Logic mờ trong hệ thống điều khiển đồng tốc động cơ không đồng bộ ba pha

Bài viết giới thiệu một hệ thống đồng tốc các động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển logic mờ. Với hai biến đầu vào là sai số tốc độ và độ biến thiên của nó, bộ điều khiển mờ được sử dụng trong hệ thống nhằm điều chỉnh tốc độ của mỗi động cơ. Hệ thống đồng tốc hoạt động theo nguyên lý điều khiển chủ/tớ, tốc độ của động cơ trước là tốc độ tham chiếu cho động cơ sau.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ LOGIC MỜ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG TỐC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA FUZZY LOGIC-BASED SPEED CONTROLLER IN MULTI THREE-PHASE INDUCTION MOTOR Nguyễn Thị Hiên TÓM TẮT Bài báo giới thiệu hệ thống đồng tốc động không đồng ba pha sử dụng điều khiển logic mờ Với hai biến đầu vào sai số tốc độ độ biến thiên nó, điều khiển mờ sử dụng hệ thống nhằm điều chỉnh tốc độ động Hệ thống đồng tốc hoạt động theo nguyên lý điều khiển chủ/tớ, tốc độ động trước tốc độ tham chiếu cho động sau Các biến tần nguồn áp sử dụng hệ thống hoạt động theo phương pháp V/f, với nguyên lý điều chế xung SPWM Hệ thống kiểm nghiệm Matlab/Simulink, kết mơ cho thấy tính hợp lý hệ thống với điều khiển đề xuất Từ khóa: Đồng tốc, điều khiển mờ, ĐCKĐB ABSTRACT This paper presents a motion controller used for synchronizing multi threephase induction motors Fuzzy logic controller with two input variables (speed error and change of speed error) has been utilized to be part of the complete control system to implement a speed controller for three-phase induction motor Master/Slave technique has been adopted in system, the former motor’s speed is the reference for the latter’s A voltage source PWM inverter with ratio V/f constant is utilized in each motion drive The proposed system has been validated by Matlab/Simulink, the simulation results showed its validity Keywords: Synchronization, fuzzy logic, induction motor Học viện Nông nghiệp Việt Nam Email: nthien@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 15/7/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong dây chuyền sản xuất, chế biến có khâu cấp liệu, định lượng, đóng gói dán nhãn sản phẩm, ổn định hệ thống, xác đồng cấu chấp hành (hay đồng khâu) quan trọng để đảm bảo suất, chất lượng mỹ quan sản phẩm [1] Thực tế có nhiều nguyên nhân dẫn đến thiếu đồng bộ, thiếu xác hoạt động dây chuyền, băng tải trình sản xuất Nguyên nhân thiết bị dây chuyền cũ mòn, lão hóa (nên tốc 38 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 49.2018 độ truyền động khơng đảm bảo thiết kế), nguyên liệu không đồng đều, thiết bị cấp liệu khơng đều, thơng số nguồn điện không ổn định,… Trong dây chuyền sản xuất này, động điện không đồng (ĐCKĐB) cấu chấp hành phổ biến có cấu tạo đơn giản, chắn, vận hành tin cậy, hiệu suất cao,… [2, 3] Việc điều chỉnh để động chạy đồng với nhau, đảm bảo độ xác đồng cao khâu dây chuyền, băng tải cần thiết quan trọng Thông thường, dây chuyền khơng u cầu cơng nghệ cao, việc đồng thực cách dùng động kéo tất thiết bị (thông qua hộp số, truyền động xích, dây đai,…) Cấu trúc điều khiển có đặc điểm đơn giản, tỉ lệ tốc độ động giữ cố định, nhiên tính linh hoạt hệ thống [1, 4] Một số dây chuyền dùng biến tần điều khiển động nối song song, hạn chế hệ truyền động đòi hỏi động phải có thơng số giống hồn tồn cơng suất biến tần phải lớn, dẫn đến giá thành hệ thống tăng Đối với dây chuyền yêu cầu độ xác cao, độ linh hoạt lớn, việc đồng tốc độ thường sử dụng biến tần kết hợp với PLC [4] Mỗi biến tần sử dụng để điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động nhằm thay đổi tốc độ động Trong thực tế, phương pháp sử dụng phổ biến có nhiều ưu điểm: điều chỉnh vơ cấp tốc độ, dải điều chỉnh rộng, cải thiện chế độ làm việc động cơ, tiết kiệm lượng,…[2] Còn PLC lập trình theo thuật tốn định (ví dụ: nguyên lý chủ/tớ) để điều khiển tốc độ động hệ thống chạy đồng với Mặt khác, hệ thống điều khiển kinh điển, việc tổng hợp điều khiển (ví dụ điều khiển PI, PID) đơn giản, cho đáp ứng ổn định, nhiên đòi hỏi phải có mơ hình toán học đối tượng điều khiển, thực tế, khó để xác định xác mơ hình này, hệ thống phức tạp, có chứa yếu tố bất định Để khắc phục điều đó, điều khiển logic mờ sử dụng hệ thống Các nghiên cứu rằng, điều khiển mờ có nhiều tính vượt trội so với điều khiển kinh điển, đơn giản điều khiển luật điều khiển gần với cách tư người đặc SCIENCE TECHNOLOGY biệt khơng đòi hỏi mơ hình tốn học đối tượng [2, 5, 6] Một loạt nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha công bố tác giả: Patil (2014), Badran (2013), Tripura (2011), Begum (2013), Hamed (2010),… Kết nghiên cứu cho thấy, điều khiển mờ cho đáp ứng hệ thống tốt so với điều khiển kinh điển, hệ thống phức tạp, khơng có sẵn mơ hình tốn học đối tượng Nghiên cứu giới thiệu hệ thống đồng tốc độ ĐCKĐB theo nguyên lý điều khiển chủ/tớ Bộ điều khiển mờ xây dựng để điều khiển tốc độ động hệ thống Bài toán đặt động có thơng số khác (gam công suất, tốc độ định mức), song chúng cần phải đảm bảo chuyển động đồng với tốc độ xác lập hay thay đổi theo quy luật để đáp ứng yêu cầu công nghệ sản xuất Nội dung báo bố cục sau: Mục trình bày việc xây dựng điều khiển logic mờ hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Ứng dụng điều khiển mờ điều khiển tốc độ ĐCKĐB hệ thống đồng tốc độ nhiều ĐCKĐB thể mục Mơ hình kết mô hệ thống Matlab/Simulink mô tả mục Phần nhận xét, kết luận hướng nghiên cứu thời gian tới XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ Điều khiển mờ dựa lý thuyết logic mờ lần đầu đề xuất Zadeh [5] Đây điều khiển thông minh, dựa luật “Nếu - Thì”, biến biểu thức logic mờ khơng phải số mà khái niệm (biến ngôn ngữ) nên gần với cách tư người Ưu điểm hệ thống sử dụng điều khiển mờ khơng đòi hỏi mơ hình tốn học đối tượng điều khiển, nên áp dụng hiệu với hệ thống phức tạp, kể với hệ phi tuyến [2, 5] Để thiết kế điều khiển logic mờ, việc quan trọng xác định biến vào/ra Trong điều khiển tốc độ ĐCKĐB, hai biến đầu vào sử dụng sai số tốc độ (e) độ biến thiên sai số tốc độ (ce) [2, 4, 7]: e  nset  nact và: ce  de dt (1) (2) Trong đó: nset - tốc độ mong muốn (tốc độ đặt) động [vòng/phút], nact - tốc độ thực tế động [vòng/phút] Biến đầu điều khiển mờ độ thay đổi tần số (u) nguồn cung cấp cho động cơ, độ thay đổi sau tích phân để đưa tần số cần thiết nguồn cấp, đáp ứng tốc độ yêu cầu động Hàm thuộc dạng tam giác sử dụng cho tín hiệu vào (hình 1), đó: NB - âm lớn, NM - âm vừa, NS âm nhỏ, ZZ - không, PS - dương nhỏ, PM - dương vừa, PB dương lớn Để thuận tiện, tín hiệu vào/ra hệ thống chuẩn hóa miền xác định [-1, 1], cách sử dụng tiền xử lý hâu xử lý K (hình 2) Biến ngơn ngữ đầu (độ thay đổi tần số) thiết lập dựa mô hình Sugeno, mơ tả bởi: NB = -1, NM = -0,5, NS = -0,25, ZZ = 0, PS = 0,25, PM = 0,5 PB = Các luật điều khiển xây dựng theo quy luật: NẾU e x VÀ ce y THÌ u = f(e,ce) a) b) Hình Hàm thuộc biến đầu vào: a) sai số tốc độ; b) biến thiên sai số tốc độ Trong đó: e ce biến đầu vào, u biến đầu ra; x y tập mờ e ce, f(.) hàm tuyến tính khơng đổi biến đầu vào Tín hiệu điều khiển giải mờ theo phương pháp trọng tâm [4, 6]: c  u   (u) i * u  i (3) i 1 c   (u) i i 1 Với: ui giá trị biến đầu ứng với luật, μi giá trị hàm thuộc ui, xác định theo quy tắc:  (u)  AndMethod(  (e),  (ce)) (4) Trong đó: μ(e), μ(ce) tương ứng hàm thuộc e ce Dựa hiểu biết đặc tính đối tượng kinh nghiệm vận hành hệ thống, luật điều khiển logic mờ điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha xây dựng Ví dụ: NẾU (e Âm lớn-NB) VÀ (ce Dương lớn-PB) THÌ (u Không-ZZ) Bảng mô tả luật điều khiển điều khiển mờ hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha [5, 6] Bảng Luật điều khiển điều khiển mờ e ce NB NM NS ZZ PS NB NM NS ZZ PS PM PB NB NB NB NB NM NB NB NB NM NS NB NB NM NS ZZ NB NM NS ZZ PS NM NS ZZ PS PM NS ZZ PS PM PB ZZ PS PM PB PB Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 39 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NS ZZ PM PB ZZ PS PS PM PM PB PB PB PB PB PB PB Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ, xây dựng Matlab/Simulink thể hình -K1 Gain Set speed Saturation s -K- du/dt Feedback -K- Fuzzy Logic Controller Add Derivative Gain1 Saturation1 Gain2 Integrator2 Saturation2 Frq Hình Xây dựng điều khiển mờ Matlab/Simulink LOGIC MỜ VỚI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA 3.1 Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha sử dụng điều khiển mờ Sơ đồ hệ thống kín điều khiển tốc độ ĐCKĐB sử dụng điều khiển mờ mơ tả hình [2, 8] Tốc độ động nact phản hồi, so sánh với tốc độ đặt nset, từ de sai số tốc độ e đạo hàm sai số xác định, dt đưa vào điều khiển mờ, tạo tín hiệu để điều khiển đóng mở van bán dẫn biến tần, đầu biến tần nguồn điện áp có biên độ tần số thay đổi, cung cấp cho động để thay đổi tốc độ động theo yêu cầu phản hồi), đầu điều khiển xác định thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, sau tích phân, cho tín hiệu tần số Tín hiệu điều khiển (tần số) đưa tới khối điều khiển V/f để trì tỉ số điện áp tần số khơng đổi, nhằm trì moment động tốc độ động thay đổi Tần số điện áp tạo đưa vào khối điều chế xung SPWM, nhằm tạo xung kích hoạt van bán dẫn IGBT biến tần, đầu biến tần điện áp với tần số thích hợp cho động nhằm đảm bảo đạt tốc độ mong muốn Bộ lọc LC có tác dụng lọc sóng hài bậc cao trước đưa điện áp vào cung cấp cho động 3.2 Điều khiển đồng tốc ĐCKĐB ba pha Nguyên lý điều khiển chủ/tớ (Master/Slave) sử dụng điều khiển đồng tốc độ hệ thống với ĐCKĐB ba pha, nguyên lý sử dụng phổ biến thực tế cấu trúc đơn giản dễ áp dụng Trong đó, động thứ đóng vai trò động chủ, động thứ hai động thứ ba đóng vai trò động tớ Mỗi động điều khiển vòng điều khiển riêng biệt với tác động nhiễu (tải) Trong cấu trúc này, tốc độ động trước tín hiệu tham chiếu cho động sau Các nhiễu tác động động chủ dễ dàng điều chỉnh động tớ, tác động nhiễu lên động tớ điều chỉnh động nối sau nó, khơng điều chỉnh động phía trước [1] Mơ hình mơ hệ thống thể hình Continuous powergui Load Load1 load w2 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động sử dụng điều khiển mờ Hệ thống điều khiển xây dựng sở biến tần hoạt động theo phương pháp V/f, với ngun lý băm xung SPWM Mơ hình mơ hệ thống Matlab/Simulink thể hình Continuous Frq 1400 Set speed Setpoint powergui Pulses Frq frq Vref Vref n_act SPWM Generator V/f constant Fuzzy Controller Load g Tm + A A A A B B B C C C DC Voltage Source m B -K- w2n C Inverter LC Filter Scope Induction Motor Hình Mơ hình mơ hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha sử dụng Tín hiệu vào điều khiển mờ xác định từ tốc độ đặt (setpoint) tốc độ thực động (nact - tín hiệu 40 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 49.2018 1400 Speed w1 load w3 Speed Speed Gain Slave Gain1 Slave Scope Setpoint Master Hình Mơ hình mơ hệ thống điều khiển đồng tốc ĐCKĐB ba pha 3.3 Kết mô 3.3.1 Hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Để kiểm nghiệm hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB với điều khiển mờ xây dựng, thực mô Matlab/Simulink ĐCKĐB sử dụng hệ thống động ba pha rotor lồng sóc: P = 4kW, U = 400V, f = 50Hz, n = 1430 vòng/phút; Bộ lọc LC sử dụng hệ thống có thơng số: L = 2mH, thơng số tụ C: 380V, 50Hz, 0,3kVAr có tác dụng lọc sóng hài bậc cao Sai số tốc độ mơ hình thiết kế nằm khoảng [-200, 200] vòng/phút, tốc độ biến thiên sai số giả thiết khoảng [-500, 500] Do vậy, để chuẩn hóa biến miền xác định [-1, 1] cần nhân thêm hệ số K (hình 2) Thời gian mô hệ thống 10s, thời điểm 5s, tác động vào hệ thống tải với Mc = 15 Nm Hình mơ tả tốc độ động ứng với tốc độ đặt 1400 vòng/phút hình tốc độ động điểm đặt SCIENCE TECHNOLOGY động đáp ứng động thứ hai thứ ba tỉ lệ đồng 1:0,7:0,5 tăng lên, điều nghiên cứu làm rõ thời gian tới 2000 Toc [v/p] 1200 vòng/phút, đó, đường nét liền thể tốc độ thực tế động cơ, đường nét đứt tốc độ đặt hệ thống Chúng ta nhận thấy, đáp ứng có độ q điều chỉnh định, hệ thống với điều khiển mờ điều khiển tốc độ động đạt giá trị mong muốn, với thời gian độ khoảng 3s Khi có tải tác động, hệ thống tự điều chỉnh để tiến tới tốc độ yêu cầu khoảng thời gian ngắn Kết mô cho thấy hệ thống với điều khiển mờ đáp ứng tốt theo tốc độ yêu cầu 1000 -500 10 Thoi gian [s] Hình Tốc độ hệ thống đồng tốc 1400 v/phút với tỉ số tốc độ động 1:1:1 Toc [v/p] 2000 1000 Hình Tốc độ động 1400 v/phút -1000 10 Thoi gian [s] Hình Tốc độ hệ thống đồng tốc 1400 v/phút với tỉ số tốc độ động 1:0,7:0,5 Hình Tốc độ động 1200 v/phút 3.3.2 Hệ thống điều khiển đồng tốc ĐCKĐB ba pha Trong hệ thống điều khiển đồng tốc độ ĐCKĐB, chọn động chủ động ba pha rotor lồng sóc: P = 7,5kW, U = 400V, f = 50Hz, n = 1440 vòng/phút; Động tớ có thông số giống nhau: P = 4,0kW, U = 400V, f = 50Hz, n = 1430 vòng/phút Hệ thống khảo nghiệm với tỉ lệ tốc độ động 1:1:1 1:0,7:0,5, kết mô thể hình tương ứng Trong hình này, tốc độ đặt thể đường chấm gạch, tốc độ động chủ, tốc độ động tớ tốc độ động tớ thể đường nét liền, nét đứt đường chấm Từ kết hình 9, nhận thấy đáp ứng hệ thống tốt, tốc độ động tớ bám theo tốc độ động chủ với độ trễ nhỏ Sự tác động tải động chủ thời điểm 5s điều chỉnh động tớ, nhiên, tồn dao động nên điều rõ đáp ứng động Độ dao 3.4 Nhận xét Các kết mô cho thấy, điều khiển mờ hiệu việc điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ba pha Hệ thống điều khiển đồng tốc độ nhiều động hoạt động theo nguyên lý điều khiển chủ/tớ, cho đáp ứng tốt thay đổi tải Quá trình tổng hợp điều khiển mờ khơng đòi hỏi mơ hình tốn học đối tượng, nên áp dụng cho hệ thống có độ phức tạp cao, có tính phi tuyến Các động tớ bám theo tốt tốc độ động chủ, theo tỉ lệ cho trước, với độ trễ nhỏ Tuy nhiên, kết mô cho thấy, đáp ứng hệ thống có độ q điều chỉnh độ dao động định, đặc biệt, độ dao động đáp ứng tăng lên điều chỉnh tốc độ động xa với tốc độ định mức Các vấn đề cần làm rõ nghiên cứu KẾT LUẬN Bài báo trình bày hệ thống điều khiển đồng tốc độ nhiều động không đồng ba pha theo nguyên lý điều khiển chủ/tớ, tốc độ động hệ thống điều chỉnh điều khiển logic mờ Ưu điểm điều khiển logic mờ giải toán giống với cách tư người, lại khơng đòi hỏi mơ hình tốn học đối tượng điều khiển nên áp dụng Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 41 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ với nhiều hệ thống phức tạp khác nhau, đặc biệt hệ phi tuyến Hệ thống đồng động thực theo nguyên lý điều khiển chủ tớ, nghĩa tín hiệu động trước đưa vào làm tín hiệu đặt cho động sau Tốc độ động chạy đồng với theo tỉ lệ định phụ thuộc vào trình công nghệ Kết mô cho thấy, đáp ứng hệ thống với điều khiển mờ có độ điều chỉnh độ dao động định Để kết luận xác tính hiệu phạm vi ứng dụng phương án đề xuất nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cần thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Hiên, Mai Thị Thanh Thủy, Nguyễn Văn Đạt, 2018 Nghiên cứu ứng dụng PLC biến tần điều khiển đồng tốc động điện không đồng ba pha dây chuyền cân định lượng Báo cáo đề tài cấp sở, Học viện Nông nghiệp Việt Nam [2] Patil A M., R A Thorat, and M M Kadam, 2014 A fuzzy based approach for PWM inverter fed induction motor V/f speed control IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol 9, No 6, pp.18 – 24 [3] Nguyễn Văn Đạt, 2010 Bài giảng Truyền động điện NXB Đại học Nông nghiệp, Hà Nội [4] Saher A A and J R Mahmood, 2017 PLC based multi three phase induction motors motion controller, Int Journal of Computer Applications, Vol 175, No 1, pp 37 – 44 [5] Badran M A., M A Hamood, and W F Faris, 2013 Fuzzy logic based speed control system for three phase induction motor “Eftimie Murgu” Resita, 20 (1), ISSN 1453 – 7397, pp 17-26 [6] Tripura P and Y S Kishore Babu, 2011 Fuzzy logic speed control of three phase induction motor drive Int Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol 5, No 12, pp 1774 – 1778 [7] Bengum R., Z Motibhai, G Nimbal, and S V Halse, 2013 Simulation of fuzzy inductance motor using PI control application Int Journal of Engineering Sciences, Vol 8, pp.79 – 85 [8] Hamed B M., M N Al-Mobaied, 2010 Fuzzy logic speed controllers using FPGA technique for three phase induction motor drives Engineering Science, Vol 37, No 2., pp 194 – 205 [9] Nguyễn Thế Anh, 2011 Điều khiển mờ động không đồng rotor lồng sóc Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Đại học Đà Nẵng [10] Vekaria M, D Thakar, and H Prajapati, 2017 Matlab simulation of induction motor drive using V/f control method Int Journal for Scientific Research & Development, Vol 5, No 1, pp 1772 – 1776 [11] Raichurkar P S and A L Jamadar, 2015 V/f speed control of phase induction motor using space vector modulation Int Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol 4, No 5, pp 735 – 742 42 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 49.2018 ... trình bày hệ thống điều khiển đồng tốc độ nhiều động không đồng ba pha theo nguyên lý điều khiển chủ/tớ, tốc độ động hệ thống điều chỉnh điều khiển logic mờ Ưu điểm điều khiển logic mờ giải toán... [s] Hình Tốc độ hệ thống đồng tốc 1400 v/phút với tỉ số tốc độ động 1:0,7:0,5 Hình Tốc độ động 1200 v/phút 3.3.2 Hệ thống điều khiển đồng tốc ĐCKĐB ba pha Trong hệ thống điều khiển đồng tốc độ... Hình Mơ hình mơ hệ thống điều khiển đồng tốc ĐCKĐB ba pha 3.3 Kết mô 3.3.1 Hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Để kiểm nghiệm hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB với điều khiển mờ xây dựng, thực