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 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ I Giới thiệu chung Điều khiển mờ thực dựa lý thuyết logic mờ gọi điều khiển mờ Hệ điều khiển mờ cho phép đưa kinh nghiệm điều khiển chuyên gia vào thuật toán điều khiển Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người thiết kế Điều khiển mờ mạnh hệ thống sau: Hệ thống điều khiển phi tuyến Hệ thống điều khiển mà thông tin đầu vào đầu không đủ không xác định Hệ thống điều khiển khó xác định khơng xác định mơ hình đối tượng Sơ đồ điều khiển có nhiều dạng khác Dưới dây sơ đồ điều khiển đơn giản thường gặp, điều khiển mờ dùng thay cho điều khiển kinh điển Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ II Cấu trúc điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ gồm khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ Khi ghép điều khiển mờ vào hệ thống, thường thêm vào hai khối tiền xử lý hậu xử lý Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển mờ [1] -2- Bộ điều khiển mờ bản: Hinh 1.3: Sơ đồ điều khiển mờ [1] Bộ điều khiển mờ bao gồm : Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ Hệ luật mờ: Tập luật “if-then” Đây “bộ não” điều khiển mờ Luật mờ “if-then” có dạng: Luật mờ Mamdani luật mờ Sugeno Thiết bị hợp thành: Biến đổi giá trị mờ hóa đầu vào thành giá trị đầu theo luật hợp thành Giải mờ: Biến giá trị đầu khối thiết bị hợp thành thành giá trị rõ Thiết bị ghép nối: Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trước vào điều khiển mờ • Lượng tử hóa làm tròn giá trị đo • Chuẩn hóa 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 điều khiển mờ • Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ điều khiển mờ thành giá trị vật lý • Đơi có khâu tích phân Bộ điều khiển Mamdani : Bộ điều khiển Mamdani điều khiển mờ dựa luật mờ Mamdani If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B Trong Ai , B tập mờ Bộ điều khiển Sugeno : Bộ điều khiển mờ Sugeno điều khiển mờ dựa luật mờ Sugeno : If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn) Trong : Ai : tập mờ f(.) hàm tín hiệu vào (hàm rõ) -3- Phương pháp giải mờ dùng diều khiển mờ Sugeno tổng có trọng số Trong đó: βi : Độ cao tập mờ kết mệnh đề điều kiện luật i K:Số luật So sánh: Bộ điều khiển mờ Mamdani thích hợp để điều khiển đối tượng khơng xác định mơ hình Bộ điều khiển mờ Sugeno thích hợp để điều khiển đối tượng có mơ hình khơng xác, mơ hình phi tuyến tuyến tính hóa đoạn Bộ điều khiển mờ Mamdani có phần kết luận hệ luật tập mờ dạng singleton điều khiển mờ Sugeno có hệ luật mà phần kết luận số III Thiết kế điều khiển mờ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia Thiết kế dựa lý thuyết Lyapunov Thiết kế điều khiển PID mờ Thiết kế điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền IV Điều khiển PID mờ [1] Có thể nói lĩnh vực điều khiển, PID xem giải pháp đa cho ứng dụng điều khiển Analog Digital Theo nghiên cứu cho thấy có khoảng 90% điều khiển sử dụng điều khiển PID Bộ điều khiển PID thiết kế tốt có khả điều khiển hệ thống với chất lượng độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) triệt tiêu sai số xác lập Việc thiết kế PID kinh điển thường dựa phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish … Tuy nhiên đối tượng điều khiển phi tuyến điều khiển PID kinh điển khơng thể đảm bảo chất lượng điều khiển điểm làm việc Do để điều khiển đối tượng phi tuyến ngày người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa phầm mềm), sở thiết kế PID mờ hay PID thích nghi -4- 4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ [1] Mơ hình tốn PID [1]: t u(t) = K P e(t ) + K I ∫ e(τ )dτ + K D de(t ) dt t = K K TI = P ; KP + I + KDs KI s GPID(s) = ; K P [e(t ) + de(t ) e(τ )dτ + TD ] ∫ TI dt K TD = D KP ; T α= I TD ; (2.1) K I2 KI = α K D Các tham số KP, KI, KD chỉnh định theo điều khiển mờ riêng biệt dựa sai lệch e(t) đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp khác để chỉnh định PID dựa phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka Isaka … Nguyên tắc chung bắt đầu với trị K P, KI, KD theo Zeigler-Nichols, sau dựa vào đáp ứng thay đổi dần để tìm hướng chỉnh định thích hợp 4.2 Luật chỉnh định PID Hình 1.5: Luật chỉnh định PID [1] + Lân cận a1 ta cần luật ĐK mạnh để rút ngắn thời gian lên, chọn: K P lớn, KD nhỏ α nhỏ + Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, α lớn -5- + Lân cận c1 d1 giống lân cận a1 b1 + Khi giá trị tuyệt đối sai lệch lớn, ta cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đưa nhanh sai lệch Dựa theo nguyên tắc ta có quan hệ chỉnh định K p, KI, α có dạng đối xứng qua đường chéo phụ 4.3 Điều khiển PD mờ Hình 1.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2] Bộ điều khiển hình 1.6 điều khiển PD mờ tín hiệu điều khiển mờ phụ thuộc vào tín hiệu vào vi phân tín hiệu vào Bộ điều khiển PD mờ điều khiển vơ sai trường hợp sau đây: - Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, - Ổn định hóa trạng thái đối tượng xung quanh điểm cân , ( ū, ), ū = Nếu đối tượng khơng có khâu tích phân lý tưởng ( lò nhiệt, bồn chứa chất lỏng,…) sử dụng điều khiển PD mờ 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 điều khiển PI mờ trình bày hình 2.7, dễ dàng thấy hai sơ đồ tín hiệu điều khiển có quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào tích phân tín hiệu vào Tuy nhiên, sơ đồ hình 2.7a khó thực -6- kinh nghiệm chun gia đưa quy tắc điều khiển dựa vào tích phân sai số Do có sơ đồ điều khiển PI mờ hình 2.7b sử dụng thực tế • Bộ điều khiển PI mờ thiết kế tốt điều khiển điều khiển đối tượng miền làm việc rộng với sai số xác lập • Tuy nhiên cần để ý điều khiển PI làm chậm đáp ứng hệ thống nhiều trường hợp làm cho q trình q 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 ưu điểm điều khiển PI mờ PD mờ, tức điều khiển vơ sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lỗ thấp Sơ đồ điều khiển PID mờ trình bày hình 2.8 sơ đồ PID mờ hình 2.8b sử dụng phổ biến sơ đồ hình 2.8a Thực tế, việc đưa quy tắc Mamdani mô tả quan hệ vi phân tín hiệu theo tín hiệu vào, vi phân bậc vi phân bậc tín hiệu vào (hình 2.8b) dựa vào kinh nghiệm chun gia khơng dễ dàng Do nên sử dụng điều khiển PID mờ điều khiển PI mờ PD mờ điều khiển đối tượng với chất lượng mong muốn V Hệ mờ lai Hệ mờ lai (Fuzzy Hybrid) hệ thống điều khiển tự động thiết bị điều khiển bao gồm: phần điều khiển kinh điển phần hệ mờ Các dạng hệ mờ lai phổ biến: 5.1 Hệ mờ lai khơng thích nghi -7- Bộ tiền Xử lý mờ BỘ ĐK ĐỐI TƯỢNG Hình 1.9: Cấu trúc hệ mờ lai khơng thích nghi [1] 5.2 Hệ mờ lai cascade u BĐK MỜ + BĐK KINH ĐIỂN x u y ĐỐI TƯỢNG Hình 1.10: Cấu trúc hệ mờ lai cascade [1] 5.3 Công tắc mờ Điều khiển hệ thống theo kiểu chuyển đổi khâu điều khiển có tham số đòi hỏi thiết bị điều khiển phải chứa đựng tất cấu trúc tham số khác cho trường hợp Hệ thống tự chọn khâu điều khiển có tham số phù hợp với đối tượng x Bộ điều khiển n BĐK MỜ Bộ điều khiển Đối tượng u Hình 1.11: Cơng tắc mờ [1] -8- y Chương MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I Giới thiệu động không đồng 03 pha Máy điện không đồng ba pha có dây quấn stator cung cấp điện từ lưới điện nhờ tượng cảm ứng điện từ có sức điện động cảm ứng dòng điện bên dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng dây quấn ba pha tạo từ trường quay với tốc độ đồng ω s (rad/s) Rotor máy không đồng gồm loại: Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường ba pha) quấn rãnh rotor, có số cực với dây quấn stator với đầu dây nối với vành trượt cách điện với trục rotor Việc tiếp điện thông qua chổi than đặt giá đỡ chổi than Rotor lồng sóc có dây quấn rotor dẫn (nhôm, đồng) rãnh rotor, chúng nối tắt hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu đơn giản chắn, động không đồng rotor lồng sóc sử dụng làm nguồn động lực rộng rãi lĩnh vực công nghiệp sinh hoạt Trong hai loại động trên, loại có rotor lồng sóc chiếm ưu tuyệt đối thị trường dễ chế tạo, khơng cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ Sự phát triển vũ bão kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày hạ cho phép thực thành công kỹ thuật điều chỉnh phức tạp loại rotor lồng sóc II Vector khơng gian đại lượng 03 pha: Xây dựng vector không gian Động khơng đồng ba pha có ba cuộn dây stator với điện áp ba pha bố trí khơng gian hình 2.1 -9- Hình 2.1 Vị trí khơng gian pha Phương trình điện áp stator: usa(t) + usb(t) + usc(t) = (2.1) Với: u sa (t ) = u s cos(ω s t ) (2.2) u sb (t ) = u s cos(ω s t − 120 o ) (2.3) u sc (t ) = u s cos(ω s t + 120 o ) (2.4) Về phương diện mặt phẳng học (mặt cắt ngang), động khơng đồng có ba cuộn dây lệch góc 120o Nếu mặt cắt ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực qua trục cuộn dây A động cơ, ta xây dựng vector khơng gian cho điện áp stator [4]: u s (t ) = [u sa (t ) + u s b (t ) + u sc (t )] o o u (t ) = [usa (t ) + us b (t )e j120 + usc (t )e j −120 ] (2.5) Theo công thức (3.5), vector u s (t ) vector có modul khơng đổi quay mặt phẳng phức với tốc độ góc ω s = 2πf s tạo với trục thực (trục cuộn dây pha A) góc γ = ω s t , fs tần số mạch stator Việc xây dựng vector u s (t ) mơ tả hình 2.2 -10- - Hàm thành viên Kp: Hình 3.7: Hàm thành viên Kp - Hàm thành viên Ki: Hình 3.8: Hàm thành viên Ki Luật mờ: -30- Hình 3.9: Giao diện soạn thảo luật mờ Matlab/simulink Hình 3.10: Luật mờ -31- Biểu diễn luật chỉnh định Kp, Ki khơng gian: Hình 3.11: Hình chỉnh định Kp khơng gian Hình 3.12: Hình chỉnh định Ki khơng gian -32- Mơ hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai Hình 3.13: Mơ hình điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai Mơ hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI thường Hình 3.14: Mơ hình điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI thường -33- Động không đồng pha có thơng số sau: Điện trở stator R s 1.37 Ω Điện trở rotor R r 1.1 Ω Điện cảm stator L s 0.1459 H Điện cảm rotor L r 0.149 H Điện cảm hỗ cảm L m 0.141 H 0.1 kg-m Momen quán tính J Số đơi cực p Từ thơng tham chiếu 0.899 Wb Momen tải TL 26.5 N.m Tần số định mức 50 Hz Điện áp định mức 380v Bảng 3.3: Các thông số ĐCKĐB dùng để mô -34- Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG I Kết mô phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai điều khiển PI thường Động chạy không tải với tốc độ đặt định mức: Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) 157 157 157 157 Momen tải (Nm) 0 0 DTC với điều khiển PI thường -35- DTC với điều khiển PI mờ lai Quỹ đạo từ thơng stator: Hình 4.1 Kết mơ động chạy không tải với tốc độ đặt định mức Kết mô cho thấy đáp ứng tốc độ PI mờ lai tốt khởi động không bị vọt lỗ, momen không giao động điều khiển PI thông thường Động chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) 1 Tốc độ (rad/s) 50 50 157 157 157 Momen tải (Nm) 0 0 DTC với điều khiển PI thường DTC với điều khiển PI mờ lai -36- Hình 4.2 Kết mô động chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai thay đổi tốc độ momen không giao động, đáp ứng tốc độ bám tốt so với PI thông thường Động chạy khơng tải sau đóng tải Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) 1 Tốc độ (rad/s) 157 157 157 157 157 Momen tải (Nm) 0 26 26 26 DTC với điều khiển PI thường DTC với điều khiển PI mờ lai -37- Hình 4.3 Kết mô động chạy không tải sau đóng tải Kết mơ cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt so với PI thơng thường đóng tải thời điểm 1s tốc độ không bị sụt tốc, momen không bị giao động Động chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) 1 2 Tốc độ (rad/s) 70 70 130 130 30 30 Momen tải (Nm) 26 26 26 26 26 26 DTC với điều khiển PI thường DTC với điều khiển PI mờ lai -38- Hình 4.4 Kết mơ động chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt so với PI thông thường tốc độ thay đổi với tải định mức Động chạy không tải sau đảo chiều quay Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) 1.5 1.5 Tốc độ (rad/s) 151 151 -151 -151 Momen tải (Nm) 0 0 DTC với điều khiển PI thường lai -39- DTC với điều khiển PI mờ Hình 4.5 Kết mơ động chạy khơng tải sau đảo chiều quay Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt hơn, không bị vọt lỗ động quay chiều đảo chiều quay so với PI thông thường Động chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) 1 2 Tốc độ (rad/s) 157 157 157 157 157 157 Momen tải (Nm) 5 26 26 15 15 DTC với điều khiển PI thường -40- DTC với điều khiển PI mờ lai Hình 4.6 Kết mơ động chạy với tải thay đổi, tốc độ định mức Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt so với PI thông thường momen thay đổi tốc độ khơng giao động, dòng điện ổn định II Nhận xét kết mô Trường hợp động chạy không tải, tốc độ định mức: - Đáp ứng tốc độ phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai tốt (khơng có vọt lỗ, thời gian xác lập 0,4s) điều khiển PI thông thường (độ vọt lỗ 4.46 %, thời gian xác lập 0.65s) - Đáp ứng momen điện từ dùng điều khiển PI mờ lai (momen khởi động 40N.m, thời gian xác lập 0.4s) Còn điều khiển PI thơng thường (momen khởi động 40N.m, bị dao động thời gian xác lập 0.65s) - Đáp ứng dòng điện stator dùng điều khiển PI mờ lai (dòng điện khởi động khoảng 19 A, thời gian xác lập 0.4 s dòng điện giảm xuống 6A) Còn điều -41- khiển PI thơng thường (dòng điện khởi động khoảng 19 A, thời gian xác lập 0.5 s dòng điện giảm xuống 6A) - Đáp ứng từ thông quỹ đạo từ thông hai phương pháp điều Trường hợp động chạy khơng tải sau đóng tải: - Đáp ứng tốc độ dùng điều khiển PI mờ lai tốt (Tại thởi điểm 1s đóng tải vào tốc độ không bị sụt tốc) điều khiển PI thông thường (tại thởi điểm 1s đóng tải vào tốc độ bị sụt tốc % sau khoảng 0.2s trạng thái xác lập) - Lúc đóng tải vào, đáp ứng momen dòng điện stator dùng PI mờ lai tốt (không bị giao động) PI thông thường (bị giao động khoảng 0.2 s trở trạng thái xác lập) Điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai cung cấp kết mô phù hợpvới thay đổi thông số động tương tự PI thông thường -42- Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI I Kết luận Thông qua đề tài “Điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai”, đề tài gồm nội dung nghiên cứu sau: - Tìm hiểu phương pháp điều khiển trực tiếp momen - Đề xuất thay điều khiển PI cổ điển PI mờ lai Nó có ưu điểm đưa kinh nghiệm người thiết kế dạng ngôn ngữ - Mô hệ thống điều khiển đề xuất môi trường Matlab Simulink Kết thực cho thấy hệ thống làm việc tin cậy, đảm bảo độ xác thay đổi động thông số Kp Ki điều khiển PI mờ lai làm đáp ứng tốc độ động tốt so với điều khiển PI thông thường Như vậy, kết mô phương pháp đề xuất dùng điều khiển PI mờ lai cho đáp ứng tốt, cải thiện đáp ứng dùng điều khiển PI thông thường nêu phần đầu đề tài II Hạn chế Mặc dù có nhiều cố gắng với giúp đỡ quý Thầy Cô bạn học viên, song điều kiện thời gian không cho phép nên nội dung đề tài nghiên cứu nhiều thiếu sót hạn chế Trong đề tài, việc đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai cho việc điều khiển tốc độ động khơng đồng pha đóng góp cải tiến đáng kể cho điều khiển PI thông thường, song việc xây dựng điều khiển PI mờ lai số hạn chế việc xây dựng hàm liên thuộc luật điều khiển chưa phong phú, chưa đưa nhiều kinh nghiệm cho luật suy diễn để điều khiển tốc độ động không đồng pha Chưa xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết mơ khảo sát đáp ứng hệ thống thời gian thực III Kiến nghị hướng phát triển đề tài Trong tương lai, đề tài phát triển theo hướng sau: - Triển khai thực nghiệm - Kết hợp biến tần ma trận phương pháp DTC điều khiển động - Thay so sánh trễ bảng đóng cắt điều khiển mờ - Sử dụng ước tính từ thơng phức tạp để cải tiến đặc tính vận tốc thấp - Cần có nghiên cứu sâu để tìm mơ hình máy thỏa mãn u cầu thực tế, thay đổi điện trở cuộn dây stator trình hoạt động, để kết từ việc mơ mang tính thực tiễn cao -43- -44- ... Vector khơng gian đại lượng 03 pha: Xây dựng vector không gian Động khơng đồng ba pha có ba cuộn dây stator với điện áp ba pha bố trí khơng gian hình 2.1 -9- Hình 2.1 Vị trí khơng gian pha Phương... (E is NB) and (DE is NB) Then (Kp is B) and (Ki is B) If (E is NS) and (DE is NB) Then (Kp is B) and (Ki is B) If (E is ZE) and (DE is NB) Then (Kp is B) and (Ki is B) If (E is PS) and (DE is... (Kp is B) and (Ki is B) If (E is PB) and (DE is NB) Then (Kp is B) and (Ki is B) If (E is NB) and (DE is NS) Then (Kp is B) and (Ki is B) If (E is NS) and (DE is NS) Then (Kp is M) and (Ki is