều chỉnh các tham số theo hàm mũ e với điều khiển PID mờ - Phương pháp tận dụng ưu điểm phương pháp thiết kế điều khiển PID có sẵn, phép chỉnh định thực hệ thống kín có khả ứng dụng cao thực tế - Phương pháp không đòi hỏi việc phải nhận dạng xác đối tượng điều khiển hay hệ thống - Phương pháp dễ thực lập trình để chỉnh định tự động máy tính hệ thống thực Kết mô Bài báo sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô với đối tượng động đồng nam châm vĩnh cửu có tham số sau: P = 1kW, Vd = 300V, Rs = 1.4, Ls = 9.5mH, Jmin=0.03kgm2, Jmax=0.23kgm2, B = 0.4*10-3 kgm2/s Các kết mô trình bày hình: từ Hình đến Hình Từ Hình 4, Hình Hình cho thấy đáp ứng tốc độ, dòng điện (Id, Iq) nhanh ổn định, độ bám theo quỹ đạo đặt tốt, lượng điều chỉnh thay đổi mô men tải nhỏ thời gian độ (tqđ < 1s) nhỏ Hình Hình thể đáp ứng tốc độ thay đổi tham số mô men tải, điện trở Rs Mặc dù thay đổi tham số khác đáp ứng đầu vẫn nhanh ổn định bám theo quỹ đạo đặt trước Trong giai đoạn giảm tốc (do tải thay đổi) thời gian t = 1.6, nhận thấy kết luận tương tự đầu vẫn nhanh ổn định bám theo quỹ đạo đặt ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN trước Hình Sơ đờ khối cấu trúc điều khiển PMSM Hình Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID2 ngắt tải; t=1.2 giảm tốc đợ) Hình Đáp ứng tốc đợ (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, 43 Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Văn Tiệp, Trần Hồng Vũ 44 Hình Đáp ứng sai lệch e (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ) Hình Đáp ứng dòng Id Iq (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ) Rs1=1.4; Rs2=2.4) Kết luận Từ kết mô Matlab-Simulink cho thấy thuật toán điều khiển tự chỉnh mờ PID2 hồn tồn xác, cho kết điều khiển có chất lượng cao, có khả thích nghi với thay đổi tham số đối tượng phi tuyến PMSM Với điều chỉnh tham số Kp, Kd, KI, Kd2 theo hàm e mũ đặc biệt có thêm thành phần xác định gia tốc biến đởi tín hiệu Kd2 kết hợp với luật điều khiển mờ PI, làm cho đáp ứng đầu trạng thái tăng tốc nhanh hệ thống còn trạng thái độ Do rút ngắn thời gian độ hệ thống Kết cho thấy thông số chất lượng điều chỉnh sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh, thời gian độ trình đáp ứng tốt yêu cầu hệ thống điều khiển tự động Có thể nói điều khiển tự chỉnh mờ PID2 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất lượng cao cho đối tượng PMSM TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Đáp ứng tốc đợ (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, TL=6Nm; t=1.2 ngắt tải) [1] S.Z.HE, S.Tan, and F.L.Xu, “Fuzzy gain scheduling of PID controller”, IEEE Trance Syst, Man, Cybern, Vol 23, pp 13921398, Oct 1993 [2] M Cheng, Q Sun, and E Zhou, “New self-tuning fuzzy PI control of anovel doubly salient permanent - magnet motor drive”, IEEE Trans Ind Electron., Vol 53, No 3, pp 814-821, Jun 2006 [3] M N Uddin, T S Radwan, M A Rahrans, “Perfornabces of fuzzy logic based indirect vector for induction motor drive”, IEEE Trans Ind Electron., Vol 38, pp 1219 - 1225, Sept./Oct 2002 [4] Jin-Woo Jung, Han Ho Choi, and Tae-Heoung Kim, “Fuzzy PD Speed Controller for Permanent Magnet Synchronous Motors”, Journal of Power Electronics, Vol 11, No 6, Nov 2011 [5] K Hakiki, A Meroufel, V Cocquempot, M Chenafa, “A New Adaptive Fuzzy Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Drive”, IEEE Trans Ind Electron., Vol 58, pp 922 - 927, Jun 2010 Hình Đáp ứng tốc độ(khi thay đổi tham số (BBT nhận bài: 10/03/2014, phản biện xong: 02/04/2014) ... 11(84).2014, QUYỂN trước Hình Sơ đờ khối cấu trúc điều khiển PMSM Hình Cấu trúc bợ điều khiển mờ PID2 ngắt tải; t=1.2 giảm tốc đợ) Hình Đáp ứng tốc độ (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, 43 Đinh Văn... tính hệ thống thực Kết mô Bài báo sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô với đối tượng động đồng nam châm vĩnh cửu có tham số sau: P = 1kW, Vd = 300V, Rs = 1.4, Ls = 9.5mH, Jmin=0.03kgm2, Jmax=0.23kgm2,... Vũ 44 Hình Đáp ứng sai lệch e (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, ngắt tải; t=1.2 giảm tốc đợ) Hình Đáp ứng dòng Id Iq (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ) Rs1=1.4; Rs2=2.4)