Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều khi điều khiển nhiều mạch vòng

1 MỞ ĐẦU 1- Lý chọn đề tài Cho đến động điện chiều dùng phổ biến hệ thống truyền động chất lượng cao với dải công suất từ vài W đến hàng MW, với ưu điểm tốc độ điều chỉnh trơn phạm vi rộng Điều khiển tốc độ động điện chiều điều khiển nhiều mạch vịng có tính tốt trạng thái ổn định trạng thái động, cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, thiết kế thuận lợi Khi kết hợp sử dụng phương pháp điều khiển đại nhận hệ thống có tiêu chất lượng cao Do lựa chọn đề tài: " Nghiên cứu tổng hợp điều chỉnh lai sử dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện chiều điều khiển nhiều mạch vòng" 2- Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 2.1- Ý nghĩa khoa học Đề tài nghiên cứu phương pháp thiết kế ứng dụng điều chỉnh hệ thống truyền động có kết hợp sử dụng phương pháp điều khiển nâng cao chất lượng hệ thống truyền động 2.2- Ý nghĩa thực tiễn Đề tài góp phần xây dựng phương pháp thiết kế kỹ thuật hệ thống điều khiển truyền động điện đơn giản hơn, thực dụng Khi thiết kế tính tốn cụ thể tham số cần dựa theo cơng thức có sẵn số liệu bảng xác định Do làm cho việc thiết kế quy chuẩn hoá, giảm nhẹ nhiều cơng sức Đề tài góp phần việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển kết hợp sử dụng điều khiển mờ lai Nó thích hợp cho hệ thống điều khiển tốc độ thông dụng, hệ thống tuỳ động hệ thống phản hồi tương tự Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình tơi tổng hợp nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Lý Ngơ Mai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT,CÁC KÍ HIỆU Stt Kí hiệu Diễn giải R Bộ điều chỉnh tốc độ quay RI Bộ điều chỉnh dòng điện FX Thiết bị phát xung FT Máy phát xung đo tốc độ C Điện dung Ce Hệ số sức điện động động chiều h Chiều rộng trung tần đặc tính tần số mạch hở I, i Id, id 10 Ki Hệ số khuếch đại mạch hở hệ thống mạch kín 11 L Điện cảm; phụ tải - Load 12 Mr Giá trị đỉnh cao đặc tính dải tần hệ thống mạch kín 13 N Động lƣợng nhiễu 14 n Tốc độ quay 15 n0 Tốc độ quay không tải lý tƣởng 16 p=(d/dt) 17 R Điện trở, tổng trở mạch vòng roto 18 T Hằng số thời gian 19 t Thời gian 20 TI Hằng số thời gian điện từ mạch roto 21 Tm Hằng số thời gian điện 22 To Hằng số thời gian lọc sóng 23 TS Thời gian điều khiển trung bình Thyristo 24 tS Thời gian điều chỉnh 25 U, u Cƣờng độ dòng điện, dòng điện mạch roto Dòng điện chỉnh lƣu Toán tử vi phân Điện áp, điện áp cấp cho mạch roto Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 Ud, ud Điện áp chỉnh lƣu 27 Udk Điện áp điều khiển thiết bị phát xung 28 Ud0 Điện áp chỉnh lƣu không tải lý tƣởng 29 Un * Điện áp ứng với tốc độ quay cho trƣớc 30 Un Điện áp phản hồi tốc độ quay 31 Ui * Điện áp ứng với dòng điện cho trƣớc 32 Ui Điện áp phản hồi dòng điện 33 W(p) Hàm số truyền, hàm số truyền vòng hở 34 WK(p) Hàm số truyền vòng kín 35 z Hệ số phụ tải 36  Hệ số phản hồi tốc độ quay 37  Hệ số phản hồi dịng điện 38  Độ dơi dƣ góc pha 39 n Độ giảm tốc độ quay 40 U Độ chênh áp 41  Hệ số cản 42  Hệ số tải cho phép động 43 % 44  Hăng số thời gian, số thời gian tích phân 45  Tốc độ góc, tần số góc 46 c Tần số ngắt đặc tính mạch vịng hở 47 Inom 48 Idm 49  Độ điều khiển Giá trị dòng điện định mức, giá trị đặt tên - nominal Giá trị dòng điện cực hạn, giá trị đỉnh cao Giá trị tƣơng đối số thời gian vi phân tốc độ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Stt Kí hiệu Bảng 2-1 Diễn giải Sai số trạng thái ổn định hệ thống loại I dƣới tác dụng loại tín hiệu khác Bảng 2-2 Quan hệ tiêu chất lƣợng bám trạng thái động tham số hệ thống điển hình loại I Bảng 2-3 Quan hệ tiêu chất lƣợng động tham số hệ thống điển hình loại I Bảng 2-4 Giá trị Mrmin tỉ số số độ rộng trung tần h khác Bảng 2-5 Sai số trạng thái ổn định với tín hiệu đầu vào khác hệ thống điển hình loại II Bảng 2-6 Chỉ tiêu chất lƣợng bám đầu vào nhảy vọt hệ thống điển hình loại II Bảng 2-7 Quan hệ tiêu chất lƣợng chống nhiễu trạng thái động tham số hệ thống điển hình loại II Bảng 2-8 Chỉ tiêu chất lƣợng chống nhiễu hệ thống hai mạch vòng kín có phản hồi âm vi phân tốc độ quay Bảng 3-1 Các luật điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Stt Kí hiệu Hình 1-1 Diễn giải tên hình vẽ Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín tốc độ quay dịng điện Hình 1-2 Sơ đồ ngun lý mạch điện hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Hình 1-3 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Hình 1-4 Đƣờng đặc tính tĩnh hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Hình 1-5 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Hình 1-6 Đồ thị tốc độ quay dòng điện hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín Hình 1-7a Tác dụng chống nhiễu trạng thái động hệ thống điều tốc vịng kín đơn Hình1-7b Tác dụng chống nhiễu trạng thái động hệ thống điều tốc hai vịng kín Hình 2-1 Hệ thống điển hình loại I 10 Hình 2-2 Hệ thống điển hình loại II 11 Hình 2-3 Đƣờng cong thích nghi nhảy vọt điển hình tiêu chất lƣợng bám 12 Hình 2-4 Quá trình trạng thái động đột ngột tăng tải tiêu đƣờng cong chống nhiễu 13 Hình 2-5 Quan hệ đƣờng đặc tính tần số biên pha mạch vịng hở hệ thống điển hình loại I tham số K 14 Hình 2-6 Hệ thống điển hình loại I chịu tác dụng nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 Hình 2-7 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống loại I dƣới tác dụng dạng nhiễu 16 Hình 2-8 Đặc tính tần số biên pha mạch vịng hở độ rộng trung tần hệ thống điển hình loại II 17 Hình 2-9 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống loại II dƣới tác dụng loại nhiễu 18 Hình 2-10 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vịng kín 19 Hình 2-11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng dòng điện 20 Hình 2-12 Biến đổi đẳng trị sơ đồ cấu trúc sức điện động ngƣợc tác dụng (IdL=0) 21 Hình 2-13 Mạch vịng dịng điện đƣợc hiệu chỉnh thành hệ thống điển hình loại I 22 Hình 2-14 Bộ điều chỉnh dịng điện kiểu PI có chứa lọc cho trƣớc lọc phản hồi 23 Hình 2-15 Mạch điện tƣơng đƣơng đầu vào có chứa khâu lọc 24 Hình 2-16 Đƣờng đặc tính tần biên logarit mạch vòng dòng điện khâu gần 25 Hình 2-17 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng tốc độ quay xử lý gần 26 Hình 2-18 Bộ điều chỉnh tốc độ quay kiểu PI có cài đặt lọc cho trƣớc lọc phản hồi 27 Hình 2-19 Quá trình khởi động hệ thống điều khiển tốc độ mạch vòng tốc độ quay thiết kế theo hệ thống điển hình loại II 28 Hình 2-20 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động đẳng trị mạch vòng kín tốc độ quay 29 Hình 2-21 Sơ đồ mơ hệ thống khơng tải 30 Hình 2-22 Kết mơ khơng tải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 31 Hình 2-23 Kết mơ tải định mức 32 Hình 2-24 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 33 Hình 2-25 Ảnh hƣởng phản hồi âm vi phân QT khởi động 34 Hình 2-26 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động có cài đặt phản hồi âm vi phân 35 Hình 2-27 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động có phản hồi âm vi phân tốc độ chịu nhiễu phụ tải 36 Hình 2-28 Sơ đồ mơ Simulink 37 Hình 2-29 Đồ thị tốc độ động có phản hồi âm vi phân tốc độ 38 Hình 3-1 Sơ đồ khối điều khiển mờ 39 Hình 3-2 Mơ hình chuyển đổi hiểu biết ngƣời hệ mờ 40 Hình 3-3 Ví dụ chọn tập liệu vào - 41 Hình 3-4 Hệ điều khiển mờ lai cấu trúc hai vịng 42 Hình 3-5 Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai 43 Hình 3-6 Bộ điều khiển mờ hàm liên thuộc vào - 44 Hình 3-7 Luật điều khiển điều khiển mờ 45 Hình 3-8 Sơ đồ mơ Simulink – Matlab 46 Hình 3-9 Kết mô điều khiển PID - Mờ 47 Hình 3-10 Đặc tính đầu hai điều khiển PID PID - Mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục bảng MỞ ĐẦU Chƣơng - GIƠÍ THIỆU TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1- Hệ thống điều chỉnh tốc độ với hai mạch vịng kín tốc độ quay dịng điện với đặc tính 1.1.1- Đặt vấn đề 1.1.2 -Cấu tạo hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín tốc độ quay dịng điện 1.1.3- Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định đƣờng đặc tính tĩnh 1.1.4- Điểm làm việc trạng thái ổn định biến số tính toán tham số trạng thái ổn định 1.2- Chất lƣợng động hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vịng kín 1.2.1- Mơ hình tốn học trạng thái động 1.2.2- Phân tích q trình khởi động 1.2.3- Tính trạng thái động tác dụng hai điều chỉnh 12 Chƣơng - PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH 17 THÔNG THƢỜNG 2.1- Những tƣ phƣơng pháp thiết kế ứng dụng 17 2.2- Hệ thống điển hình 18 2.2.1- Hệ thống điển hình loại I 18 2.2.2- Hệ thống điển hình loại II 19 2.3- Chỉ tiêu chất lƣợng động hệ thống điều khiển 21 2.3.1- Chỉ tiêu chất lƣợng bám 21 2.3.2- Chỉ tiêu tính chống nhiễu 22 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4- Quan hệ tham số tiêu chất lƣợng hệ thống điển 23 hình loại I 2.4.1-Quan hệ tiêu chất lƣợng bám hệ thống tham số K 24 2.4.2- Quan hệ tiêu chất lƣợng chống nhiễu tham số hệ 27 thống điển hình loại I 2.5- Quan hệ tham số tiêu chất lƣợng hệ thống điển 30 hình loại II 2.5.1- Quan hệ tiêu chất lƣợng bám tham số hệ thống 32 điển hình loại II 2.5.2- Quan hệ tính chống nhiễu tham số hệ 34 thống điển hình loại II 2.6- Bộ điều chỉnh dòng điện điều chỉnh tốc độ quay hai mạch 36 vòng đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp ứng dụng 2.6.1- Thiết kế điều chỉnh dòng điện 37 2.6.2- Thiết kế điều chỉnh tốc độ quay 43 2.6.3- Tính tốn lƣợng q điều khiển tốc độ quay điều chỉnh 48 tốc độ quay không bão hồ 2.6.4 - Ví dụ thiết kế 55 2.7- Hạn chế điều khiển tốc độ quay - Phản hồi âm vi phân tốc độ 62 quay 2.7.1- Đặt vấn đề 62 2.7.2- Nguyên lý hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vịng kín 62 cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay 2.7.3- Thời gian thơi bão hồ tốc độ quay thơi bão hoà 65 2.7.4- Phƣơng pháp thiết kế ứng dụng tham số phản hồi âm vi 66 phân tốc độ quay 2.7.5 - Tính chống nhiễu hệ thống điều khiển tốc độ hai 67 mạch vịng kín có cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay Chƣơng - TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH LAI Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 http://www.lrc-tnu.edu.vn 76 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Bƣớc2 : Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho biến vào Các việc cần làm bước bao gồm: a) Xác định miền giá trị vật lý cho biến vào – Đây miền giá trị rõ tới hạn cho biến vào – ra, việc xác định hoàn toàn vào đối tượng cụ thể b) Số lƣợng tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho biến Nguyên lý chung số lượng giá trị ngôn ngữ cho biến nên nằm khoảng từ ÷9 giá trị Nếu số lượng giá trị nhỏ việc chọn thơ, số lượng lớn q mịn ( người khó có khả cảm nhận chi li), ảnh hưởng đến nhớ tốc độ tính tốn Lưu ý cần chọn giá trị biến có phần chồng lên phủ hết miền giá trị vật lý để trình điều khiển khơng xuất “lỗ hổng” Ví dụ: Một hệ điều khiển có hai biến vào (n=2) với số lượng tập mờ cho biến N1 = 5, số lượng cho biến N2 = biến y với N = 5, chọn hàm liên thuộc dạng hình tam giác ta có tập mờ vào - hình vẽ 3-3  (X )  (X ) 1  (y) S2 S1 1 S2 y CE B B2 x 201 x 101  S1 CE B y 10 y 20 X1 S3 2 S2 S1 CE B x 102 x 202 B2 B3 2 X1 B2 y y Hình 3-3 Ví dụ chọn tập liệu vào - Trong đó: ký hiệu S3 , S2, S1 : nhỏ, nhỏ vừa, nhỏ B3, B2, B1 : lớn, lớn vừa, lớn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 77 Chương - Tổng hợp điều khiển lai CE: Trung bình, α1  B1, α2  B2 ,α3  B3: khoảng giá trị tới hạn tập X1, X2 Y a) Xác định dạng hàm liên thuộc Đây điểm quan trọng trình làm việc điều khiển mờ phụ thuộc vào kiểu hàm liên thuộc Cần chọn cách hàm liên thuộc có phần chồng lên phủ kín miền giá trị vật lý để q trình điều khiển khơng xuất “lỗ hổng” Trong kỹ thuật thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác hình thang, cần thiết có lý rõ ràng chọn hàm liên thuộc khác Bƣớc3: Xây dựng luật điều khiển Đây tập luật: “Nếu - “ với nhiều điều kiện xây dựng luật phải dựa vào chất vật lý, dựa vào số liệu đo đạc kinh nghiệm chuyên gia, đồng thời phải lưu ý hầu hết điều khiển có tín hiệu tất tín hiệu vào Trong bước cần thực công việc sau: - Đầu tiên dựa vào cặp liệu vào - biết để tạo luật riêng biệt Cần ý với giá trị vào - ta chọn tập mờ có giá trị hàm liên thuộc lớn V í dụ: Theo hình 3-3 v ới hai cặp giá trị (x011; x021; y01) (x012; x022; y02) ta có hai luật : R4 : Nếu x1 B1 x2 S1 y CE; R5 : Nếu x1 B1 x2 CE y S1; - Xác định cấp độ luật : Nếu có luật gây xung đột cần xác định trọng số luật Ví dụ: Xác định trọng số luật hình 3-3 Giá trị rõ đo cho R4 x011; x021; y01 tương ứng với µB1(x011) = 0,8, µS1(x021)=0.6, µCE(x011) = 0.8; trọng số cho R4 0,8 x 0,6 x 0,8 = 0,384 Giá trị rõ đo cho R5 x012; x022; y02 µB1(x012)=0,6, µCE(x022)=1, µB1(y02)=0.7; trọng số cho R5 0,6 x x 0,7 = 0,42 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 78 Chương - Tổng hợp điều khiển lai - Xác định tập đầy đủ luật “Nếu - “ lập bảng luật theo tập vào Dựa vào luật riêng, trọng số luật (Nếu có xung đột) kinh nghiệm chuyên gia ta thành lập bảng luật bảng luật theo tập liệu vào Bảng 3-1 Các luật điều khiển X2 X1 S3 S2 S1 CE S2 B2 S1 CE CE B1 S2 S1 B1 CE B1 B2 B3 B1 B2 B3 CE B2 B1 Ví dụ : Ta có luật điều khiển sau (các ký hiệu theo bảng 3-1) R1 : Nếu X1 =S2 X2 = CE Y = B2 R2 : Nếu X1 =S1 X2 = CE Y = CE R3 : Nếu X1 =CE X2 = S2 Y = S1 R4 : Nếu X1 =B1 X2 = S1 Y = CE R5 : Nếu X1 =B1 X2 = CE Y = B1 R6 : Nếu X1 =CE X2 = S3 Y = S2 R7 : Nếu X1 =B2 X2 = CE Y = B1 R8 : Nếu X1 =CE X2 = B1 Y = B1 R9 : Nếu X1 =CE X2 = B1 Y = B1 R10 : Nếu X1 =CE X2 = B2 Y = B2 R11 : Nếu X1 =CE X2 = B3 Y = B3 Để dễ dàng minh hoạ cách lập bảng liệu vào, ta mơ tả trường hợp có hai tín hiệu vào x1, x2 hình 3-3 x1 có tập x2 có tập giá trị mờ nên ta có bảng với x = 35 ô Mỗi ô bảng biểu thị giá trị tập kết quả, chẳng hạn với luật từ R1 đến R11 ghi bảng liệu vào (bảng 3-1) ta có Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 79 Chương - Tổng hợp điều khiển lai thể tổ hợp quan hệ đầy đủ x1 , x2 để tạo thành 35 luật điền kín bảng, thực tế khơng cần sử dụng hết 35 luật nói Khi biểu diễn thành bảng liệu vào, ta dễ dàng quan sát hiệu chỉnh để kết mong muốn Khi gặp luật xung đột, nghĩa có phần “Nếu” phần ”Thì” lại khác (thực tế xảy vậy) ta tính trọng số để chọn luật có trọng số lớn Bƣớc : Chọn thiết bị hợp thành (MAX–MIN hay SUM–MIN …); Ta chọn thiết bị hợp thành theo ngun tắc : Sử dụng cơng thức: µA  B(x) = MAX { µA (x), µB (x) } Để có luật MAX – MIN ; MAX – PROD; Sử dụng công thức: Lukasiewicscos luật SUM – MIN ; SUM – PROD; Sử dụng tổng Einstein Sử dụng tổng trực tiếp … Bƣớc5 : Chọn nguyên lý giải mờ Từ hàm liên thuộc hợp thành để xác định tập mờ đầu ra, ta chọn phương pháp giải mờ thích hợp để xác định giá trị rõ đầu giải mờ Thường chọn phương pháp giải mờ trọng tâm hay trung bình tâm, lúc kết đầu có tham gia đầy đủ tất luật từ R1 đến R11 Bƣớc : Tối ƣu hoá: Sau điều khiển mờ tổng hợp ta ghép với đối tượng mơ để thử nghiệm Q trình thử nghiệm mơ hình cho ta trước tiên kiểm tra “lỗ hổng", có “lỗ hổng” xuất phải điều chỉnh lại độ phủ lên giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại luật điều khiển Ngoài điều khiển làm việc khơng ổn định phải kiểm tra lại luật “ Nếu - “ sở Sau biết điều khiển làm việc ổn định khơng có “lỗ hổng”, ta tối ưu hố trạng thái làm việc theo tiêu khác Chỉnh định điều khiển theo tiêu thường phải hiệu chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 80 Chương - Tổng hợp điều khiển lai hàm liên thuộc, thiết kế nguyên tắc điều khiển phụ hay thay đổi số nguyên tắc điều khiển 3.2 - Các điều khiển mờ 3.2.1 - Bộ điều khiển mờ tĩnh Là điều khiển mờ có quan hệ vào-ra y(x) liên hệ theo phương trình đại số (phi tuyến) Các điều khiển mờ tĩnh điển hình khuyếch đại P, điều khiển Relay hai vị trí, ba vị trí… Một dạng hay dùng điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ tuyến tính đoạn, cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển phạm vi khác trình, nâng cao chất lượng điều khiển Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế, song có nhược điểm chất lượng điều khiển khơng cao chưa đề cập đến trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) trình, sử dụng trường hợp đơn giản 3.2.2 - Bộ điều khiển mờ động Là điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động đối tượng Ví dụ với hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có đạo hàm sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với biến động đột xuất đối tượng Các điều khiển mờ động hay dùng điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân tỉ lệ vi tích phân (PI, PD, PID) Một điều khiển mờ theo luật I thiết kế từ mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) cách mắc nối tiếp khâu tích phân kinh điển vào trước sau khối mờ Do tính phi tuyến hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hồn tồn khác Khi mắc nối tiếp đầu vào điều khiển mờ theo luật tỉ lệ khâu vi phân điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 81 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Thành phần điều khiển giống điều khiển theo luật PD thông thường bao gồm sai lệch tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống e đạo hàm sai lệch e’ Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng xác với biến đổi lớn sai lệch theo thời gian Phát triển tiếp từ ví dụ điều khiển mờ theo luật P thành điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản Trong kĩ thuật điều khiển kinh điển, điều khiển PID biết đến giải pháp đa có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa điều khiển theo luật PID kinh điển trước sử dụng cho điều khiển mờ theo luật PID thiết kế theo hai thuật toán: - Thuật toán chỉnh định PID - Thuật toán PID tốc độ Bộ điều khiển mờ thiết kế theo thuật tốn chỉnh định PID có ba đầu vào gồm sai lệch e tín hiệu chủ đạo tín hiệu ra, đạo hàm tích phân sai lệch Đầu điều khiển mờ tín hiệu điều khiển u(t) t  d  u(t )  K e   edt  TD e  TI dt   Với thuật tốn PID tốc độ, điều khiển PID có đầu vào: sai lệch e tín hiệu đầu vào tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc e’, đạo hàm bậc hai e’’ sai lệch Đầu hệ mờ đạo hàm du/dt tín hiệu điều khiển u(t) d du d2   K e e e  dt dt T ( dt ) I   Do thực tế thường có hai thành phần bỏ qua nên thay thiết kế điều khiển PID hồn chỉnh người ta thường tổng hợp điều khiển PI PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 82 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Bộ điều khiển PID mờ thiết kế sở điều khiển PD mờ, cách mắc nối tiếp đầu điều khiển PD mờ khâu tích phân Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc PID mờ gọi điều chỉnh mờ ba thành phần nghiên cứu Các dạng cấu trúc thường thiết kế sở tách điều khiển PID thành hai điều chỉnh PD PI Việc phân chia nhằm mục đích thiết lập hệ luật cho PI PD gồm hai biến vào, biến ra, thay phải thiết lập ba biến vào 3.2 - Hệ điều khiển mờ lai 3.3.1 - Đặt vấn đề Hệ mờ lai hệ thống điều khiển tự động thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần: - Phần thiết bị điều khiển kinh điển - Phần hệ mờ Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm loại điều khiển mờ điều khiển rõ, người ta thường dùng hệ kết hợp hai loại điều khiển truyền thống điều khiển mờ với nhau, ta có hệ điều khiển mờ lai Ta xét hệ điều khiển có cấu trúc vịng, vịng dùng điều khiển mờ Ta thấy có hai khả nối: điều khiển mờ dùng vòng thứ nhất, vịng thứ hai điều khiển khơng mờ hình 3-4a, vịng thứ điều khiển truyền thống ( chẳng hạn điều khiển PID) vòng thứ hai điều khiển mờ hình 3-4b Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển khơng mờ Bộ điều khiển mờ Quá trình a) Bộ điều khiển truyền thống Quá trình b) Hình 3-4 Hệ điều khiển mờ lai cấu trúc vịng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 83 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Ưu điểm hệ điều khiển nối nhiều vịng thiết kế điều khiển cho vòng theo yêu cầu chất lượng riêng vòng đó, điều khiển đơn giản có chất lượng cao Đặc biệt với hệ điều khiển có cấu trúc hình 3-4a, ta thiết kế điều khiển mờ mà chưa quan tâm đến điều kiện ổn định, sau thiết kế điều khiển cho mạch vịng ngồi xét đến vấn đề ổn định hệ Với hệ có cấu trúc hình 3-4b, ta xét trường hợp mạch vòng dùng điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) truyền thống mạch vịng dùng điều khiển mờ Do cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID dùng phổ biến công nghiệp Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số Kp, TI, TD điều khiển PID Nhưng hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, q trình vận hành ln phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu điều khiển Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế điều khiển mờ vịng ngồi để chỉnh định tham số PID vòng 3.3.2 - Cơ sở thiết kế điều khiển mờ lai Bộ điều khiển vòng cho mạch vòng điều chỉnh tốc độ hệ truyền động T - Đ dùng khâu điều chỉnh tốc độ PI kinh điển, điều khiển mờ vịng ngồi có nhiệm vụ phải tự động chỉnh định hai tham số KP, KI PI Cơ sở để thiết kế điều Bộ điều khiển mờ khiển mờ dựa vào việc phân tích sai lệch e(t), tham số KP, e, de/dt KI điều khiển PI tự động chỉnh định theo phương Bộ điều khiển Kinh điển PI x pháp chỉnh định mờ Như u Đối tượng n - chỉnh định mờ có hai đầu vào sai lệch e(t) tốc độ biến thiên Hình 3-5 Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai sai lệch de/dt đầu hệ số khuếch đại K Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 84 Chương - Tổng hợp điều khiển lai 3.3.3 - Thiết kế điều khiển mờ lai Để thấy rõ tác dụng điều khiển mờ mạch vòng điều khiển tốc độ, ta trở lại xét hệ T-Đ có tham số mơ chương Áp dụng mơ hình mờ Mamdani Bộ điều khiển mờ ta thiết kế bao gồm: đầu vào thứ sai lệch tốc độ đặt tốc độ thực, kí hiệu E Đầu vào thứ tốc độ biến thiên sai lệch, kí hiệu DE Đầu điều khiển mờ hệ số khuếch đại K điều chỉnh tốc độ - Xác định số lượng tập mờ cần thiết cho biến: Với yêu cầu điều khiển ổn định tốc độ hệ truyền động T-Đ, ta chọn số lượng tập mờ cho biến đầu vào biến đầu + Sai lệch E chọn miền giá trị từ -1 đến +1 E  NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB + Tốc độ biến thiên sai lệch DE chọn miền giá trị từ -1 đến +1 DE  NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB + Hệ số K chọn miền giá trị từ đến +1 K  B, S Trong đó: NB (Negative Big), NM (Negative Medium), NS (Negative Small), ZE (Zero), PS (Positive Small), PM (Positive Medium), PB (Positive Big), B (Big), S (Small) - Xác định hàm liên thuộc: Đây vấn đề quan trọng khó nói xác Nhưng vào kinh nghiệm kỹ thuật điều khiển hệ truyền động T-Đ ta chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác Ta có điều khiển mờ, hàm liên thuộc đầu vào, hàm liên thuộc đầu biểu diễn hình 3-6 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 85 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 86 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Hình 3-6 Bộ điều khiển mờ hàm liên thuộc vào, Tập luật điều khiển mờ thể luật dạng mặt biểu diễn hình 3-7 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 87 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Hình 3-7 Luật điều khiển điều khiển mờ Sơ đồ mô Simulink – Matlab biểu diễn hình 3-8 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 88 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Hình 3-8 Sơ đồ mơ Simulink – Matlab Kết mô hình 3-9 Hình 3-9 Kết mơ đặc tính đầu điều khiển PID - Mờ Để thấy khác đặc tính đầu điều khiển PID điều khiển PID - Mờ ta xây dựng đặc tính hệ trục toạ độ, kết mô hình 3-10 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 89 Chương - Tổng hợp điều khiển lai Hình 3-10 Đặc tính đầu hai điều khiển PID PID-Mờ Kết luận: - Bộ điều khiển mờ lai PID có ưu điểm so với điều khiển khác vừa phát huy hết ưu điểm điều khiển rõ vừa sử dụng ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi toán nhận dạng, mơ hình hố hay thiết kế phức tạp Ngồi ra, kinh nghiệm đặc tính đối tượng, kinh nghiệm điều khiển đối tượng dễ dàng kết hợp vào luật điều khiển - Bằng điều khiển mờ lai PI với cấu trúc thông số thích hợp, tốc độ động điều khiển bám theo tốc độ đặt tốt Kết mô chứng tỏ thuật toán cách thức xây dựng điều khiển mờ lai cho hệ truyền động T-Đ đắn, điều khiển mờ lai giải toán nhận dạng hay sử dụng ước lượng thông số mà cho kết điều khiển có chất lượng cao, tốt nhiều so với việc dùng điều khiển PID truyền thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 90 Chương - Tổng hợp điều khiển lai KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: - Trong luận văn dã hoàn thành yêu cầu đặt phân tích tổng hợp hệ thống truyền động T – Đ hai mạch vòng dòng điện tốc độ - Để nâng cao chất lượng hệ thống đưa vào khâu phản hồi âm vi phân tốc độ quay Kết mô cho thấy phù hợp với yêu cầu đặt - Với quan niệm động làm việc thông số động thay đổi điều kiện môi trường, nên đưa điều khiển mờ vào kết hợp với điều khiển PID tạo thành điều khiển mờ lai Kết mô cho thấy chất lượng hệ thống nâng cao Kiến nghị: - Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu tác dụng điều khiển PID - Mờ Để phát triển thay điều khiển PID điều khiển mờ dùng điều khiển thông minh mờ trượt, mờ - nơron để điều khiển hệ thống truyền động T-Đ - Phân tích tổng hợp hệ thống cho chuyển động cụ thể Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn