Trong hệ thống truyền động điện, các tham số động cơ như mômen quán tính, điện trở rôto ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển của hệ. Sử dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha là giải pháp hiệu quả giúp cho hệ thống hoạt động ổn định. Bài báo này đề xuất nghiên cứu phương pháp điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ ba pha và ứng dụng bộ điều khiển mờ trong hệ thống điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Đặc tính của bộ điều khiển được minh họa bằng kết quả mô phỏng điều khiển ổn định tốc độ động cơ.
Thiết kế điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển vô hướng động điện không đồng ba pha rơto lồng sóc có tham số mơmen qn tính J biến đổi Designing fuzzy controller for scalar control system of a three-phase squirrel cage induction motor with variable J mơment of inertia Tóm tắt Trong hệ thống truyền động điện, tham số động mơmen qn tính, điện trở rôto ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển hệ Sử dụng điều khiển mờ để điều khiển tốc độ động không đồng ba pha giải pháp hiệu giúp cho hệ thống hoạt động ổn định Bài báo đề xuất nghiên cứu phương pháp điều khiển vô hướng động không đồng ba pha ứng dụng điều khiển mờ hệ thống điều khiển vô hướng động khơng đồng ba pha rơto lồng sóc Đặc tính điều khiển minh họa kết mô điều khiển ổn định tốc độ động Từ khóa: Bộ điều khiển mờ; điều khiển PI; điều khiển vô hướng Abstract In electric drive system, motor parameters such as motor inertia and rôto resistance have great influence on the quality of the control system Using a fuzzy controller to control the speed of a three-phase induction motor is an effective solution for the stable operation of the system This paper proposes a method to control three-phase induction motors and give the application of a fuzzy controller in a three-phase squirrel cage induction motor The characteristics of the controller are illustrated by the simulation results of the stability of the motor speed Keywords: Fuzzy controller; PI controller; Scalar control ĐẶT VẤN ĐỀ Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân PI (Proportional–Integral controller) ứng dụng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp khả điều khiển hiệu quả, cấu trúc đơn giản phạm vi ứng dụng rộng [6, 8] Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số KP , KI điều khiển PI Nhưng hệ số điều khiển PI tính tốn cho chế độ làm việc hệ thống cụ thể, đối tượng có tham số thay đổi, q trình vận hành phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế phát huy hiệu điều khiển nhiều thời gian [2, 7] Nhưng đối tượng điều khiển động khơng đồng (KĐB) ba pha có tham số mơmen qn tính J, điện trở rơto Rr [4] thường xun thay đổi thơng số chất lượng điều chỉnh như: Sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh, số lần dao động, thời gian độ điều khiển PI kinh điển chưa đáp ứng tốt cho hệ truyền động động rơto lồng sóc địi hỏi cần có chất lượng cao Trong số kỹ thuật điều khiển thông minh, logic mờ (fuzzy logic) lên phương pháp thể khả suy diễn óc người [2] ứng dụng thành cơng nhiều lĩnh vực với vai trò quan sát [5] Cơ chế suy diễn mờ xem phương pháp đơn giản hữu hiệu để tinh chỉnh điều khiển kinh điển [8] Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế điều khiển mờ vịng ngồi để chỉnh định tham số PI vòng Bộ điều khiển mờ hệ thống điều khiển vô hướng động ba pha mà tác giả nghiên cứu vừa phát huy ưu điểm điều khiển rõ vừa sử dụng ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi tốn nhận dạng, mơ hình hố hay thiết kế phức tạp 1- Đường đặc tính tuyến tính; - Đường đặc tính phi tuyến Tuy nhiên, vùng tần số thấp, sụt áp trở kháng từ lớn nên từ thông khe hở giảm, khả sinh mômen động giảm Trong thực tế, tỉ lệ điện áp - tần số thường tăng lên vùng tần số thấp để bù lại sụt áp điện trở stato Trên Hình đặc tính điện áp - tần số Dạng đặc tính tuyến tính dạng mang tính lý thuyết, đặc tính phi tuyến đặc tính thực động Với dạng đặc tính phi tuyến, điện áp tỉ lệ tần số vùng tần số cao, tần số giảm nhỏ, điện áp tăng trơn tương đối Điện áp stato cộng thêm thành phần U0 tần số Trị số U0 K chọn để điện áp stato có trị số cần thiết Us = U0+ Kfs NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp điều khiển vô hướng động không đồng ba pha Phương trình sức điện động động Es : E! = ω!∅"K#N$/√2 = 4.44f!K#N$/√2 = 4.44f!∅"K#N$/√2 = 4.44f!K#N$ (1) Trong đó: ws : Tốc độ quay "K#N$/√2 = 4.44f! rad s ' ; ∅"K#N$/√2 = 4.44f! "K#N$/√2 = 4.44f! rad s ' ; ∅"K#N$/√2 = 4.44f!: Từ thông khơng khí; Kw: Hệ số quấn dây; N1: Số vịng dây quấn stato; fs : Tần số dòng điện stato Từ công thức (1) thấy Φm tỉ lệ với tỉ số E! ω! c !! "! Trong điều khiểnm tỉ lệ với tỉ số E! ω! c !! "K#N$/√2 = 4.44f!! Trong điều khiển tần số, giữ từ thông khe hở không đổi tức hệ số c !! "K#N$/√2 = 4.44f!! không đổi khả sinh mơmen lớn Coi sụt áp trở kháng từ nhỏ bỏ qua sức điện động Es xấp xỉ điện áp Us (Es ≈ Us = ωs ϕ = 2πfs ϕ) Đây nội dung bảnfs ϕ) Đây nội dung luật điều khiển điện áp - tần số không đổi 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô kiểm nghiệm Kết mô phỏng: Đặt tốc độ ωrđ = ωđm = 152 (Rad/s) (hay n = 1.450 vòng/phút) Với giá trị tốc độ đặt ωrđ thay đổi: ωrđ > ωđm, chọn ωrđ = 162 (Rad/s) Qua mô phỏng, ta thấy Us =Uđm=380 ωrđ < ωđm: Chọn ωrđ = 142 (Rad/s) 1- Tốc độ đặt: ωrđ = 142 (Rad/s); 2- Tốc độ định mức rôto: ωđm =152 (Rad/ s); 3- Tốc độ rôto bám theo tốc độ đặt Từ đồ thị Hình đến Hình cho thấy giữ giá trị c !! "K#N$/√2 = 4.44f!! = const cho dù thay đổi ωđm độ dao động, độ điều chỉnh, thời gian độ nhỏ bám theo tốc độ đặt Nhận xét: Từ kết mô sơ đồ Hình 8, ta có tỉ số c !! "K#N$/√2 = 4.44f!! = const U! f! = 161 47,5 = 380 50 = Uđ# fđ# = 7,6 Khi giá trị ωrđ giữ nguyên, thay đổi Mc: Chọn ωrđ = 152 (Rad/s), MC = 10N.m (Mc mômen tải mômen cản) Như vậy, ta thực nhiệm vụ đề điều khiển điện áp - tần số không đổi, tốc độ động điều khiển bám theo tốc đặt tốt Tuy nhiên, kết tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể Trong thực tế, trình làm việc, tham số động thay đổi điện trở rơto Rr mơment qn tính J ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Ví dụ mơ hệ thống với ωrđ = ωđm thông số J thay đổi Ta thu kết không tốt mong muốn Như vậy, mơment qn tính J thay đổi thơng số hệ thống thay đổi dẫn đến đáp ứng đầu thay đổi Nên ta phải dùng điều khiển chỉnh định lại thông số hệ thống ứng với thay đổi mơment qn tính J Bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu đề điều khiển mờ 2.3 Thiết kế điều khiển mờ PI Cơ sở để thiết kế điều khiển mờ dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) đạo hàm sai lệch [1, 3], tham số KP , KI điều khiển PI tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ Như vậy, chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t), đạo hàm sai lệch hai đầu Hs KP , Hs KI , xem gồm hai chỉnh định mờ, gồm có hai đầu vào đầu 2.4 Thiết kế điều khiển mờ hệ thống điều khiển vô hướng động khơng đồng ba pha rơto lồng sóc - Áp dụng mơ hình mờ Mamdani xác định đầu vào ra: - Mỗi có đầu vào gồm: Sai lệch e, đạo hàm sai lệch de /dt - Mỗi có đầu ra: Đầu hệ số chỉnh định KP Đầu hệ số chỉnh định KI Xác định biến ngôn ngữ: Nguyên lý chung số lượng giá trị ngôn ngữ cho biến nằm khoảng từ đến 10 giá trị Với yêu cầu điều khiển ổn định tốc độ hệ truyền động T-Đ, chọn số lượng tập mờ cho biến đầu vào biến đầu hợp lý - Sai lệch: e = {âm lớn, âm vừa, âm nhỏ, không, dương nhỏ, dương vừa, dương lớn} e ={NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB} - Đạo hàm: de /dt = {âm lớn, âm vừa, âm nhỏ, không, dương nhỏ, dương vừa, dương lớn} de /dt = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB} - Hệ số chỉnh định: Hs KP , Hs KI = {zero, nhỏ, lớn, lớn} Hs KP , Hs KI = {Z, S, L, U} Luật điều khiển: Dựa vào chất vật lý, số liệu vào có được, kinh nghiệm điều khiển, dựa vào đặc tính độ thường gặp hệ thống điều khiển dùng PI, ta xác định luật điều khiển tương ứng Khi bắt đầu khởi động, lúc cần tín hiệu điều khiển lớn để tín hiệu tăng nhanh, suy KP lớn KI lớn, ta có luật: Nếu e(t) lớn de /dt Zero KP lớn KI lớn Khi sai lệch tiến Zero, ta muốn tín hiệu điều khiển nhỏ để khơng q điều chỉnh, nghĩa KP nhỏ, KI nhỏ, ta có luật: Nếu e(t) Zero dω/dt lớn KP nhỏ, KI nhỏ Với suy luận tương tự, biến có tất tổ hợp × = 49 luật - Luật chỉnh định KP , KI : Bảng Luật chỉnh định KP , K Kết mô phỏng: Mô hệ thống dùng điều khiển mờ với giá trị J thay đổi so sánh với hệ thống dùng điều khiển PI 3 KẾT LUẬN Bộ điều khiển mờ kết hợp với PI kinh điển với cấu trúc thông số thích hợp, tốc độ động điều khiển bám theo tốc độ đặt tốt Các thông số chất lượng điều chỉnh sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động hệ truyền động tốt nhiều so với việc dùng điều khiển PI kinh điển Với kết mô cho thấy với điều khiển mờ thiết kế chất lượng hệ luôn đảm bảo tham số mơmen qn tính J hệ thay đổi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 473 trang [2] Nguyễn Chí Ngơn (2011), Bộ điều khiển PI mờ: Từ thiết ứng dụng, Tạp chí Khoa học - Trường Đại học Cần Thơ Số 18a, trang 82-92 [3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 232 trang [4] Đào Quang Thủy (2015), Tính tốn thiết kế điều khiển động không đồng rơto lồng sóc thuật tốn PID, Tạp chí giao thông vận tải, số tháng 10/2015, trang 32-38 [5] Er, M.J and Y.L Sun (2001), Hybird fuzzy proportional-intergral plus conventional derivative control of linear and nonlinear systems IEEE Transacions on Industrial Electronics, vol 48, no 6, pp 1109-1117 [6] Salami, M and G Cain (1995), An adaptive PID controller based on genetic algorithm processor IEEE Conf Publ No 414, 12-14 Sep 1995, pp 8893 [7] Jones A.H and P.B.M Oliveira (1995), Genetic Auto-tuning of PID Controllers IEEE Conf Publ No 414, 12-14 Sep 1995, pp 141-145