Điều khiển mời lai PI cho truyền động T-Đ có tham số J biến đổi

Điều khiển mời lai PI cho truyền động T-Đ có tham số J biến đổi

ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI CHO TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CĨ THAM SỐ J BIẾN ĐỔI PI FUZZY CONTROLLER FOR T-Đ DYNAMIC SYSTEM WITH VARIED PARAMETER J BÙI QUỐC KHÁNH Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ĐỒN QUANG VINH Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng NGUYỄN HỮU PHƯỚC Trung tâm Thí nghiệm Điện, Cơng ty điện lực 3 TĨM TẮT Một hệ thống mờ với khả năng kết hợp thơng tin, kinh nghiệm về đối tượng và luật điều khiển đối tượng, là một bộ điều khiển thích hợp cho đối tượng có tham số biến đổi. Bài báo này giới thiệu về bộ điều khiển mờ lai PI cho hệ truyền động T-Đ có tham số J biến đổi . Bộ điều khiển này bao gồm bộ điều khiển PI kinh điển ở vòng trong và một bộ điều khiển mờ ở vòng ngồi để chỉnh định tham số bộ điều khiển PI. Đặc tính của bộ điều khiển được minh họa bằng kết quả mơ phỏng điều khiển ổn định tốc độ động cơ điện một chiều. ABSTRACT The fuzzy system is capable of associating information about objects with the operator’s understanding and experience and with control rules. For this reason, the system is a controller appropriate for objects with varied parameters. This article discusses the PI fuzzy controller for T-D dynamic system with the varied parameter J. This controller consists of a typical PI controller in the primary loop and a fuzzy controller in the secondary loop, to adjust the PI controller parameter. The characteristics of the PI fuzzy controller are demonstrated with simulation results of conditions to stabilise DC-motor speed. 1. Đặt vấn đề Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển cơng nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K P , T I , T D của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính tốn cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong q trình vận hành ln phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát hay tốt hiệu quả của bộ điều khiển. Dựa theo ngun lý chỉnh định đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngồi để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. Một bộ điều khiển chất lượng cao cần phải ln đảm bảo chất lượng điều khiển tốt khi thơng số của đối tượng thường xun biến đổi. Bộ điều khiển mờ lai PID vừa phát huy hết các ưu điểm của bộ điều khiển rõ vừa sử dụng các ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi những bài tốn nhận dạng, mơ hình hố hay thiết kế phức tạp. Ngồi ra, những kinh nghiệm về đặc tính của đối tượng, kinh nghiệm điều khiển đối tượng dễ dàng được kết hợp vào luật điều khiển. Đây là hai ưu điểm vượt trội của các bộ điều khiển mờ lai so với các bộ điều khiển khác. Bài báo này giới thiệu về một bộ điều khiển mờ lai PI cho một đối tượng truyền động T-Đ có tham số J biến đổi. 2. Bộ điều chỉnh tốc độ Rω dùng bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ PI Bộ điều chỉnh tốc độ Rω thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: p T KK JK TKK JK pR sw i sw i 1 32 1 4 1 )( 2          R ω U ωđ HCD M c I U ω - pT K s i  21 /1 pJ K     Tp K 1  K 1 -I c E S ω Hình 1. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ PI Các tham số của Rω phụ thuộc vào mômen quán tính J. Như vậy để đảm bảo chất lượng điều chỉnh không đổi khi J của hệ biến thiêng thì bộ điều chỉnh phải có khả năng tự động chỉnh định lại các tham số. Điều này không thể thực hiện với bộ điều chỉnh PI kinh điển. 3. Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI Bộ điều khiển ở vòng trong cho mạch vòng điều chỉnh tốc độ hệ truyền động T-Đ dùng khâu điều chỉnh tốc độ PI kinh điển, bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài có nhiệm vụ là phải tự động chỉnh định được 2 tham số K P , K I của bộ PI. Bộ điều khiển PI Đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường x dω/dt u ω Thiết bị chỉnh định Bộ chỉnh định mờ - e HsK I HsK P Hình 2. Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai. Cơ sở để thiết kế bộ điều khiển mờ là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của tín hiệu ra dω/dt, các tham số K P , K I của bộ điều khiển PI sẽ được tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ. Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), đạo hàm của đầu ra dω/dt và hai đầu ra là HsK P , và HsK I , do đó có thể xem như nó gồm hai bộ chỉnh định mờ, mỗi bộ gồm có hai đầu vào và một đầu ra. 4. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI Áp dụng mô hình mờ Mamdani. Đầu vào thứ 1 là sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực. Đầu vào thứ 2 là tốc độ biến thiên theo thời gian của tốc độ thực. Đầu ra thứ 1 là hệ số chỉnh định của K P . Đầu ra thứ 2 là hệ số chỉnh định của K I . Căn cứ vào kết quả mô phỏng hệ truyền động với bộ điều khiển PI kinh điển ứng với các giá trị của J khác nhau ta xác định được các miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào và ra. Xác định số lượng tập mờ cần thiết cho các biến: Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lượng ít hơn 3 thì quá thô và ít có ý nghĩa vì không thực hiện được việc lấy vi phân. Nếu lớn hơn 10 thì quá mịn con người khó có khả năng cảm nhận quá chi ly, bao quát hết các trường hợp xảy ra và ảnh hưởng đến bộ nhớ, tốc độ tính toán. Với yêu cầu của điều khiển ổn định tốc độ hệ truyền động T-Đ, chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến đầu vào bằng 7 và mỗi biến đầu ra bằng 5 là vừa phải. Xác định hàm liên thuộc: Đây là vấn đề cực kỳ quan trọng và rất khó nói chính xác. Nhưng căn cứ vào kinh nghiệm và kỹ thuật điều khiển hệ truyền động T-Đ ta chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác hoặc hình thang. Xây dựng các luật điều khiển: Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có được, kinh nghiệm điều khiển, và dựa vào đặc tính quá độ thường gặp của hệ thống điều khiển dùng PI , ta xác định các luật điều khiển tương ứng. Khi bắt đầu khởi động, lúc này cần tín hiệu điều khiển lớn để tín hiệu ra tăng nhanh, suy ra K P lớn và K I lớn , ta có luật: Nếu e(t) lớn và dω/dt là Zero thì K P lớn K I lớn. Khi sai lệch tiến về zero, ta muốn tín hiệu điều khiển nhỏ để không quá điều chỉnh, nghĩa là K P nhỏ, K I nhỏ, ta có luật: Nếu e(t) là Zero và dω/dt lớn thì K P nhỏ, K I nhỏ. Với suy luận tương tự, mỗi một biến ra có tất cả tổ hợp của 7 x 7 = 49 luật. Dùng luật hợp thành max-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm, khi đó các hệ số HsK P , HsK I được tính toán lúc điều khiển là:               49 1 49 1 /.)( /.)( )( l BA l BA l p p dtdwte dtdwtey tHsK ll ll   ;               49 1 49 1 /.)( /.)( )( l BA l BA l I I dtdwte dtdwtey tHsK ll ll   Trong đó l I l p yy  , là tâm của các tập mờ tương ứng. Sau khi xây dựng mô hình mô phỏng bao gồm bộ điều khiển mờ lai PI và đối tượng, tiến hành quá trình thử nghiệm với các giá trị khác nhau của J để phát hiện các “lỗ hổng”, khi phát hiện được “lỗ hổng” thì quay lại điều chỉnh bộ chỉnh định mờ bằng cách điều chỉnh lại độ che phủ lên nhau của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại các luật điều khiển, trường hợp bộ điều khiển làm việc không ổn định thì phải kiểm tra lại luật “Nếu . . . thì” cơ sở. Sau khi biết chắc bộ điều khiển đã ổn định và không có “lỗ hổng”, tiến hành tối ưu hoá các trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu chất lượng động và tĩnh. Để chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này ta phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc, thiết lập các nguyên tắc điều khiển phụ và thay đổi một số nguyên tắc điều khiển. Cuối cùng ta được bộ điều khiển mờ lai PI đáp ứng được yêu cầu đặt ra. 5. Kết quả nghiên cứu Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI với động cơ điện một chiều, kích từ độc lập, dòng điện kích từ không đổi (từ thông là hằng số). Các thông số 2,2kW–220V-12A- 1500v/p;  2,1 u R ; mHL u 31 ; 3 10.83,25   u T 3089,1  K ; 2 .016,0 mkgJ tt  ; AI cp 36 U i U W R d Phát xung 12 Đồng bộ U đk + - Đ FT Lọc Kbd CL Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ Sử dụng phần mềm Matlab và Simulink, thực hiện mô phỏng hệ với bộ điều khiển PI kinh điển và bộ điều khiển mờ lai PI ứng với các trường hợp khác nhau của mômen quán tính J, so sánh các đáp ứng thu được như ở các hình 4, 5, 6, 7, 8, 9. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 Thoi Gian t ( s ) Toc do n ( vong/phut ) n-dat n-PID n-Mo 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 Thoi Gian t ( s ) Toc do n ( vong/phut ) n-dat n-PID n-Mo Hình 4. Mô phỏng với J=0,016 Hình 5. Mô phỏng với J=0,16 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 Thoi Gian t ( s ) Mo men quan tinh J J 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 1485 1490 1495 1500 1505 1510 1515 1520 1525 Thoi Gian t ( s ) Toc do n ( vong/phut ) n-dat n-PID n-Mo Hình 6. Mô men quán tính J tăng dần Hình 7. Mô phỏng với J tăng dần 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 Thoi Gian t ( s ) Mo men quan tinh J J 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 Thoi Gian t ( s ) Toc do n ( vong/phut ) n-dat n-PID n-Mo Hình 8. Mơ men qn tính J dạng xung Hình 9. Mơ phỏng với J dạng xung 5. Kết luận Bằng một bộ điều khiển mờ lai PI với cấu trúc và thơng số thích hợp, tốc độ động cơ được điều khiển bám theo tốc độ đặt rất tốt. Với kết quả mơ phỏng ở trên, nhận thấy rằng với bộ điều khiển mờ lai PI như đã thiết kế thì chất lượng của hệ ln ln được đảm bảo khi tham số mơ men qn tính J của hệ thay đổi. Kết quả mơ phỏng chứng tỏ rằng thuật tốn và cách thức xây dựng bộ điều khiển mờ lai PI cho hệ truyền động T-Đ là đúng đắn, bộ điều khiển mờ lai khơng phải giải bài tốn nhận dạng hay sử dụng các bộ ước lượng thơng số mà vẫn cho được kết quả điều khiển có chất lượng cao. Các thơng số về chất lượng điều chỉnh như sai lệch tĩnh, độ q điều chỉnh, thời gian q độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ điều khiển PI kinh điển, nhất là độ q điều chỉnh và thời gian q độ rất nhỏ. Như vậy hệ điều khiển mờ lai PI hồn tồn đáp ứng được các u cầu về chất lượng cao cho truyền động T-Đ có tham số J biến đổi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2004), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Phan Xn Minh, Nguyễn Dỗn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Marco Russo (2000), Fuzzy Theory Systems, Techniques and Applications, vol4. Academic Press. Emeritus, University of California. [4] Michio Sugeno & Toshiro Tarano & Kuioji Asai (1992), Fuzzy System Theory and Its Applications, Academic Press. [5] Li-Xin Wang (1997), A Course in Fuzzy Systems and Control, Prentice Hall. . bộ điều khiển mờ lai PI cho một đối tượng truyền động T-Đ có tham số J biến đổi. 2. Bộ điều chỉnh tốc độ Rω dùng bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ PI. luật điều khiển đối tượng, là một bộ điều khiển thích hợp cho đối tượng có tham số biến đổi. Bài báo này giới thiệu về bộ điều khiển mờ lai PI cho hệ truyền