Bài viết trình bày một giải pháp logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng DSP trên cơ sở đề cấp đến vấn đề thiết kế các bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ thông qua Matlab - Simulink và card Dspace 1104 để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
Nghiên cứu khoa học công nghệ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG DSP Trần Đức Chuyển*, Nguyễn Đức Điển Tóm tắt: Trong báo này, tác giả trình bày giải pháp logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển động điện chiều sử dụng DSP sở đề cấp đến vấn đề thiết kế điều khiển PID điều khiển mờ thông qua Matlab - Simulink card Dspace 1104 để điều khiển tốc độ động điện chiều Kết mô thực nghiệm cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ đem lại chất lượng điều khiển tốt điều khiển PID, đảm bảo tiêu chất lượng điều khiển, khơng có độ q điều chỉnh thời gian độ ngắn lúc Hệ thống điều khiển có ưu điểm gọn nhẹ, làm việc an tồn, tin cậy, độ xác cao, xử lý nhiều liệu hệ thống cách đồng thời nhanh chóng Từ khóa: Điều khiển động DC; Điều khiển logic mờ; Cạc DSP 1104; Điều khiển động DC dùng DSP ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, với phát triển ngày cao kỹ thuật vi xử lý máy tính, hệ truyền động điện số ngày ứng dụng rộng rãi dần thay cho hệ truyền động điều khiển tương tự Bộ điều khiển kinh điển PID sử dụng rộng rãi hệ thống truyền động hệ thống chuyển động xác bao gồm: điều khiển tốc độ vị trí tay máy rơbốt cơng nghiệp, móc sản xuất, máy cơng cụ CNC, v.v Ưu điểm điều khiển PID có cấu trúc đơn giản dễ dàng thực Trong trình hoạt động hệ thống điều khiển, đặc biệt hệ điều khiển chuyển động máy ln có xuất ma sát, đàn hồi, nhiễu Khi đó, tham số đối tượng thay đổi, điều khiển PID không đáp ứng chất lượng điều khiển Mặt khác, yêu cầu ngày tăng thực tế sản xuất tốc độ, độ xác ổn định, sử dụng PID có nhiều hạn chế chí ổn định Khả thích ứng kém, chống nhiễu kém, điều khiển PID đạt đáp ứng điều khiển nhanh độ điều chỉnh nhỏ Trong [1] sử dụng thiết bị DSP để nhận dạng điều khiển tốc độ động điện chiều sử dụng điều khiển PID Kết [1] cho thấy thời gian đáp ứng điều khiển nhanh, tồn độ điều chỉnh cao, chưa đáp ứng tiêu chất lượng điều khiển Nhằm nâng cao chất lượng điều khiển, [2] sử dụng logic mờ kết hợp với mạng nơron, áp dụng điều khiển cho tốc độ động chiều không chổi than (BLDC) Kết thực nghiệm qua thiết bị Dspace 1104 [2] cho thấy không tồn độ điều chỉnh thời gian đáp ứng điều khiển không cải thiện đáng kể so với phương pháp điều khiển PID Trong báo này, tác giả sử dụng điều khiển mờ theo luật PI để nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động điện chiều Bộ điều khiển báo đơn giản [2] nên khối lượng tính tốn nhanh mà khả điều khiển theo thời gian thực tốt Kết tác giả thu có đáp ứng điều khiển nhanh khơng tồn độ điều chỉnh lúc Các tác giả sử dụng phần mềm Matlab - Simulink thiết bị Dspace 1104 để nhận dạng đối tượng, thiết kế, kiểm chứng thực nghiệm, đánh giá chất lượng điều khiển, [6, 7] XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Xây dựng mơ hình cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động chiều Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 45 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đối tượng nghiên cứu tác giả sử dụng động điện chiều kích từ độc lập Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động điện chiều minh họa hình Hệ truyền động điện cho động hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) Hình Cấu trúc điều khiển tốc độ động chiều sử dụng hệ truyền động xung áp Hình Cấu trúc điều khiển tốc độ động chiều sử dụng thiết bị Dspace 1104 Hệ truyền động điện cho động hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) Cấu trúc trúc điều khiển tốc độ động điện chiều sử dụng thiết bị Dspace 1104 hình Trong đó, Dspace 1104 sử dụng kênh đọc encoder để tính tốn tốc độ thực động cơ, xuất xung PWM với tần số 5KHz để cấp cho mạch lực Giao diện thiết kế phần mềm Control Desk dùng để giám sát, thu thập điều khiển đối tượng máy tính Thiết bị phần cứng Dspace 1104 thiết bị điều khiển số hãng Dspace Đức sản xuất dựa xử lý tín hiệu số DSP dấu phẩy động hệ thứ ba, họ TMS320Cxx hãng Texas Instruments (Mỹ) Dspace 1104 thiết kế đặc biệt để phát triển điều khiển số đa biến tốc độ cao mô thời gian thực Theo [3], sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 hình Hình Sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 [3] Hình Mơ hình bàn nghiên cứu điều khiển tốc độ động sử dụng thiết bị Dspace 1104 Xây dựng mơ hình thực nghiệm: Mục tiêu q trình thực nghiệm để chứng minh khả làm việc điều khiển tốc độ làm việc theo thời gian thực sở phương pháp đưa nhằm đánh giá chất lượng làm việc điều khiển mờ kết hợp với phần cứng chuyên dụng DSP để điều khiển tốc độ động chiều Mơ hình thực nghiệm báo áp dụng “Bàn thực nghiên cứu điều khiển tốc độ động điện chiều” xưởng thực hành “Truyền động điện” khoa Điện, trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp, bao gồm: Phần cứng Dspace 1104, máy tính nhúng cấu hình cao: Mainboard H110; Bộ vi xử lý/Chip Intel G4400 (3M Cache, 3.30 GHz); Ram 4G; cài đặt với phần Driver kèm cạc DSP, động chiều kích từ độc lập: Cơng suất 46 T Đ Chuyển, N Đ Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng… điện chiều sử dụng DSP.” Nghiên cứu khoa học công nghệ định mức 2,2 kW; điện áp phần ứng định mức 220V; điện áp kích từ định mức 200V; dòng điện phần ứng định mức 11,5A; tốc độ định mức 1750 vòng/phút, encoder có độ phân giải cao 1000 xung/vòng; thời gian trích mẫu t = 10-3s, kết hợp phần mềm chuyên dụng Matlab R2009 trở lên; phần mềm lập trình thuật tốn ngơn ngữ C CCS (code composer studio); Ngồi ra, có hệ thống nguồn công suất, thiết bị đo lường, v.v bàn thực hành thực tế hình Tiếp theo ta nghiên cứu lập trình kết nối, thiết kế điều khiển, khảo sát, đánh giá kết thực nghiệm với mơ hình thực nghiệm nêu trên, [8, 9, 10] Nhận dạng mơ hình toán hệ thống điều khiển tốc độ động chiều: Trước hết ta nhận dạng mơ hình tính toán hệ thống điều khiển tốc độ động chiều xây dựng chương trình Matlab - simulink để thu thập liệu vào/ra đối tượng hình Hình Chương trình Simulink thu thập liệu vào/ra đối tượng Hình Đáp ứng thực nghiệm thu thập liệu tốc độ động điện chiều Chương trình biên dịch nạp vào thiết bị Dspace 1104 để điều khiển động chiều thực, với số liệu động cho Và kết thu thập liệu Control Desk hình Từ liệu thu thập hình 6, mơ hình tốn học đối tượng xấp xỉ dạng khâu qn tính bậc có dạng, [7]: W(s) K Ts (1) đó: K = 11; T = 0,3185 Quá trình thực tế ta xây dựng hàm truyền vào phương pháp thực nghiệm sau nhận dạng tham số khâu (1) kết đạt hình Thiết kế điều khiển PID: Với đối tượng động điện chiều điều khiển tốc độ, tác giả lựa chọn khâu điều chỉnh PI Theo [8], khâu điều chỉnh PI miền gián gián đoạn có tính đến chống bão hòa tích phân (phương pháp điều chỉnh ngược trở lại sai số điều chỉnh) có dạng: ur (k ) VP ec (k ) d e(k 1) ur (k 1) (2) Với ec (k ); d viết: uc (k ) ur (k ) VP V d (1 I T ) VP ec (k ) e(k ) (3) (4) Trong đó: ur - Giá trị điện áp điều khiển thực thực hiện; uc - Giá trị điện áp điều khiển hiệu chỉnh; e - Là giá trị sai số điều khiển; VP - Hệ số tỉ lệ khâu điều chỉnh PI; VI - Hệ số tích phân khâu điều chỉnh PI Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Theo [8], khâu điều chỉnh PI xây dựng Simulink hình Hình Khâu điều chỉnh PI Simulink Hình Chất lượng điều khiển PID Các tham số Vp, VI chọn sở phương pháp thực nghiệm Zeigler - Nichols Sau chọn tham số Vp, VI, ta tính tham số Vp d Tuy nhiên, thiết kế theo phương pháp thực nghiệm, nên để nâng cao chất lượng điều khiển: thời gian độ ngắn độ điều chỉnh nhỏ, cần hiệu chỉnh thêm hai tham số Vp d Bộ tham số hiệu chỉnh tìm là: VP = 0,01; d = 0,99 (với T = 0,002) Chất lượng điều khiển PI sau thiết kế hình 2.2 Thiết kế điều khiển tốc độ dùng điều khiển mờ Do đối tượng khơng có khâu tích phân lý tưởng, nên tác giả lựa chọn điều khiển mờ theo luật PI Theo [7], cấu trúc điều khiển hình Hình Sơ đồ hệ thống sử dụng BĐK mờ theo luật PI điều khiển tốc độ động chiều [10] Hình 10 Cấu trúc điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ gồm: hai tín hiệu vào sai lệch E, đạo hàm sai lệch DE tín hiệu DU Cấu trúc điều khiển mờ minh họa hình 10 Hình 11 Mờ hóa đầu vào E Hình 12 Mờ hóa đầu vào DE Bảng Bảng luật mờ Hình 13 Mờ hóa đầu DU Bảng luật mờ xây dựng bảng Quan hệ vào điều khiển mờ hình 14 48 T Đ Chuyển, N Đ Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng… điện chiều sử dụng DSP.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Các hệ số chuẩn hóa điều khiển mờ sau: K1 = 0,02; K2 = 0,005, Ku = 15 Sơ đồ mô thiết kế Simulink điều khiển tốc độ động sử dụng điều khiển PID điều khiển mờ minh họa hình 15 Hình 14 Quan hệ vào BĐK mờ Hình 15 Cấu trúc điều khiển mờ 2.3 Kết mô điều khiển mờ điều khiển PID Kết mô điều khiển Matlab Simulink hình 16, hình 17: Hình 17 Đồ thị so sánh sai lệch tốc độ động Hình 16 Đồ thị so sánh đáp ứng tốc độ điều khiển động điều khiển Kết mô cho thấy chất lượng điều khiển mờ tốt điều khiển PID, đạt tiêu chất lượng: khơng có độ điều chỉnh thời gian độ ngắn lúc, lượng bám sát lượng vào trình cân THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sau thiết kế mô điều khiển mờ điều khiển PID, ta tiến hành thực nghiệm điều khiển với thiết bị phần cứng Dspace 1104 sau: Chương trình điều khiển kết hợp thời gian thực Simulink với điều khiển PID điều khiển mờ hình 18 hình 19 Hình 18 Chương trình điều khiển thời gian thực Simulink với điều khiển PID Hình 19 Chương trình điều khiển thời gian thực Simulink với điều khiển mờ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Kết điều khiển thời gian thực với điều khiển PID Control Desk với tín hiệu tốc độ đặt vòng/giây hình 20 Hình 20 Chương trình điều khiển thời gian thực Simulink với điều khiển PID Hình 21 Chương trình điều khiển thời gian thực Simulink với điều khiển mờ Với điều khiển mờ, kết điều khiển thực Control Desk tín hiệu tốc độ đặt vòng/giây hình 21 Hình 22 Điều khiển thực Control Desk với điều khiển PID tốc độ đặt thay đổi liên tục Hình 23 Điều khiển thực Control Desk với điều khiển mờ tốc độ đặt thay đổi liên tục Khi tín hiệu tốc độ đặt thay đổi liên tục, kết điều khiển thực với điều khiển PID hình 22 điều khiển mờ hình 23 Quan sát kết điều khiển thực nghiệm trường hợp điều khiển tốc độ động thông qua Dspace 1104 phần mềm Control Desk cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ đem lại chất lượng điều khiển tốt điều khiển PID, đạt tiêu chất lượng thời gian độ ngắn khơng có độ q điều chỉnh lúc Hơn nữa, điều khiển tốc độ được thiết kế có khả giữ tốc độ động ổn định thay đổi (tăng giảm) Đây kết tốt minh chứng cho điều khiển thiết kế KẾT LUẬN Kết mô điều khiển PID điều khiển mờ Matlab - Simulink kết thực nghiệm qua thiết bị Dspace 1104 điều khiển động chiều thực cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động chiều, đáp ứng tiêu chất lượng, đặc biệt thời gian độ ngắn khơng có độ q điều chỉnh lúc Các kết thực nghiệm chứng tỏ điều khiển tính tốn, thiết kế báo hồn tồn thực thực tế máy móc cơng nghiệp quốc phòng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Santi Wangnipparnto, Satean Tunyasrirut, “Simulation of speed control DC motor 50 T Đ Chuyển, N Đ Điển, “Giải pháp nâng cao chất lượng… điện chiều sử dụng DSP.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] by using DSP board for Electrical Engineering Education”, JSST 2012 International Conference on Simulation Technology, Graduate School of System Informatics - Kobe UniversityGraduate School of System Informatics - Kobe University, (2012) M Gokbulut, B Dandil, and C Bal., “Development and Implementation of a Fuzzy – Neural Network Controller for Brushless DC Drives”, Intelligent Automation and Soft Computing, vol 13, No 4, pp 423 – 435, TSI Press, (2007) dSPACE GmbH, “Hardware Installation and Configuration For DS1104 and CP1104/CLP1104 Connector Panels”, System Manual, (2004) Asif Sabanovic, Leonid M Fridman and Sarah Spurgeon, Variable Structure Systems from principles to implementation, first published, (2004) J.J Slotine and W Li, “Applied Nonlinear Control” Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, (1991) Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, “Lý thuyết điều khiển mờ”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, (1999) Nguyễn Doãn Phước (2009), “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2006), “Truyền động điện thông minh”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2008), “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư Điều khiển tự động”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Huỳnh Thái Hoàng (2006), “Hệ thống điều khiển thông minh”, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM ABSTRACT THE SOLUTION IMPROVE QUALITY DIRECTOR CURRENT MOTOR CONTROL USING DSP In this paper, a fuzzy logic solution for improving the quality control of DC (Direct Current) motors using digital signal processor on the basis of designing PID controllers and fuzzy controllers is presented The through Matlab - Simulink and card DSpace 1104 to control speed DC motor The simulated and experimental results show that the use of a fuzzy controller provides better control over the PID controller, ensuring quality control parameters, no over adjustment and over time short in the same time The system control has the advantage of being simple, safe, reliable and accurate and it can deal with various data of the system simultaneously and rapidly Keywords: The control of DC motor, Fuzzy logic control, Card DSP 1104, DC motor control using DSP Nhận ngày 19 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 25 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 11 năm 2017 Địa chỉ: Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp - Bộ Công thương * Email: tdchuyen@uneti.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 51 ... truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) Hình Cấu trúc điều khiển tốc độ động chiều sử dụng hệ truyền động xung áp Hình Cấu trúc điều khiển tốc độ động chiều sử dụng. .. điều khiển động chiều thực cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ động chiều, đáp ứng tiêu chất lượng, đặc biệt thời gian q độ ngắn khơng có độ điều chỉnh lúc... bị Dspace 1104 Hệ truyền động điện cho động hệ truyền động xung áp, điều khiển theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) Cấu trúc trúc điều khiển tốc độ động điện chiều sử dụng thiết bị Dspace