Noi dung do an dieu khien PID mo dong co KDB 03 pha

Nội dung đồ án môn học chuyên ngành công nghệ kỹ thuật điện điện tử về điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp PID mờ; Phục vụ cho các bạn sinh viên đang theo học bậc đại học chuyên ngành điện điện tử; có mô phỏng kết quả điều khiển

MỤC LỤC

Chương 1 -1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ -1

I Giới thiệu chung -1

II Cấu trúc của bộ điều khiển mờ -1

III Thiết kế bộ điều khiển mờ -3

IV Điều khiển PID mờ [1] -3

V Hệ mờ lai -6

Chương 2 -8

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA -8

I Giới thiệu về động cơ không đồng bộ 03 pha -8

II Vector không gian và các đại lượng 03 pha: -8

1 Xây dựng vector không gian -8

2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β)α-β)) -10

3 Hệ tọa độ từ thông rotor (α-β)d-q) -11

III Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha -13

1 Lý do xây dựng mô hình -13

2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ -13

3 Các tham số của động cơ -15

5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (α-β)d-q) -17

6 Mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab -18

Chương 3 -23

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ -23

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC -23

I Bộ điều khiển PI mờ -23

II Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ PI mờ lai -26

1 Bộ điều khiển PI mờ lai -26

2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai -31

3 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI thường -31

I Kết quả mô phỏng phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai và bộ điều khiển PI

thường -33

1 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt định mức: -33

2 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi -34

3 Động chạy không tải sau đó đóng tải -36

4 Động cơ chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi -37

5 Động cơ chạy không tải sau đó đảo chiều quay -38

6 Động cơ chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức -39

II Nhận xét kết quả mô phỏng -40

Chương 5 -41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI -41

I Kết luận -41

II Hạn chế -41

III Kiến nghị và hướng phát triển đề tài -41

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ

I Giới thiệu chung

Điều khiển mờ được thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiểnmờ

Hệ điều khiển mờ cho phép đưa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyêngia vào thuật toán điều khiển

Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiếtkế

Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau:

 Hệ thống điều khiển phi tuyến

 Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào và đầu ra không đủ hoặc khôngxác định

 Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc không xác định được mô hình đốitượng

Sơ đồ điều khiển có nhiều dạng khác nhau Dưới dây là một sơ đồ điều khiểnđơn giản thường gặp, trong đó bộ điều khiển mờ được dùng thay thế cho bộ điềukhiển kinh điển

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản

II Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ.Khi ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường thêm vào hai khối tiền xử lý và hậu

xử lý

Hình 1.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1]

Bộ điều khiển mờ cơ bản:

Hinh 1.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]

 Bộ điều khiển mờ bao gồm :

 Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ

 Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then” Đây là “bộ não” của bộ điều khiển mờ.Luật mờ “if-then” có 2 dạng: Luật mờ Mamdani và luật mờ Sugeno

 Thiết bị hợp thành: Biến đổi các giá trị đã được mờ hóa ở đầu vào thành cácgiá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó

 Giải mờ: Biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá trị rõ

 Thiết bị ghép nối:

 Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản

 Lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo

 Chuẩn hóa hoặc chuyển tỷ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn

 Lọc nhiễu

 Lấy vi phân hay tích phân

 Hậu xử lý: Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản

 Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản thành giátrị vật lý

 Đôi khi có khâu tích phân

 Bộ điều khiển Mamdani :

Bộ điều khiển Mamdani là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdani

If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B Trong đó Ai , B là các tập mờ

 Bộ điều khiển Sugeno :

Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :

If ( x = A ) and (x = A ) …and ( x = A ) then y = f (x , x ,….,x )

f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ)

Phương pháp giải mờ dùng trong bộ diều khiển mờ Sugeno là tổng có trọng số

Trong đó: βi : Độ cao của tập mờ kết quả trong mệnh đề điều kiện của luật i

III Thiết kế bộ điều khiển mờ

Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov

‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia Thiết kế bộ điều khiển PID mờ

‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền

‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

IV Điều khiển PID mờ [1]

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đanăng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Theo một nghiên cứucho thấy có khoảng hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng hiện nay là bộ điềukhiển PID Bộ điều khiển PID nếu được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thốngvới chất lượng quá độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) và triệt tiêu được sai số xáclập

Việc thiết kế bộ PID kinh điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols,Offerein, Reinish … Tuy nhiên nếu đối tượng điều khiển là phi tuyến thì bộ điềukhiển PID kinh điển không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tại mọi điểm làm việc

Do đó để điều khiển các đối tượng phi tuyến ngày nay người ta thường dùng kỹ thuậthiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), đây chính là cơ sở của thiết kế PID mờhay PID thích nghi

4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ

Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ [1]

Mô hình toán của bộ PID [1]:

theo Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnhđịnh thích hợp

+ Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch lớn, ta cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đưanhanh sai lệch về 0 Dựa theo nguyên tắc này ta có quan hệ chỉnh định Kp, KI, α đều

có dạng đối xứng qua đường chéo chính hoặc phụ

4.3 Điều khiển PD mờ

Hình 1.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Bộ điều khiển ở hình 1.6 là bộ điều khiển PD mờ vì tín hiệu ra của bộ điều khiển

mờ cơ bản phụ thuộc vào tín hiệu vào và vi phân của tín hiệu vào Bộ điều khiển PD

mờ có thể điều khiển vô sai trong các trường hợp sau đây:

- Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc

- Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung quanh điểm cân bằng , trong đó ( ū, ´x), trong đó ū = 0

Nếu đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng ( như lò nhiệt, bồn chứa chấtlỏng,…) thì sử dụng bộ điều khiển PD mờ không thể triệt tiêu sai số xác lập

4.4 Điều khiển PI mờ

Hình 1.7a: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Hình 1.7b: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Có hai cách để thực hiện bộ điều khiển PI mờ như trình bày ở hình 2.7, dễ dàngthấy rằng trong hai sơ đồ trên tín hiệu ra của bộ điều khiển có quan hệ phi tuyến vớitín hiệu vào và tích phân tín hiệu vào Tuy nhiên, sơ đồ ở hình 2.7a rất khó thực hiện

vì kinh nghiệm chuyên gia hầu như không thể đưa ra được các quy tắc điều khiển dựa

vào tích phân của sai số Do đó chỉ có sơ đồ điều khiển PI mờ ở hình 2.7b mới được

sử dụng trong thực tế

 Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiển điều khiển đối tượngtrong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0

 Tuy nhiên cũng cần để ý rằng bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ thống

và trong nhiều trường hợp làm cho quá trình quá độ có dao động

4.5 Điều khiển PID mờ

Hình 1.8a: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Hình 1.8b: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Bộ điều khiển PID mờ có các ưu điểm của bộ điều khiển PI mờ và PD mờ, tức

là có thể điều khiển vô sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lỗ thấp Sơ đồ bộ điềukhiển PID mờ được trình bày ở hình 2.8 trong đó sơ đồ PID mờ ở hình 2.8b được sửdụng phổ biến hơn sơ đồ hình 2.8a Thực tế, việc đưa ra các quy tắc Mamdani mô tảquan hệ giữa vi phân của tín hiệu ra theo tín hiệu vào, vi phân bậc 1 và vi phân bậc 2của tín hiệu vào (hình 2.8b) dựa vào kinh nghiệm chuyên gia cũng không dễ dàng

Do đó chỉ nên sử dụng bộ điều khiển PID mờ khi bộ điều khiển PI mờ hoặc PD mờkhông thể điều khiển đối tượng với chất lượng như mong muốn

V Hệ mờ lai

Hệ mờ lai (Fuzzy Hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bịđiều khiển bao gồm: phần điều khiển kinh điển và phần hệ mờ Các dạng hệ mờ laiphổ biến:

5.1 Hệ mờ lai không thích nghi

Hình 1.9: Cấu trúc hệ mờ lai không thích nghi [1]

Bộ tiền

Xử lý mờ

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

I Giới thiệu về động cơ không đồng bộ 03 pha

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới

điện và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng

điện bên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ

tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ω s (rad/s) Rotor máy không đồng bộ gồm

2 loại:

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh

rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt

được cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong

các bộ giá đỡ chổi than

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh

rotor, chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu rất đơn giản

và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động

lực rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối

trên thị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn Sự phát triển

như vũ bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện

thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc

II Vector không gian và các đại lượng 03 pha:

1 Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây stator với điện áp ba pha được

bố trí trong không gian như hình 2.1

Hình 2.1 Vị trí không gian các phaPhương trình điện áp stator:

usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 (2.1)Với:

usa( t )=|us|cos(ωst ) (2.2)

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ không đồng bộ có

ba cuộn dây lệch nhau một góc 120o Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độphức với trục thực đi qua trục cuộn dây A của động cơ, ta có thể xây dựng vectorkhông gian cho điện áp stator [4]:

được mô tả trong hình 2.2

Hình 2.2 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha

Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện ápstator ⃗u s lên trục cuộn dây tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ nhưdòng rotor, dòng stator [4], từ thông rotor và từ thông stator đều có thể xây dựng trênvector không gian tương tự như điện áp stator

2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β)α-β))

Vector không gian điện áp stator có modul là |u s| và qua trong mặt phẳngphức với tốc độ góc ω s và tạo với trục cuộn dây pha A một góc ω st Đặt tên trụccuộn dây pha A là trục thực ( α ) và trục vuông góc với nó là trục ảo ( β ).

Khi đó ta có được một hệ tọa độ là hệ tọa độ cố định stator ( α - β ) và các

vector không gian có thể mô tả thông qua 2 thành phần là trục thực ( α ) và

trục ảo ( β ).

Hình 2.3: Hệ tọa độ stator ( α - β )

Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ ( α - β ) ta có thể

tính được thành phần theo hai trục tọa độ bằng phương pháp hình học [4].Xét thành phần vector điện áp trong hệ tọa độ ( α - β ).

us= usα= jusβ

(2.8)

3 Hệ tọa độ từ thông rotor (α-β)d-q)

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ ( α - β ) ta xét them một hệ tọa độ thứ

hai có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm

lệch đi một góc θ s

so với hệ tọa độ stator [4] Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ

và một vector không gian có thể biểu diễn trên hai tọa độ này

Trong đó: ω a=

dτθ s dτt quay tròn quanh góc tọa độ chung

Với θs= ωat=ωa 0

Hình 2.4 Mỗi liên hệ giữa tọa độ ( α - β ) và tọa độ(d-q).

Từ hình trên ta có thể biểu diễn mỗi liên hệ giữa hai tọa độ như sau:

{ u sα = u sdτ cosθ s − u sq sinθ s ¿¿¿¿

(2.9)

Và ta lại có:

Hình 2.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ (d-q).

Trong hệ tọa độ từ thông rotor, các vector dòng stator và các vector từ thôngrotor quay cùng với hệ tọa độ (d-q), do đó các phần tử của vector dòng rotor là cácđại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi, còntrong quá trình quá độ các đại lượng này biến thiên theo một thuật toán đã định trước

Một ưu điểm nữa là thành phần từ thông rotor trên trục q có giá trị 0 do vuônggóc với từ thông rotor trùng với trục d, do đó từ thông rotor chỉ còn thành phần theotrục d và là đại lượng một chiều

III Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha

1 Lý do xây dựng mô hình

Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình mô tả đối tượng cầnđiều khiển Vì vậy cần phải xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộrotor lồng sóc ta bắt đầu từ mô hình đơn giản của động cơ trong hình 2.6

Hình 2.6: Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đốitượng điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó dẫnđến các điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình Các điều kiện đó một mặt đơngiản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định,sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi

hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt khônggian, vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô hình hóađộng cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha A

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

Với: Rs: điện trở cuộn dây pha stator

ψ sa, ψ sb ,ψ sc : từ thông stator của cuộn dây pha A, B, C.

Áp dụng công thức ta thu được điện áp:

RS: điện trở cuộn dây pha Stator

⃗

ψ S : vector từ thông StatorPhương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vìvậy cũng thu được trên hệ tọa độ (α-β)

Trong đó: ψ⃗rr : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor

Rr: điện trở rotor đã quy đổi về phía stator

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quátcho điện áp stator:

ω k=

dτθ k dτt với θ k là góc giữa trục thực với hệ tọa độ bất kỳ k

Đối với hệ tọa độ cố định Stator (α-β) thì ω k = 0 cho ta công thức (2.17) Thay “k” =”s”

Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (d-q) thì ω k=ωS=

dτθ S dτt với θ s là góc lệchgiữa trục q với trục thực Thay “k” = ”f”

Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:

3 Các tham số của động cơ

L σsr điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator)

L s=L m+L σss điện cảm stator

L r=L m+L σsr điện cảm rotor

Ts = Ls/Rs hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr hằng số thời gian rotor

4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (α-β)α-β))

Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:

Thay ⃗i r s và ⃗ψ s s vào (2.24, 2.25) đồng thời sử dụng các tham số σs ,T s ,T r ta

thu được hệ phương trình (2.30) sau:

(2.27) (2.26)

Thay các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (2.30) đồng thời chuyển sangviết dưới dạng các phần tử của vector, ta thu được hệ phương trình mới mô tả đầy đủphần hệ thống điện của một ĐCKĐB như sau:

dτi sα

dτt =−(σsT1 s+

1−σs σsT r )i sα+1−σs

f ¿ { ⃗ ψ s f =⃗ i s f L s +⃗ i r f Lalignl ¿ m ¿ ¿ ¿¿¿¿¿

(2.31)

(2.32)

(2.33) (2.34)

(2.35)

(2.38)

(2.41) (2.40) (2.39)

+1−σs σsT r ψ rq

'

+ 1

σsL s u sq dτψ rdτ '

σsT r ψ ' rα+1−σs

σsT r ωψ rβ ' + 1

σsL s u sα dτi sβ

dτt =−(σsT1s+

1−σs σsT r )i sβ−1−σs

(2.32) (2.31)

(2.33)

Mô đun dòng từ hóa |

6.2 Mô hình động cơ trong simulink

Hình 2.7: Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha