Thiết kế bộ điều khiển fuzzy PID cho DC DC converter điều khiển động cơ DC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN NGỌC BẢO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN NGỌC BẢO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS GIÁP QUANG HUY Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi tự nghiên cứu, học hỏi dựa kiến thức học, làm việc hỗ trợ Giáo viên hướng dẫn đồng nghiệp Tác giả Phan Ngọc Bảo MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ BỘ DC/DC CONVERTER 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG…………………………………………………… 1.2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DC/DC……………………………… 1.2.1 Khái quát chung…………………………………………… …… 1.2.2 Các biến đổi DC-DC……………………………………….…… 1.2.2.1 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly……………………………… 1.2.2.2 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly………………….…… 1.2.3 Mơ hình biến đổi DC-DC giảm áp (Buck Converter)………… 1.2.3.1 Mơ hình chuyển mạch kiểu vật lý…………………………… 1.2.3.1 Mơ hình khơng gian trạng thái……………………………… 1.2.4 Các chế độ hoạt động biến đổi điện áp DC-DC…………… 1.2.4.1 Chế độ dòng điện liên tục…………………………………… 1.2.4.2 Chế độ dòng điện gián đoạn………………………… 1.2.5 Chọn giá trị Lmin cho biến đổi điện áp DC-DC………………… 1.3 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MẠCH BĂM XUNG…………… 1.3.1 Thay đổi độ rộng xung……………………………………… 1 2 2 4 5 6 7 10 13 13 13 15 16 16 1.3.2 Thay đổi tần số xung ……………………………………………… 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1………………………………………………… Chƣơng - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP & MƠ HÌNH HĨA .……………… 2.1 CẤU TRÚC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU…………………………… 2.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ………………… 2.2.1 Nguyên lý làm việc động điện chiều ………………… 2.2.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập…… 2.3 MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU 2.3.1 Chế độ xác lập động điện chiều …… 2.3.2 Chế độ độ động điện chiều 2.3.2.1 Mô tả chung…………………………………………………… 2.3.2.2 Trường hợp từ thơng kích từ khơng đổi……………… 17 17 18 18 19 19 19 22 23 24 24 26 Chƣơng - LOGIC MỜ VÀ CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI…………………………………………………………… 27 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG…………………………………………………… 27 28 28 29 31 31 31 32 32 32 33 33 35 35 36 38 3.2 LOGIC MỜ……………………………………………………………… 3.2.1 Tập mờ hàm thuộc 3.2.2 Các hàm thuộc thƣờng dùng 3.2.3 Biến mờ biến ngôn ngữ 3.2.3.1 Biến mờ 3.2.3.2 Biến ngôn ngữ 3.2.4 Luật “Nếu Thì ” 3.2.5 Suy luận mờ luật hợp thành 3.2.5.1 Mệnh đề hợp thành 3.2.5.2 Luật hợp thành MAX-MIN, MAX-PRO 3.2.5.3 Luật nhiều mệnh đề hợp thành 3.2.5.4 Luật hợp thành SUM-MIN SUM-PROD 3.2.6 Giải mờ (rõ hóa) 3.2.6.1 Phương pháp cực đại 3.2.6.2 Phương pháp điểm trọng tâm 3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ…………………………………………………………… 3.3.1 Cấu trúc điều khiển mờ 3.3.2 Tối ƣu hoá hệ thống 3.3.3 Mơ hình mờ Sugeno 3.3.4 So sánh mơ hình Mamdani mơ hình Sugeno 3.4 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.4.1 Nguyên tắc 3.4.2 Các bƣớc thực 3.4.2.1 Đối với điều khiển mờ theo mô hình Mamdani 3.4.2.2 Đối với điều khiển mờ theo mơ hình Sugeno 3.4.3 Các phƣơng pháp thiết kế điều khiển mờ 3.5 HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 3.5.1 Giới thiệu chung 3.5.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 3.5.3 Chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 3.6 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chƣơng - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ-PI 4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 4.1.1 Thông số động DC 4.1.2 Bộ Buck DC-DC converter 4.1.3 Tổng hợp điều khiển 4.1.3.1 Mờ hóa 4.1.3.2 Luật điều khiển quy tắc hợp thành 4.1.3.3 Giải mờ 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 39 40 41 43 43 44 44 44 45 45 46 46 47 48 50 50 52 52 52 53 54 57 58 60 61 62 63 64 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC Học viên: Phan Ngọc Bảo Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: Khóa: K34.TĐH.QNg Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt: Với yêu cầu công nghệ ngày cao, chất lƣợng điều khiển ngày tốt Do mục tiêu đề tài hƣớng tới xây dựng đƣợc sở lý thuyết phƣơng pháp điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập cách thay đổi điện áp đầu vào động Cụ thể điều khiển điện áp cho Buck DC-DC cung cấp cho động phƣơng pháp Fuzzy-PID, khảo sát tính ổn định tốc độ động nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển động điện chiều Đề tài mang lại ý nghĩa khoa học thực tiễn vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ việc điều khiển đối tƣợng phi tuyến nói chung Buck converter nói riêng Đề tài đƣợc kết hợp điều khiển mờ điều khiển kinh điển mang lại kết tối ƣu so với sử dụng điều khiển kinh điển Từ khóa: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp; điều khiển mờ; PID; điều khiển mờ chỉnh định PID; động điện chiều; biến đổi độ rộng xung DESIGN FUZZY-PID CONTROLLER FOR DC/DC CONVERTER CONTROL DC MOTOR Abstract: With the increasing demand for technology, quality control is getting better and better The objective of the project is to develop a theoretical basis for the independent DC motor speed control method by changing the input voltage of the motor Specifically, it controls the output voltage of the Buck DC-DC to the motor by Fuzzy-PID, which investigates the stability of the motor speed to improve the quality of drive DC motors This topic has a scientific and practical significance for the application of fuzzy control theory in the control of nonlinear objects in general and the Buck converter in particular The topic has shown that the combination of fuzzy control and classic control will produce better results than using only classic controllers Key words: buck converter; fuzzy logic; PID; fuzzy-PID control; DC motor; pulse width converter DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT f : Tần số dòng điện fs : Tần số chuyển mạch Pđm : Công suất danh định P0 : Công suất nđm : Tốc độ định mức Uđm : Điện áp định mức Utb : Điện áp trung bình Iđm : Dịng điện định mức Ɛ : Hệ số lấp đầy Uƣ : Điện áp phần ứng Eƣ : Sức điện động phần ứng Rƣ : Điện trở mạch phần ứng Iƣ : Dòng điện mạch phần ứng rƣ : Điện trở cuộn dây phần ứng rcf : Điện trở cuộn dây mạch từ phụ rct : Điện trở tiếp xúc cuộn bù Φ : Từ thông kích từ cực từ N : Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng j : Mơ men qn tính Kb : Hằng số sức phản điện động Ka : Hằng số từ thông động Fm : Hệ số ma sát Mđt : Momen điện từ Mcơ : Momen Mc : Momem tải Vdk : Điện áp điều khiển V0 : Điện áp đầu Lkt : Điện cảm cuộn kích từ Rkt : Điện trở cuộn kích từ Ukt : Điện áp kích từ ikt : Dịng điện kích từ  : Mô men quay trục động L : Mơ men tải : Vận tốc góc T1 : Thời gian đóng khóa van T2 : Thời gian ngắt khóa van T : Chu kỳ chuyển mạch D : Chu kỳ làm việc Vin : Điện áp vào Vout : Điện áp e : Sai lệch tốc độ de/dt : Đạo hàm sai lệch DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 1.1 Để chọn giá trị điện cảm phù hợp chế độ dòng điện liên tục dòng điện gián đoạn biến đổi điện áp DC-DC 16 4.1 Bảng luật mờ cho hệ số chỉnh định KP 59 4.2 Bảng luật mờ cho hệ số chỉnh định KI 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ 1.1 Tên hình vẽ Trang Minh họa cách phân loại biến đổi 1.2 Các biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển 1.3 Bộ biến đổi DC-DC giảm áp chuyển mạch khóa bán dẫn 1.4 Bộ biến đổi DC-DC giảm áp với chuyển mạch lý tƣởng 1.5 Bộ biến đổi DC-DC giảm áp khóa đóng (a) khóa ngắt (b) 1.6 Dạng sóng điện áp dịng điện biến đổi Buck DC-DC 1.7 Mạch Buck converter chế độ ON 10 1.8 Mạch Buck converter chế độ OFF 11 1.9 Dòng điện qua cuộn cảm biến đổi DC-DC 14 1.10 Sơ đồ phƣơng pháp điều chỉnh điện áp 16 2.1 Động điện chiều (nguồn: wikipedia) 18 2.2 Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập 19 2.3 Đặc tính điện đặc tính động điện chiều 21 2.4 Mạch điện thay động chiều 22 2.5 Sơ đồ cấu trúc động chiều 25 2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hố động điện chiều 26 2.7 Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 26 3.1 Hàm thuộc kiểu tam giác a) kiểu hình thang b) 30 3.2a Hàm thuộc hình chng 30 3.2b Hàm thuộc Gaus 30 3.3 Mô tả giá trị ngôn ngữ chiều cao ngƣời Việt tập mờ 31 3.4 Giải mờ phƣơng pháp cực đại 36 3.5 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 37 30 If (sai-lech-toc-do-e is PS) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NM) then (chinh-dinh-Kp is P4)(chinh-dinh-Ki is P4) 31 If (sai-lech-toc-do-e is PS) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NS) then (chinh-dinh-Kp is P5)(chinh-dinh-Ki is P2) 32 If (sai-lech-toc-do-e is PS) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is ZE) then (chinh-dinh-Kp is P5)(chinh-dinh-Ki is P1) 33 If (sai-lech-toc-do-e is PS) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PS) then (chinh-dinh-Kp is P5)(chinh-dinh-Ki is P2) 34 If (sai-lech-toc-do-e is PS) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PM) then (chinh-dinh-Kp is P4)(chinh-dinh-Ki is P4) 35 If (sai-lech-toc-do-e is PS) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PL) then (chinh-dinh-Kp is P4)(chinh-dinh-Ki is P6) 36 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NL) then (chinh-dinh-Kp is P5)(chinh-dinh-Ki is P2) 37 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NM) then (chinh-dinh-Kp is P6)(chinh-dinh-Ki is P1) 38 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NS) then (chinh-dinh-Kp is P6)(chinh-dinh-Ki is P1) 39 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is ZE) then (chinh-dinh-Kp is P6)(chinh-dinh-Ki is P1) 40 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PS) then (chinh-dinh-Kp is P6)(chinh-dinh-Ki is P1) 41 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PM) then (chinh-dinh-Kp is P6)(chinh-dinh-Ki is P1) 42 If (sai-lech-toc-do-e is PM) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PL) then (chinh-dinh-Kp is P5)(chinh-dinh-Ki is P2) 43 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NL) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) 44 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NM) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) 45 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is NS) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) 46 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is ZE) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) 47 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PS) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) 48 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PM) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) 49 If (sai-lech-toc-do-e is PL) and (dao-ham-sai-lech-de/dt is PL) then (chinh-dinh-Kp is P7)(chinh-dinh-Ki is P1) ... TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN NGỌC BẢO THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY- PID CHO DC/ DC CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ... 53 54 57 58 60 61 62 63 64 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY- PID CHO DC/ DC CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC Học viên: Phan Ngọc Bảo Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: Khóa: K34.TĐH.QNg... Từ khóa: Bộ biến đổi DC- DC giảm áp; điều khiển mờ; PID; điều khiển mờ chỉnh định PID; động điện chiều; biến đổi độ rộng xung DESIGN FUZZY- PID CONTROLLER FOR DC/ DC CONVERTER CONTROL DC MOTOR Abstract: