Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng bộ điều khiển PID mờ lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN MINH CHƠN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN MINH CHƠN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Minh Chơn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06-12-1983 .Nơi sinh: Phú Tân – Cà Mau Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1641830004 I- Tên đề tài: Điều khiển tốc độ động không đồng pha dung điều khiển PID mờ lai II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu tổng quan động không đồng pha phương pháp điều khiển tốc độ - Tìm hiểu logic mờ, điều khiển PID ứng dụng điều khiển động khơng đồng - Xây dựng mơ hình mơ Matlab - Viết luận văn III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực LV ghi QĐ giao đề tài) IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng năm 2018 V- Cán hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS Nguyễn Thanh Phương KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS TS Nguyễn Thanh Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CÁM ƠN Lời xin chân thành cám ơn thầy cô Viện Kỹ thuật HUTECH Viện Đào tạo Sau đại học nhiệt tình giảng dạy hỗ trợ để tơi hồn thành khóa học Đặc biệt PGS TS Nguyễn Thanh Phương truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tơi hồn thành luận văn Cám ơn bạn học viên lớp đồng hành, động viên giúp đỡ học tập để vượt qua khó khăn học tập nghiên cứu trường Cuối cùng, xin chân thành cám ơn quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện vật chất tinh thần gia đình suốt trình học tập Nguyễn Minh Chơn i MỤC LỤC Mục lục i Tóm tắt luận văn .iv Danh sách hình vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Các phương pháp điều khiển 1.2.1 Điều khiển vô hướng động không đồng (scalar) 1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 1.2.3 Điều khiển định hướng trường 1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường 1.2.7 Nhận xét 1.3 Những kỹ thuật tiên tiến 1.3.1 Điều khiển thông minh 1.3.2 Những kỹ thuật khác 1.4 Trình tự mơ động không đồng 10 1.4.1 Xây dựng mơ hình tốn học động không đồng cho cấu trúc điều khiển 10 1.4.2 Bộ biến tần điều khiển 11 1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC 11 1.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng thiết kế điều khiển kèm 11 1.5 Định hướng 11 1.6 Mục tiêu đề tài 11 1.7 Phạm vi nghiên cứu 12 1.8 Nội dung luận văn 12 1.9 Ý nghĩa đề tài 12 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TỐN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA13 2.1 Giới thiệu động không đồng ba pha 13 ii 2.2 Vector không gian đại lượng ba pha 14 2.2.1 Xây dựng vector không gian 14 2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 16 2.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor 17 2.3 Mơ hình động khơng đồng ba pha 17 2.3.1 Lý xây dựng mơ hình 20 2.3.2 Hệ phương trình động 21 2.3.3 Các tham số động 22 2.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ stator 23 2.3.5 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor 25 2.3.6 Ưu điểm việc mô tả động không đồng ba pha hệ tọa độ từ thông rotor 26 2.3.7 Bộ điều chế độ rộng xung PWM 27 2.3.8 Mơ hình động khơng đồng ba pha hệ tọa độ stator Simulink Matlab 28 2.4 Nhận xét 34 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG 35 3.1 Đại cương phương pháp FOC 35 3.2 Cấu trúc nội dung phương pháp FOC 37 3.3 Mô phương pháp foc simulink/matlab 41 3.3.1 Sơ đồ cấu trúc đại phương pháp FOC Simulink/Matlab 41 3.3.2 Giải thích nguyên lí hoạt động 41 3.3.3 Phân tích sơ đồ 42 3.4 Kết mô điều khiển động không đồng phương pháp FOC 46 3.4.1 Tham số mô 46 3.4.2 Trình tự mơ 46 3.4.3 Kết mô điều khiển FOC Simulink/Matlab 48 3.4.4 Nhận xét kết mô điều khiển FOC 62 CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 65 iii 4.1 Tổng quan phương pháp đề xuất 65 4.2 Bộ điều khiển mờ pi 65 4.2.1 Giới thiệu 65 4.2.2 Cấu trúc điều khiển pid mờ 67 4.2.3 Cấu trúc điều khiển pid mờ lai 68 4.2.4 Xây dựng điều khiển pi mờ 69 4.3 Mô điều khiển định hướng trường động không đồng dựa vào ước lượng từ thơng rotor có điều khiển mờ pi để điều khiển tốc độ động không đồng pha 80 4.4 Nhận xét 89 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN , HẠN CHẾVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 91 5.1 Kết luận 91 5.2 Hạn chế 91 5.3 Hướng phát triển 92 Tài liệu tham khảo 93 iv TÓM TẮT Động không đồng ba pha thiết bị chủ lực truyền động điện xoay chiều ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắn, vận hành tin cậy, bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ, hiệu suất cao… so với động chiều Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn, phức tạp động không đồng hệ phi tuyến mạnh cần thuật toán điều khiển chặt chẽ Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) có khả điều khiển độc lập từ thơng moment, sử dụng phổ biến để điều khiển động Tác giả kết hợp tính ưu việt phương pháp điều khiển khác nhau, với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong luận văn thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động không đồng pha” thực Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số Kp Ki cố định) cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai (với thay đổi động thông số Kp Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động -IM) Các kết mô cho thấy hiệu phương pháp đề xuất 81 Hình 4.33 Mơ hình điều chỉnh tốc độ dùng điều khiển PI mờ lai Bộ điều khiển PID mờ Bộ điều khiển PID thơng thường Hình 4.34 So sánh kết mô Bộ điều khiển PID mờ & PID thơng thường 82 Hình 4.35 Kết Bộ điều khiển PID mờ lai Hình 4.36 Kết Bộ điều khiển PID thông thường 83 a) Khi momen quán tính tăng gấp lần 1.2 0.8 0.6 Từ thơng có PI mờ 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 3.5 1.2 0.8 0.6 Từ thơng có PI thơng thường 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 3.5 Hình 4.37 So sánh từ thơng điều khiển có PI mờ PI thơng thường 160 140 120 100 Tốc độ có PI mờ 80 60 40 20 0 0.5 1.5 2.5 3.5 84 160 140 120 100 Tốc độ có PI thơng thường 80 60 40 20 0 0.5 1.5 2.5 3.5 Hình 4.38 So sánh tốc độ điều khiển có PI mờ PI thông thường Mơmen có PI mờ 0 0.5 1.5 2.5 3.5 1.5 2.5 3.5 Mômen có PI thơng thường 0 0.5 Hình 4.39 So sánh mơmen điều khiển có PI mờ PI thơng thường 85 40 30 Dịng điện có PI mờ 20 10 -10 -20 -30 -40 0.5 1.5 2.5 3.5 40 Dịng điện có PI thông thường 30 20 10 -10 -20 -30 -40 0.5 1.5 2.5 3.5 Hình 4.40 So sánh dịng điệnkhi điều khiển có PI mờ PI thông thường 86 b) Khi momen quán tính tăng gấp lần, điện trở stator tăng 20% 1.4 1.2 0.8 Từ thơng có PI mờ 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 2.5 3.5 1.5 2.5 3.5 1.4 1.2 Từ thơng có PI thơng thường 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 Hình 4.41 So sánh từ thơng điều khiển có PI mờ PI thông thường 87 160 140 120 Tốc độ có điều khiển PI mờ 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 2.5 2.5 3.5 160 140 120 100 Tốc độ có điều khiển PI thơng thường 80 60 40 20 0 0.5 1.5 3.5 Hình 4.42 So sánh tốc độ điều khiển có PI mờ PI thông thường 88 Momen có điều khiển PI mờ 0 0.5 1.5 2.5 3.5 2.5 3.5 Momen có điều khiển PI thơng thường 0 0.5 1.5 Hình 4.43 So sánh mơ men điều khiển có PI mờ PI thơng thường 89 40 Dịng điện có PI mờ 30 20 10 -10 -20 -30 -40 0.5 1.5 2.5 1.5 2.5 3.5 40 Dịng điện có PI thơng thường 30 20 10 -10 -20 -30 -40 0.5 3.5 Hình 4.44 So sánh dịng điện điều khiển có PI mờ PI thơng thường 4.4 NHẬN XÉT: Trong trường hợp trên, dòng điện khởi động động sử dụng PI mờ nhỏ so với dòng khởi động động sử dụng PI thông thường Momen điện từ động lúc có PI mờ PI thơng thường đạt giá trị xấp xỉ nhau, không bị nhiễu Điều khiển định hướng trường kết hợp với ước lượng từ thông điều khiển mờ PI cung cấp kết mô phù hợp với thay đổi thông số động tương tự điều khiển PI thông thường 90 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 báo nêu phần đầu luận văn 91 Chương KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 KẾT LUẬN: Thông qua đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động không đồng pha”, Luận văn gồm nội dung nghiên cứu sau: - Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường - Đề xuất thay ước lượng từ thong dựa tiêu chuẩn ổn định Lyapunov - Đề xuất thay điều khiển PI cổ điển PID 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: Hệt hống làm việc tin cậy, đảm bảo độ xác cao thay đổi động thong số Kp Ki điều khiển PI mờ lai làm đáp ứng tốc độ động tốt hẳn so với điều khiển PI thong thường Như vậy, kết mô phương pháp đề xuất dung điều khiển PI mờ lai cho đáp ứng tốt, cảit đáp ứng dung điều khiển PI thôngt hường nêu phần đầu luận văn 5.2 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 luận văn, việc đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai cho việc điều khiển tốc độ động không đồng pha đóng góp cải tiến đáng kể cho báo khoa học nêu; song việc xây dựng điều khiển PID mờ lai số hạn chế việc xây dựng hàm liên thuộc luật điều khiển chưa phong phú, chưa 92 đưa nhiều kinh nghiệm cho luật suy diễn để điều khiển tốc độ động không đồng pha 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI: Trong tương lai, đề tài phát triển theo hướng sau: - Triển khai thực nghiệm - Ước lượng trực tiếp thong số động để thích nghi với thay đổi thong số Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J Những hạn chế nêu thêm hướng phát triển đề tài; Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy Cô bạn học viên cho nội dung Luận văn thêm tính khoa học thực tiễn 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [TV] [1] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Giáo dục, 1988 [2] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003 [4] Phan Quốc Dũng – Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003 [5] Nguyễn Hữu Phúc, Máy điện 2-Phần máy điện quay, Nhà xuất Đại Học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2007 [6] Trần Cơng Binh, Hệ thống điều khiển số, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2007 [7] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 [8] Nguyễn Đức Thành, Matlab ứng dụng điều khiển, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2005 [9] Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở tự động điều khiển trình, Nhà xuất Giáo Dục, 2004 [10] PGS.TS Dương Hồi Nghĩa, Cơng nghệ tính tốn mềm, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh TÀI LIỆU TIẾNG ANH [TA] [1] Do Thi Hong Tham, Duong Hoai Nghia, Sliding mode control of induction motor, University of Technology, National University – HCMC, Vietnam, 2007 [2] Andrezej M.Trzynadlowski, The field orientation priciple in Control of Induction Motors, Kluwer academic Publishers, 1994 94 [3] B LekeBetechuoh, T Marwala and T Tettey, Using Inverse Neural Networks forHIV Adaptive Control, International Journal of Computational Intelligence Research, ISSN 0973-1873 Vol.3, pp 11-15, No 1, 2007 [4] Mouloud Azzedine Denai, Sid Ahmed Attia, Fuzzy and neural control of an induction motor, Int J Appl Math Comput Sci., 2002, Vol.12, No.2, 221–233 [5] Ercument Karakas And SonerVardarbasi, Speed control of SR motor by self-tuning fuzzy PI controller with artificial neural network, Sadhana Vol 32, Part 5, pp 587–596, October 2007 [6] Hassan BaghgarBostan Abad, Ali YazdianVarjani, TaheriAsghar, Using Fuzzy Controller in Induction MotorSpeed Control with Constant Flux, Proceedings Of World Academy Of Science, Engineering And Technology, Volume 5, April 2005, ISSN 13076884 [7] Holtz, J., Methods for speed sensorless control of AC drives In: Sensorless Control of AC Motor Drives, pp 21-29 IEEE Press, NewYork, NY, U.S.A, 1993 [8] K L Shi, T F Chan, Y K Wong And S L Ho, Modelling And Simulation Of The Three-PhaseInduction Motor Using Simulink, Int J Elect Enging Educ., Vol 36, pp 163–172 Manchester U.P., Printed in Great Britain, 1999 [9] Kevin warwick, Arthur Ekwue, Raj Aggarwal,Artificalintellisgencetenchniques in Power System, Published by the Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1997 [10] Loi Lei Lai, Intelligent System Application in Power Engeneering, Jonh Wiley and Son, Inc, 605 Third avenue, NewYork, NY 10158-0012, USA, 1998 [11] M Zerikat, M Bendjebbar and N Benouzza, Dynamic Fuzzy-Neural Network Controller for Induction Motor Drive, Proceedings Of World Academy Of Science, Engineering And Technology Volume 10 December 2005 ISSN 1307-6884 [12] M A Brdys, G J Kulawski, Dynamic Neural Controllers for Induction Motor, IEEE Transactions on Neural Networks, Vol 10, No 2, pp 340-355, 1999 [13] M I Mahmoud, B A Zalam, M A Bardiny, E A Gomah, A simplification Technique for an Adaptive Neural Network BasedSpeed Controller for Implementation 95 on PLC for DC drive, AIML 06 International Conference, Sharm El Sheikh, Egypt, 13 – 15, June 2006 [14] Peter Vas, Artificial – Intelligence – Based Electrical Machine and Drivers, published in the United States by Oxford University Press, Inc, New York, 1999 [15] P Vas, Parameter Estimation, Condition Monitoring, and Diagnosis of Electrical Machines, Clarendron Press, Oxford, 1993 [16] Simon Haykin, Neural Networks, by Prentical – Hall, Inc, 1994 [17] Christ Mi, Field Oriented Control of Induction motor drives with direct rotor current estimation for applications in electric and hybrid vehicles, Department of electrical and computer enginerring, University of Michigan-Dearborn, 2007 [18] K L Shi, T F Chan, Y K Wong and S L Ho, Modelling and simulation of the three-phaseinduction motor using simulink, Department of Electrical Engineering, Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, 1999 [19] Dal Y Ohm, Dynamic model of induction motors for vector control, Drivetech, Inc., Blacksburg, Virginia [20] Nguyen Phung Quang and Jörg-Andreas Dittrich Vector Control of Three-Phase AC Machines ... Hình 4 .33 Mơ hình điều chỉnh tốc độ dùng điều khiển PI mờ lai 81 Hình 4 .34 So sánh kết mô Bộ điều khiển PID mờ 81 Hình 4 .35 Kết Bộ điều khiển PID mờ lai 82 Hình 4 .36 Kết Bộ điều khiển PID thơng... TỐN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chương PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC Chương DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG... thơng thật động 49 Hình 3. 11 Từ thơng ước lượng động 49 Hình 3. 12 Tốc độ thật động 49 Hình 3. 13 Sự thay đổi tốc độ thực theo tốc độ đặt 50 Hình 3. 14 Moment thực động 50 Hình 3. 15 Moment động ước