Điều khiển hệ thống chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor - động cơ điện một chiều có thông số thay đổi ứng dụng logic mờ

Bài viết đưa ra kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống truyền động chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor – Động cơ điện một chiều theo giải thuật mờ nhằm ổn định tốc độ của động cơ điện một chiều khi thông số của hệ thống thay đổi.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 79 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHỈNH LƯU CẦU PHA THYRISTOR – ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CĨ THƠNG SỐ THAY ĐỔI ỨNG DỤNG LOGIC MỜ CONTROL OF THREE- PHASE THYRISTOR BRIDGE RECTIFIER - DC MOTOR SYSTEM USING FUZZY LOGIC Võ Khánh Thoại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng; vkthoai@ute.udn.vn Tóm tắt - Hiện nay, động điện chiều vẫn ứng dụng phổ biến lĩnh vực kinh tế khoa học kĩ thuật nhà máy cán thép, tàu điện ngầm, cánh tay robot Để thực hiện nhiệm vụ công nghiệp, dây chuyền sản xuất, yêu cầu tốc độ của động điện chiều phải ổn định đòi hỏi độ xác cao Đối với động điện chiều, thông số thường bị thay đổi nên việc sử dụng điều khiển kinh điển gặp nhiều hạn chế làm ảnh hưởng chất lượng điều chỉnh Bài báo đưa kết mô phỏng điều khiển hệ thống truyền động chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor – Động điện chiều theo giải thuật mờ nhằm ổn định tốc độ của động điện chiều thông số của hệ thống thay đổi Abstract - Currently, DC motors are still widely used in the fields of economy and science such as steel rolling mills, subways, robotic arms In the production line, the speed of DC motors must be stable and highly precise For DC motors, the parameters are often altered, so the use of PID controllers is limited to compromising tuning quality The paper presents simulation results of the Three -phase Thyristor Bridge Rectifier - DC motors Control System in a fuzzy algorithm to stabilize the speed of DC motors when the system parameters change The simulation results obtained from Matlab/Simulink and SimPowerSystems library prove the advantages of the used method over traditional approaches Từ khóa - PID; điều khiển mờ; chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor; động DC Key words - PID; Fuzzy Controller; Three phase Thyristor Bridge Rectifier; intelligent controller; DC motor Đặt vấn đề Hệ truyền động gồm Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor với điện áp đầu điều khiển được để điều chỉnh tốc độ động điện chiều có sơ đồ hình Nguyên lý điều khiển mờ dựa vào giao diện đầu vào gồm các khâu mờ hóa, hiệu chỉnh đạo hàm, tích phân… để đưa thơng tin cho thiết bị hợp thành Thiết bị hợp thành chứa các luật điều khiển được thiết kế với kinh nghiệm chuyên gia, trung tâm điều khiển mờ Thông qua các luật điều khiển này, đầu điều khiển mờ (khâu giải mờ) tạo các tín hiệu điều khiển cho hệ thớng Nội dung báo ứng dụng thuật toán điều khiển mờ để điều khiển hệ thống gồm Chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor – Động điện chiều, với việc thay điều khiển PI kinh điển điều khiển mờ nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống các thông số hệ thống thay đổi Các kết mô Matlab/Simulink thư viện SimPowerSystems, cho thấy được các ưu điểm phương pháp điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển kinh điển Hình Bợ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor - Động DC Bộ chỉnh lưu Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòng điện) chiều điều khiển được Hoạt động mạch nguồn xoay chiều định nhờ đó mà có thể thực được chuyển mạch dòng điện các phần tử lực Phần mạch quan trọng chỉnh lưu phần điều khiển, đó các xung mở Thyristor được phát theo trật tự định Điện áp đầu sau chỉnh lưu được dùng để điều chỉnh tốc động điện Trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao động điện chiều được dùng phổ biến tính đa dụng linh hoạt, với phạm vi điều khiển tốc độ lớn yêu cầu đảo chiều nhanh Để điều khiển ổn định tốc độ động cơ, điều khiển kinh điển tỉ lệ - đạo hàm - tích phân PID ln lựa chọn cấu trúc đơn giản dễ cài đặt [1], [2], việc tinh chỉnh PID gặp khó khăn hệ thống có các thông số thay đổi, có nhiễu tác động hay tín hiệu đặt thay đổi khác Các phương pháp dùng điều khiển mờ điều khiển [3], [4], [7], [8] hướng nghiên cứu để cải thiện nhược điểm PID Hệ thống điều khiển ứng dụng logic mờ được đề xuất để khắc phục tính Mơ hình hệ thống truyền động Chỉnh lưu Thyristor – Động DC Bộ chỉnh lưu cầu pha Thyristor Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động điện chiều (qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ) cần có biến đổi Ở đây, ta sử dụng biến đổi chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng dùng Thyristor có sơ đồ cấu trúc Hình 2, với tín hiệu điều khiển được cấp từ điện áp điều khiển đầu vào Uđk Điện áp chiều đầu đặt vào phần ứng động (Ud) Uđk có nhiệm vụ thay đổi góc mở  các van Thyristor có giá trị bé so với Ud, nên chỉnh lưu khuếch đại với hệ sớ khuếch đại Kcl Chọn hàm truyền chỉnh lưu có dạng: Wcl (s) = K cl e− s = K cl = eTcl s K cl K  cl − (1) Tcl s (Tcl s)2 (Tcl s)3 (Tcl s)k Tcl s + 1+ + + + + 1! 2! 3! k! Võ Khánh Thoại 80 (do Tcl > Tcl + Tbd = T) Đây khâu quán tính bậc 2, áp dụng tiêu chuẩn tối ưu độ lớn, chọn điều khiển PI có dạng: RaTa WRI  _(6) (2 K cl Kbd T )(1 + ) Ta s Thay số [6], [7] vào ta được: WRI  0,1392(1 + ) 0, 0027 s Hàm truyền hệ kín có dạng: WkI  1, 67(0, 001s + 1) 0, 00534 s(0, 00267 s + 1) + Vòng điều khiển Hình tớc độ: Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc đợ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN W ( s ) = WkI K a hq K ft Js (T ft s + 1) K a K ft (Tbd s + 1) W ( s) = hq Kbd _(7) [Js(2T )]I s(Tcl s + 1)(Tbd s + 1) + 1](T ft s + 1) với Tft = Tbd = 0,001(s) bỏ qua các thành phần bậc cao, ta có: K a K ft W  hq JKbd [s (2T )]I s + (8) 81 đồng thời tính toán dễ dàng 3.2.3 Xây dựng luật điều khiển Dựa vào đặc tính động học, quá độ thường gặp, số liệu vào sử dụng điều khiển truyền thống PI, ta xây dựng luật điều khiển đối với hệ thống sau: If ET is PL and DE is ZE then U is PL If ET is ZE and DE is PL then U is NM Ta có tổ hợp 7x7 = 49 luật điều khiển được thiết kế luật hợp thành Hình 6d Đầu U rõ ràng phụ thuộc vào sai lệch ET, đạo hàm DE luật điều khiển Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đới xứng với đới tượng có hàm truyền dạng tích phân quán tính bậc nhất, chọn điều khiển PI có dạng: _ W  K p q ( ) _(9) Rq 1+ TIq s đó, T  2aTI ; K Iq pq  JKbd K a K f tTI a (10) a Đầu vào ET b Đầu vào DE đó: W ( Rq JKbd )(1 + ) 2aTI s K a K f tTI a (11) chọn a = thay số vào ta được: T  0,048 ; K = 0,0039 Iq pq ) 0, 048s c Đầu U d Luật điều khiển Hình Các hàm liên tḥc luật điều khiển Thiết kế điều khiển dùng logic mờ Điều khiển mờ [4] được đề xuất hệ thống có tham sớ thay đổi, khơng xác định xác sử dụng kinh nghiệm vận hành hệ thống chuyên gia để thiết kế Ngôn ngữ sử dụng điều khiển mờ gần với suy nghĩ người, dạng điều khiển thơng minh đơi gọi tính toán mềm Khi tham sớ động thay đổi điều chỉnh tớc độ Rq’ thay đổi Vì để đảm bảo chất lượng điều chỉnh khơng đổi, điều chỉnh phải có khả tự động chỉnh định lại các tham số Điều không thể thực với điều chỉnh PI kinh điển Chính điều khiển mờ được đề xuất để thay cho PI Đầu vào điều khiển mờ sai lệch tốc độ (eω = ωđặt– ωthực) tốc độ sai lệch (deω = eω(k+1) – eω(k)) Ngõ điều khiển mờ điện áp đưa vào chỉnh lưu (u) 3.2.1 Xác định tập mờ Số lượng tập mờ đầu vào được chia làm 7, bao gồm tập giống suy nghĩ người: thấp nhiều NL; thấp vừa NM ; thấp NS ; vừa ZE ; cao PS ; cao vừa PM ; cao nhiều PL Đầu điều khiển mờ được chia làm tập với các ngôn ngữ tương ứng đầu vào Các tập mờ được xây dựng theo kinh nghiệm Hình 6a, b, c 3.2.2 Xác định tập mờ hàm liên thuộc Có nhiều cách chọn kiểu tập mờ hàm liên thuộc Thuật toán điều khiển chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác kiểu phù hợp kỹ thuật điều khiển Dùng luật hợp thành Sum-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm, Khi đó hệ sớ u được tính toán lúc điều khiển là: Nên: W Rq  0, 0039(1 + 49 u (t ) = y −i p  A (e(t )). B (du / dt ) y −i p  A (e(t )). B (du / dt ) i =1 49 i =1 i i i (12) i Trong đó, y −p i tâm các tập mờ tương ứng Kết mô Kết mô điều khiển hệ thống Chỉnh lưu cầu pha Thyristor – Động điện chiều sau: 3.3.1 Mô Simulinks Mô hệ thống Simulink có sơ đồ Hình Sơ đồ có hệ thớng Chỉnh lưu – Động chiều hai nhánh Hình Mơ hình điều khiển hệ thống Simulink Võ Khánh Thoại 82 Bằng cách thay điều khiển tốc độ PI nhánh điều khiển mờ Fuzzy nhánh dưới để so sánh các kết Từ Hình ta thấy dùng điều khiển PI Fuzzy, cho đáp ứng tốc độ động xác lập ổn định gần nhau, thời gian quá độ khoảng 0,2s, sai lệch nhỏ không đáng kể Cả PI Fuzzy hiệu các thông số hệ thống không thay đổi Hình 11 Tốc đợ đợng nhiễu mơmen cản Mc 3.3.2 Mô thư viện Sim Power Systems Mô hệ thống thư viện Sim Power Systems Thư viện sử dụng môi trường Simulink ưu điểm dùng các khối chức có sẵn (với các thông số có thể thay đổi) để kết nối thành mạch điện – điện tử cách nhanh chóng, hiệu Ngồi ra, mơ hình mơ Sim Power System có cấu trúc giống với thực tế Hệ thống điều khiển được xây dựng sơ đồ Hình 12 Hình Tốc đợ đợng DC tham số không đổi Khi điện trở phần ứng động Ra thay đổi từ 0.2Ω lên 0.5Ω, lúc đó điều khiển mờ Fuzzy PI cho đáp ứng nhanh gần nhau, Fuzzy xác hơn, vọt lớ PI (Hình 9) Hình 12 Mơ hình điều khiển hệ thống Sim Power Systems Mô hệ thống Sim Power Systems, thông số hệ thống không đổi, dùng PI Fuzzy cho đáp ứng gần thể đáp ứng Hình 13 Hình Tốc độ động thay đổi điện áp phần ứng Ra Hình 13 Tốc đợ đợng DC tham số khơng đổi (trong Sim Power Systems) Hình 10 Tốc đợ đợng thay đổi mơmen qn tính J Khi mơmen quán tính J thay đổi từ giá trị 0.05 đến giá trị 0.08 kg.m2 PI cho đáp ứng có sai số xác lập 1.5 rad/s giá trị đặt 100 rad/s rad/s 160/s đó sai số xác lập dùng Fuzzy nhỏ khơng đáng kể (Hình 10) Trường hợp cho nhiễu mômen cản Mc tầm [-0.2; 0.2], thời gian lấy mẫu 0.2, điều khiển dùng Fuzzy cho đáp ứng khá nhanh nhạy sai lệch so với PI (Hình 11) Hình 14 Tốc độ động DC Ra thay đổi ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN Khi điện trở phần ứng động Ra thay đổi từ 0.2Ω lên 0.5Ω, đáp ứng tớc độ thể Hình 14 Bộ Fuzzy cho đáp ứng xác lập với sai số 2% lúc 0.2s, đó PI 0.5s, độ quá điều chỉnh 9% PI 20% Hình 15 thể trường hợp nhiễu ngẫu nhiên dòng điện tầm [-0.5; 0.5] thời gian lấy mẫu 0.3s, điều khiển PI không hiệu Fuzzy, đáp ứng hệ thống chậm hơn, độ quá điều chỉnh (18%) nhiều Fuzzy (9%) 83 lượng điều khiển hệ thống có thông số thay đổi Các kết có được từ mô Matlab/Simulink thư viện SimPowerSystems, chứng tỏ được các ưu điểm phương pháp điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển truyền thống Lời cảm ơn: Nghiên cứu được tài trợ Quỹ phát triển tiềm lực Khoa học Công nghệ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số T2018-06-90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 15 Tốc đợ đợng DC nhiễu dòng điện Bàn luận: Qua các kết mô phỏng, rõ ràng thông sớ hệ thớng khơng đổi chỉ cần sử dụng PI để điều khiển, thông số hệ thống có các thông số thay đổi, PI thiết kế điểm làm việc nên tỏ không hiệu cần phải chỉnh định lại các tham số Việc đề xuất Fuzzy trường hợp để khắc phục hạn chế Kết luận Từ thực tế khảo sát lý thuyết ứng dụng logic mờ vào đối tượng gồm Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor - Động điện chiều DC so sánh với điều khiển kinh điển PID, ta thấy khả thích nghi hệ thớng được nâng lên nhiều: độ quá điều chỉnh khá ít, thời gian đáp ứng nhanh sai sớ vị trí nhỏ, góp phần nâng cao chất [1] Karl Johan Åström, Tore Hägglund, ISA-The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006 [2] Ashwaq Abdulameer, Marizan Sulaiman Mohd Shahrieel Mohd Aras, Tuning Methods of PID Controller for DC Motor Speed Control, 2016 [3] Cheng-Jian Lin, Cheng-Hung Chen, Chi-Yung Lee, "A TSK-Type Quantum Neural Fuzzy Network for Temperature Control”, International Mathematical Forum, 1, no 18, 853-866, 2006 [4] Kevin M Passino, Stephyen Yurkovich (1998), Fuzzy control, Addison Wesley Longman, Inc [5] KT Võ, Sliding table position control using neural networks, B2017478, Page 118 - 122, Journal of Science and Technology - Danang University (JST-UD), No 11(120).2017 [6] KT Võ, Adaptive control of sliding table position using feedback linearization neural networks, B2017-478, Page 85- 89, Journal of Science and Technology - Danang University(JST-UD), No 1(122).2018 [7] M Önder Efe, O Hasan Dagci, Okyay Kaynak, Fuzzy Control of a 2-DOF Direct Drive Robot Arm by Using a Parameterized T-Norm, Bogazici University, Mechatronics Research and Application Center, Bebek, 80815, Istanbul, Turkey [8] Nikos C.Tsourveloudis, Ramesh Kolluru, Kimon P Valavanis and Denis Gracanin, "Suction Control of a Robotic Gripper: A Neuro Fuzzy Approach", Robotics and Automation Laboratory, The Center for Advanjced Computer Studies and A-CIM Center, University of Louisiana at Lafayette, Lafayette, LA, USA, 1999 [9] Y W Chu, H Y Chung, “A fuzzy controller with the Grey prediction model for the motion of a robot” M.S thesis in Electrical Engineering, National Central University, 2000 [10] https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/t-wo quadrantthreephaserectifierdcdrive.html (BBT nhận bài: 10/10/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/10/2018) ... tập mờ tương ứng Kết mô Kết mô điều khiển hệ thống Chỉnh lưu cầu pha Thyristor – Động điện chiều sau: 3. 3.1 Mô Simulinks Mô hệ thớng Simulink có sơ đồ Hình Sơ đồ có hệ thống Chỉnh lưu. .. độ: 3, 14 W ft = 0, 001s + (4) Hình Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Chỉnh lưu cầu pha Thyristor – động điện DC Thiết kế bộ điều khiển kết mô Thiết kế điều khiển hệ thớng dùng PID Các điều. .. sát lý thuyết ứng dụng logic mờ vào đối tượng gồm Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor - Động điện chiều DC so sánh với điều khiển kinh điển PID, ta thấy khả thích nghi hệ thớng được