Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng bộ điều khiển thông minh ứng dụng trong công nghiệp

KHOA HỌC-KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG DC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH: ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP • TRIỆU QUỐC HUY TĨM TẮT: Bài báo nghiên cứu thiết kế ứng dụng điều khiển thông minh vào việc điều khiển ổn định tốc độ động DC, đồng thời so sánh với điều khiển PID kinh điển Dựa nguyên lý phương pháp điều khiển PID theo Ziegler - Nichols, tác giả thực phân tích mơ hình tính tốn thơng số Kp, Ki, Kd Từ đó, đề xuất giải pháp kết hợp điều khiển PID với điều khiển mờ tạo thành điều khiển thơng minh Q trình nghiên cứu thực phương pháp mô với hỗ trợ phần mềm Matlab Các kết nghiên cứu cho thấy, điều khiển thông minh đạt chất lượng điều khiển tốt điều khiển PID thơng thường Đặc biệt, dịng khởi động điều khiển thông minh 1/6 so với điều khiển PID thơng thường Từ khóa: mơ hình toán động DC, điều khiển tự động, điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển mờ, điều khiển thông minh Đặt vấn đề Động điện chiều (DC) thiết bị sử dụng rộng rãi sản xuất đời sống Đã có nhiều điều khiển tốc độ động chế tạo, nhiều phương pháp điều khiển đại nghiên cứu nhằm ngày nâng cao chất lượng cho điều khiển Một phương pháp điều khiển tiếng biết đến trở thành phương pháp kinh điển để điều khiển động DC nhiều thiết bị khác công nghiệp PID (Proportional Integral Derivative) Tuy nhiên, thiết kế điều khiển PID liên quan đến phương trình tốn học, động học, hàm truyền việc chọn hệ số’ Kp, Ki, Kd phải qua râ't nhiều khâu tính tốn Khi thực điều khiển thiết bị, người điều khiển chủ yếu dựa thông số để chỉnh định đáp ứng ngõ đôi tượng cần điều khiển cho ổn định mong muốn, phương pháp áp dụng cho hệ thông điều khiển đối tượng đơn giản Hơn nữa, thơng số Kp, Ki Kd tìm chưa phải thơng số tơi ưu Trong đó, điều khiển logic mờ xem phương pháp điều khiển thông minh nhờ vào ưu điểm thiết kế khơng thiết phải biết trước mơ hình toán, mà cần hiểu biết phương thức hoạt động đối tượng, đồng thời thê qua biến ngôn ngữ Trong nhiều trường hợp, khả nhận dạng đốì tượng qua mơ hình tốn khó khăn đơi khơng thể SỐ - Tháng 1/2022 343 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG điều khiển với điều khiển thông thường Điểm mạnh điều khiển mờ sử dụng điều khiển đôi tượng phức tạp, đôi tượng mà việc xây dựng mơ hình tốn khó khăn Ngay đốì với đối tượng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế điều khiển mờ ngắn so với qui trình thiết kế hệ thông điều khiển thông thường Ngày nay, điều khiển mờ ứng dụng thành công nhiều lĩnh vực, đặc biệt hệ thống phi tuyến Bên cạnh ưu điểm điều khiển mờ trực tiếp mặt hạn chế như: thường thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia mang tính “thử sai”, gặp đối tượng phức tạp, người thiết kế nhiều thời gian mà kết có khơng tối ưu sai số điều khiển lớn Từ ưu điểm điều khiển mờ, nhằm mục đích nâng cao hiệu điều khiển PID kinh điển, với nhu cầu ứng dụng công nghệ tự động hóa ngày gia tăng đặc biệt thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0, thúc đẩy tác giả thực nghiên cứu Với điểm đóng góp nghiên cứu tập trung vào nội dung sau: - Đề xuất mô hình điều khiển thơng minh cách kết hợp điều khiển mờ với điều khiển PID để điều khiển tốc động động DC, với mục tiêu ổn định tốc độ giảm dòng khởi động Từ đó, giúp tiết kiệm lượng tăng độ an tồn q trình vận hành hệ thơng - Kết nghiên cứu chứng tỏ điều khiển đề xuất tốt điều khiển PID thông thường Tổng quan nghiên cứu Phương pháp điều khiển PID từ lâu xem phương pháp điều khiển kinh điển kỹ thuật điều khiển tự động PID có nhiều ưu điểm có khả điều chỉnh sai sơ' thấp có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lô, hạn chế dao động Tuy nhiên, điều khiển PID gần áp dụng với đối tượng tuyến tính có mơ hình tốn dạng hàm truyền rõ ràng, đối tượng có tính phi tuyến cao khơng thể điều khiển phương pháp PID đơn lẻ Đê’ khắc phục nhược điểm 344 SÔ' - Tháng 1/2022 điều khiển PID, tác giả cơng trình nghiên cứu [1] đề xuất giải pháp kết hợp PID với “điều khiển chiếu” (Backstepping Controller) để điều khiển robot hai bánh tự cân bám quỹ đạo cho trước Kết nghiên cứu cho thây, điều khiển kết hợp PID “điều khiển chiếu” điều khiển robot bám quỹ đạo tốt với góc nghiêng nhở 30o Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp ổn định hệ thống góc nghiêng robot tương đơ’i lớn Bên cạnh giải pháp kết hợp PID với phương pháp điều khiển phi tuyến để điều khiển đô'i tượng phức tạp, với phát triển mạnh mẽ nhanh chóng khoa học kỹ thuật cho đời nhiều phương pháp điều khiển thông minh, điều khiển mờ xem phương pháp Điều khiển mờ có đặc điểm theo q trình xử lý thông tin định điều khiển giống người Phương pháp thích hợp để điều khiển đôi tượng phức tạp, không xác định mơ hình tốn Tuy nhiên, điều khiển mờ trực tiếp thường thiết kế dựa vào kinh nghiệm chun gia mang tính “thử sai”, gặp đối tượng phức tạp, người thiết kế râ't nhiều thời gian mà kết có lại không tối ưu Đê’ khắc phục nhược điểm điều khiển mờ trực tiếp, có nhiều cơng trình nghiên cứu kết hợp điều khiển mờ với điều khiển khác nhằm tối ưu hóa chất lượng điều khiển như: điều khiển ổn định tốc độ động DC với điều khiển PID mờ lai [2-4]; kết hợp điều khiển mờ thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) để tự chỉnh định tơ'i ưu hóa thơng số điều khiển PID, giúp robot bám quỹ đạo cho trước [5]; hay kết hợp điều khiển trượt - mờ - PID đê’ khắc phục tượng dao động tần số cao điều khiển trượt [6] Phương pháp nghiên cứu 3.1 Mơ hĩnh tốn học động điện DC Giả thuyết kích từ động giữ khơng đổi, ta có mơ hình động DC kích từ độc lập mơ tả Hình Ngoài ra, giả thuyết mạch từ động tuyến tính (Bảngl) KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 1: Mơ hình động DC kích từ độc lập Bảng Các tham sơ' động DC kích từ độc lập STT Kí hiệu Ý nghĩa Đơn VỊ Ra Điện trở phẩn ứng Ohms (Ù) La Điện cảm phẩn ứng va Điện áp phẩn ứng Volt (V) E Sức phản điện động Volt (V) na Tốc độ vịng ®a Tốc độ động M Momen động Mc B Hệ số ma sát 10 J Momen quan tính 11 Từ thông danh định 12 K Hằng số động Momen tải quy đổi trục động H Vòng/phút (RPM) Rad/s Nm Nm Nms Kg-m2 Vs Phương trinh mạch vòng điện áp cho phần ứng động cơ: Va = e + Raia + La^_ a u U Ci dt (3.1) x Trong đó: £ = K(Da (3.2) Phương trình cân mơ men trục động cơ: M = Mr + Bũ)n + J-^(3.3) c a dt Trong đó: M = K