Điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ DC không chổi quét

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TPHCM H - U TE C NGUYỄN THANH HÙNG ĐIỀU KHIỂN PID TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT H LUẬN VĂN THẠC SỸ THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ: 60 52 50 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TPHCM H - C NGUYỄN THANH HÙNG U TE ĐIỀU KHIỂN PID TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ H THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ: 60 52 50 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VÕ HỒNG DUY TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2012 H C U TE H ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI QUÉT “PID OPTIMAL AND STABLE CONTROLLER FOR BRUSHLESS DC MOTOR IS SCANNED Nguyễn Thanh Hùng -Võ Hoàng Duy -Trƣờng Đại Học Tôn Đức Thắng Khoa Cơ Điện tử Trƣờng Đại học kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM, Việt Nam TÓM TẮT TE C H Một phƣơng pháp hỗn hợp H2 H ∞ đƣợc áp dụng rộng rãi cho hệ thống có thơng số mơ hình để có đƣợc điều khiển tối ƣu hồn hảo (BLDC) động chiều khơng chổi qt đƣợc sử dụng rộng rãi cho ứng dụng kiểm sốt hiệu suất cao Bộ điều khiển PID thơng thƣờng cung cấp hiệu suất thỏa đáng cho điểm thiết lập quy định Tuy nhiên, với diện hệ thống, thông thƣờng PID không đủ để đạt đƣợc điều khiển tối ƣu Bài báo trình bày cách tiếp cận dễ dàng thiết kế hỗn hợp H2 / H ∞ PID điều khiển để kiểm soát tốc độ động DC khơng chổi qt thuật tốn di truyền đƣợc sử dụng để giải vấn đề tối ƣu hóa Kết thử nghiệm đƣợc thể để chứng minh hiệu suất điều khiển tốt so với điều khiển PID tối ƣu cách sử dụng phƣơng pháp tiếp cận LQR ABSTRACT H U A mixed method between H2 and H∞ control are widely applied to systems which has parameter perturbation and uncertain model to obtain an optimal robust controller Brushless Direct Current (BLDC) motors are widely used for high performance control applications Conventional PID controller only provides satisfactory performance for set-point regulation However, with the presence of nonlinearities, uncertainties and perturbations in the system, conventional PID is not sufficient to achieve an optimal robust controller This paper presents an approach to ease designing a Mixed H2/H∞ PID controller for controlling speed of Brushless DC motors and the genetic algorithm is used to solve the optimized problems Numerical and experimental results are shown to prove that the performance in the proposed controller is better than that in the optimal PID controller using LQR approach nghệ tự động hoá có bƣớc phát GIỚI THIỆU: triển vƣợt bậc trở thành ngành mũi nhọn Ngày nay, giới chứng kiến thay đổi giới nói chung công nghiệp Việt Nam to lớn sản xuất cơng nghiệp việc áp nói riêng Các hệ thống điều khiển có tính tự dụng thành tựu cách mạng khoa động hoá sử dụng động điện thƣờng đƣợc học công nghệ Trong Việt Nam thiết kế với phần tử tƣơng tự tƣơng đối thực theo hƣớng cơng nghiệp hóa, cồng kền rẻ tiền Những điểm yếu hệ đại hóa đất nƣớc với thay đổi thống tƣơng tự chúng nhạy cảm với thay sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công đổi điều kiện thời gian, thời tiết, nhiệt độ chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng khiển Vấn đề phải biết đƣợc hạn nhƣ biến tần sử dụng transitor công suất ƣu khuyết điểm phƣơng pháp điều chuyển mạch theo vị trí rotor) Những động khiển, nghiên cứu giải thuật di truyền đƣợc biết đến nhƣ động đồng kích để tìm thơng số điều khiển PID thích nam châm vĩnh cửu hay cịn gọi mơ thiết kế điều khiển PID Nghiên động chiều không chổi quét BLDC cứu điều khiển PID tối ƣu bền vững cho động (Brushless DC Motor) Do khơng có cổ góp chiều khơng chổi quét nhằm đạt đƣợc hiệu chổi quét nên động khắc phục đƣợc hầu suất cao giảm đƣợc tổn thất công suất, không hết nhƣợc điểm động chiều có cần bảo dƣỡng làm tăng nhu cầu sử dụng vành góp thơng thƣờng động ứng dụng rô bốt Hầu hết động BLDC có ba cuộn dây servo công suất lớn Làm sở phát minh startor dạng hình sao, cuộn dây startor có thiết bị công suất đại ứng dụng động nhiều bối dây nhỏ, bối dây nhỏ đƣợc đặt truyền động có yêu cầu điều rảnh đƣợc kết với tạo thành chỉnh tốc độ cuộn dây startor Có hai loại startor loai tạo C H nhƣ tuổi thọ thành phần điều pha sóng dạng sin sóng hình thang ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT Cho hệ thống điều khiển nhƣ hình đối tƣợng P0(s) Động DC khơng chổi qt có thơng số nhƣ sau: Bảng 4.2: Thông số động BLDC H U TE Xây dựng thuật tốn di truyền để tìm thông số điều khiển ứng dụng thuật toán di truyền để thiết kế điều khiển PID tối ƣu H2/H Đây phƣơng pháp hỗn hợp H2 H ∞ đƣợc áp dụng rộng rãi cho hệ thống điều khiển tối ƣu (BLDC) động đƣợc sử dụng rộng rãi cho ứng dụng hiệu suất cao Bộ điều khiển PID thông thƣờng cung cấp hiệu suất thỏa đáng cho điểm thiết lập quy định ĐỘNG CƠ BLDC Động chiều (ĐCMC) thơng thƣờng có hiệu suất cao đặc tính chúng thích hợp với truyền động servo Tuy nhiên, hạn chế cấu tạo chúng cần có cổ góp chổi qt, thứ dễ bị mịn Thơng số Giá trị R 21.2 Ω Kb 0.1433 V s/rad D 1x10-4 kg-m s/rad L 0.052H Kt 0.1433 kg-m/A J 1x10-5 kg-m s2/rad yêu cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên Để khắc phục nhƣợc điểm ngƣời ta chế tạo loại động không cần bảo dƣỡng cách thay chức cổ góp chổi quét Hàm truyền đạt động DC không chổi quét: P( s )  275577.36 s  417.7 s  43567.5 Sai lệch mơ hình 0(s), bị chặn nhƣ sau: 0.1 s  0.1s  10 1000 Với ngõ vào hàm nấc, s  417.7 s  43567.5 e( s)  s  (417.7  275577.36kd )s  (43567.5  275577.36k p ) s  275577.36ki Speed (rpm)  ( s)  1200 800 600 400 Ràng buộc ổn định bền vững: max [ , ) 200  ( ) 1  ( ) 0 Trong ví dụ ta có m = 3, phiếm hàm ki = 4.6997, kd = 0.0353 Đáp ứng nấc hệ thống: C 600 400 200 0 0.005 0.01 0.015 Time (s) 0.02 0.025 0.03 Hình 3: Đáp ứng vận tốc hệ thống với 1.8 U 1.6 1.4 1.2 H Speed (rpm) 800 TE hợp với thông số nhƣ sau, kp = 180.1755, 0.01 0.015 Time (s) 0.02 hình THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN: khơng chổi qt 0.2 0.005 điều khiển PID tối ưu H2/H có sai số mô 4.1 Sơ đồ điều khiển vận tốc động DC 0.4 0 0.03 1000 sau 15 hệ, tìm đƣợc điều khiển PID thích 0.6 0.025 1200 nhiên quần thể bao gồm 200 nhiễm sắc thể, 0.8 0.02 H   2b0 b2 )a0 a3  2a0 a3 (a a3  a1 a ) b02 a a3 Thuật toán di truyền bắt đầu việc tạo ngẫu 0.015 Time (s) điều khiển PID tối ưu H2/H (b12 Speed (rpm) J3  0.01 Hình 2: Đáp ứng vận tốc hệ thống với H2 hệ thống J3: b22 a a1 0.005 0.025 0.03 Hình 1: Đáp ứng vận tốc hệ thống với Speed Reference r(t) + Speed Error e(t) PID u(t) PWM 3-Phase Inverter Bridge Speed Feedback y(t) BLDC Motor Commutation Sequence điều khiển PID với thông số (kp=30, ki=15, kd=0.001) Hall Sensors PIC18F4431 Hình 4: Mạch điều khiển Encoder E 20 VDC, đầu vào tƣơng thích với 3.3, 15 4.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống VDC, khóa điện áp thấp, kết hợp trì hỗn truyền hai kênh, đầu vào IR2101 đƣợc nối tới kênh điều rộng xung PIC18F4431 từ PWM0 đến PWM5 theo cập một.PWM0 PWM1, PWM2 PWM3, PWM4 PWM5 đầu thi đƣợc nối với chân G IRF540 IRF 540 có khả đóng ngắt nhanh tổn hao đóng ngắt thấp sử dụng điện áp đến 100V Hình 5: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống dòng 20A Nhiệm vụ mạch 4.3 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống nhƣ nghịch lƣu để tạo từ dòng điện 5V J6 CON6 5V R32 HALLA 10K HALLB HALLC D11 LED HEADER 5V LED R23 R24 R R33 10K R34 R35 10K 10K 1K 1K R INDX QEA QEB R38 R R17 R R18 R R19 R R20 R R21 R D4 D5 D6 D7 D8 LED LED LED CON3 LED LED 12V DC+ D1 DIODE J7 CON6 PGD PGC Vpp IMOTOR R4 10k R2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 INDX QEA QEB R27 2k SW2 5V 100 5V RESET HEADER 5V Y1 CRY STAL D14 R1 C7 CAP NP R C3 3.3 UF U4 HIN LIN SW1 SW2 FAULTA C6 CAP NP HALLA HALLB LED MCLR/VPP RB7/PGD RA0/AN0 RB6/PGC RA1/AN1 RB5/PWM4 RA2/AN2/INDX RB4/PWM5 RA3/AN3/QEA RB3/PWM3 RA4/AN4/QEB RB2/PWM2 RA5/AN5 RB1/PWM1 RE0/AN6 RB0/PWM0 RE1/AN7 VDD VSS RE2/AN8 RD7/PWM7 VDD RD6/PWM6 VSS OSC1/CLKIN RD5/PSP5 OSC2/CLKOUT RD4/PSP4 RC0/T1OSO/T1CKI RC7/RX/DT RC1/T1OSI/CCP2 RC6/TX/CK RC5/INT2 RC2/CCP1 RC3/T0CLK/INT0 RC4/INT1 RD0/PSP0 RD3/PSP3/SCL RD1/PSP1 RD2/PSP2/SDA SCL SDA R8 104 J22 104 5V C16 47 uF + - R52 LM324 R53 1k R42 R43 2k4 R40 300 5V R41 1k C15 33 pF 10k 300 U6 HIN LIN DC- 33R VB HO VS VCC LO COM + - DC+ R15 33R Q6 IRF540N/TO M3 12V R16 Q5 IRF540N/TO FAULTA J3 CON2 R45 300 LM339 động lớn chạy nhanh Ngƣợc lại tần số điều rộng xung giảm IRF540 mở DC- 33R J14 1M U9A IRF540 thích hợp nhiều hơn, dịng điện qua Q4 IRF540N/TO R14 IR2101 HEADER M2 12V C5 3.3 uF J11 M1 M2 M3 Q3 IRF540N/TO 33R DIODE 300 R13 NHAN 5V CON2 U8A 11 47 uF R51 1k R10 SW2 IMOTOR 12 DC- C14 R9 R29 10k SW5 J2 R50 0.1R PWM5 PWM4 5V CON3 1 VCC LO COM SW1 NHAN C12 C10 0.1uF VB HO VS IR2101 D3 12V R28 10k SW4 12V IRF540N/TO DC- 33R DC+ 300 5V Q2 R12 C4 3.3 uF HIN LIN tần số điều rộng xung IR2101 sẻ kích vào mở M1 U5 J17 CON2 IRF540N/TO 33R IR2101 Q1 R11 12V DIODE 300 R7 HALLC C11 C8 0.1uf D2 12V PWM3 PWM2 D7 D6 D5 D4 VCC LO COM PGD PGC PWM4 PWM5 PWM3 PWM2 PWM1 PWM0 5V PIC18F4431 5V C1 1000uf 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VB HO VS 300 5V ICPS J4 12V 300 R5 PWM1 PWM0 R6 5V DC+ TE Vpp 5V 120 độ để điều khiền động BLDC Khi tăng D9 CON3 J9 C9 1000uf LED R22 R J8 R39 HEADER DC dòng điện với pha khác nhau, lệch LED R25 J10 1K R36 J13 D12 H D10 C R30 R31 1OK 10K 5 J12 dịng qua động nhỏ chạy chậm HEADER R44 5k Hình 6: Mạch điều khiển hệ thống 4.5 Mơ hình thực tế: U 4.4 Sơ đồ mạch driver động lực DC+ D1 DIODE 300 R5 PWM1 PWM0 R6 C3 3.3 UF U4 300 HIN LIN VB HO VS VCC LO COM D2 12V R9 R10 300 HIN LIN VB HO VS U6 VB HO VS 300 VCC LO COM IR2101 Q4 IRF540N/TO DC- 33R Hình 8: Mơ hình thực tế HEADER M2 R14 C5 3.3 uF Q3 IRF540N/TO 12V DIODE HIN LIN R13 33R IR2101 D3 M1 M2 M3 DC+ VCC LO COM PWM5 PWM4 J11 IRF540N/TO DC- 33R C4 3.3 uF R8 300 12V Q2 R12 U5 IRF540N/TO M1 DIODE PWM3 PWM2 R11 33R IR2101 12V 300 R7 Q1 H 12V DC+ R15 33R Q6 IRF540N/TO M3 12V R16 33R J3 Q5 IRF540N/TO DC- DC+ HEADER Hình 7: Mạch driver động lực Linh kiện mạch gồm IC điều KẾT LUẬN Trong báo này, H2/H∞ hỗn hợp PID đƣợc áp dụng để kiểm soát tốc độ động BLDC Hiệu suất PID tối ƣu đƣợc phân tích so sánh với PID thơng thƣờng Một mơ hình đƣợc xem thể vững mạnh điều khiển PID tối ƣu bền vững khiển IR2101 Mosfet IRF 540 IC IR 2101 có TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] NEWTON G.C., GOULD L.A, KAISER đặt điểm sau: nguồn cấp từ 10 đến J.F., (1957), Analytic Design of Linear Feedback Controls, New York, John Wiley & Sons [2] CHEN B.-S., CHENG Y.-M., LEE C.-H., (1995), A Genetic Approach to Mixed H2/H HẢI, (2001) Lập Trình Tiến Hóa, Nhà xuất giáo dục [7] HOÀNG KIẾM, LÊ HOÀNG THÁI, (2001) Thuật Giải Di Truyền Cách Giải Tự Nhiên Các Bài Tốn Trên Máy Tính, Nhà xuất giáo dục Optimal PID Control, IEEE Control System, 15, 51-60 [3] Microchip Technology Inc (2003) H U TE C H Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals [4] K.ASTROM, T.HAGGLUND, PID Controller: Theory, Design, and Tuning, 2ND Edition [5] CHIN TENG LIN, CS GEORGE LEE, (1996) Neural Fuzzy Systems, Prentice-Hall International Edition [6] NGUYỄN ĐÌNH THÚC, ĐÀO TRỌNG VĂN, TRẦN TỐ HƢƠNG, HỒNG ĐỨC H ĐỀ TÀI H U TE C ĐIỀU KHIỂN PID TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI QUÉT Hướng dẫn khoa học TS VÕ HOÀNG DUY Học viên: NGUYỄN THANH HÙNG H U TE C H Ngành khoa học cơng nghệ tự động hố có bước phát triển vượt bậc trở thành ngành mũi nhọn giới nói chung cơng nghiệp Việt Nam nói riêng Các hệ thống điều khiển có tính tự động hố sử dụng động điện thường thiết kế với phần tử tương tự tương đối cồng kền rẻ tiền 44 Baét đầu i=1 j=1 H Chọn xác suất đột biến ngẫu nhiên Thỏa xác suất? TE C Y N Đột biến U j=j+1 H N j=chiều dài nhiễm sắc thể? Y i=i+1 N i=pop_size? Y Kết thúc Hình 4.7: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình đột biến 45 4.5 Điều khiển tối ƣu bền vững động DC không chổi quét Cho hệ thống điều khiển nhƣ hình 4.3, đối tƣợng P0(s) động DC khơng chổi qt có thông số nhƣ sau [19]: Bảng 4.1: Thông số động BLDC Giá trị R 21.2 Ω Kb 0.1433 V s/rad D 1x10-4 kg-m s/rad L 0.052H Kt 0.1433 kg-m/A J 1x10-5 kg-m s2/rad H Thông số P( s )  TE C Hàm truyền đạt động DC không chổi quét: 275577.36 s  417.7 s  43567.5 (4.21) Sai lệch mơ hình 0(s), bị chặn nhƣ sau:  ( s)  0.1 s  0.1s  10 (4.22) s  417.7 s  43567.5 s3  (417.7  275577.36kd )s  (43567.5  275577.36k p ) s  275577.36ki H e( s)  U Với ngõ vào hàm nấc, Ràng buộc ổn định bền vững: max [ , )  ( ) 1  ( ) (4.23) Trong ví dụ ta có m = 3, phiếm hàm H2 hệ thống J3: J3  b22 a a1  (b12  2b0 b2 )a0 a3  b02 a a3 2a0 a3 (a a3  a1 a ) (4.20) Thuật toán di truyền bắt đầu việc tạo ngẫu nhiên quần thể bao gồm 200 nhiễm sắc thể, sau 15 hệ, tìm đƣợc điều khiển PID thích hợp với thông số nhƣ sau, kp = 180.1755, ki = 4.6997, kd = 0.0353 46 Đáp ứng nấc hệ thống: 1.8 1.6 Speed (rpm) 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.005 0.01 0.015 Time (s) 0.02 0.025 0.03 Hình 4.8: Đáp ứng vận tốc hệ thống với điều khiển PID với thông số (kp=30, ki=15, kd=0.001) H 1200 800 TE C Speed (rpm) 1000 600 400 200 0 0.005 0.01 0.015 Time (s) 0.02 0.025 0.03 U Hình 4.9: Đáp ứng vận tốc hệ thống với điều khiển PID tối ƣu H H2/H 1200 Speed (rpm) 1000 800 600 400 200 0 0.005 0.01 0.015 Time (s) 0.02 0.025 0.03 Hình 4.10: Đáp ứng vận tốc hệ thống với điều khiển PID tối ƣu H2/H có sai số mơ hình 47 4.6 Thiết kế mạch điều khiển: Sơ đồ điều khiển vận tốc động DC không chổi quét Speed Reference r(t) + Speed Error e(t) PID u(t) PWM 3-Phase Inverter Bridge Speed Feedback y(t) BLDC Motor Commutation Sequence PIC18F4431 H Hall Sensors TE C Hình 4.11: Mạch điều khiển H U Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Hình 4.12: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Encoder E 48 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống 5V J6 CON6 R30 R31 1OK 10K R32 10KHALLA HALLB HALLC 5V J12 D10 D11 D12 LED LED LED HEADER 5V R23 R33 10K R24 R R34 R35 1K 1K R25 R J10 1K R36 INDX QEA R38 QEB 10K 10K R R17 R R18 R R19 R R20 R R21 R D4 D5 D6 D7 D8 LED J13 LED LED CON3 D9 LED 12V DC+ D1 CON3 DIODE J7 CON6 J9 5V ICPS Vpp IMOTOR R4 10k J4 12V R27 2k SW2 5V INDX QEA QEB R2 100 5V RESET HEADER 5V Y1 CRYSTAL D14 R1 R 300 SW1 SW2 FAULTA C6 C7 CAP NP CAP NP HALLA HALLB LED MCLR/VPP RB7/PGD RA0/AN0 RB6/PGC RA1/AN1 RB5/PWM4 RA2/AN2/INDX RB4/PWM5 RA3/AN3/QEA RB3/PWM3 RA4/AN4/QEB RB2/PWM2 RA5/AN5 RB1/PWM1 RE0/AN6 RB0/PWM0 RE1/AN7 VDD VSS RE2/AN8 RD7/PWM7 VDD RD6/PWM6 VSS RD5/PSP5 OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT RD4/PSP4 RC0/T1OSO/T1CKI RC7/RX/DT RC1/T1OSI/CCP2 RC6/TX/CK RC5/INT2 RC2/CCP1 RC3/T0CLK/INT0 RC4/INT1 RD0/PSP0 RD3/PSP3/SCL RD1/PSP1 RD2/PSP2/SDA 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 C11 R8 300 J17 SCL SDA HALLC CON2 104 R28 10k SW4 NHAN 5V CON3 SW5 H J2 47 uF + R52 1k R53 10k 5V R42 CON2 U8A LM324 R40 300 R43 2k4 5V R41 1k C15 33 pF R29 10k U5 IRF540N/TO DC+ C4 3.3 uF U6 IR2101 R13 M2 Q4 IRF540N/TO R14 DC- 33R C5 3.3 uF DC+ R15 33R Q6 IRF540N/TO M3 R16 Q5 IRF540N/TO DC- 33R + - J14 1M U9A LM339 FAULTA CON2 R45 300 R44 5k Hình 4.13 : Mạch điều khiển hệ thống J3 HEADER DC+ J11 M1 M2 M3 HEADER Q3 IRF540N/TO 33R IR2101 D3 HIN VB LIN HO VS 12V VCC LO COM DC- 33R HIN VB LIN HO VS 12V VCC LO COM DIODE Q2 R12 NHAN 3 R9 300 R10 300 SW2 IMOTOR 12 47 uF C16 11 C14 R51 1k DC- R50 0.1R PWM5 PWM4 SW1 J22 5V 12V 5V U C12 C10 0.1uF 300 R7 IRF540N/TO M1 IR2101 DIODE C8 0.1uf 104 12V D2 12V PWM3 PWM2 D7 D6 D5 D4 PIC18F4431 5V C1 1000uf 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 PGD PGC PWM4 PWM5 PWM3 PWM2 PWM1 PWM05V Q1 R11 33R HIN VB LIN HO VS 12V VCC LO COM H PGD PGC 5V C3 3.3 UF U4 300 R5 PWM1 PWM0 R6 TE C Vpp 5V C9 1000uf LED J8 R39 HEADER LED R22 R 49 Mạch driver động lực DC+ D1 DIODE 300 R5 PWM1 PWM0 R6 C3 3.3 UF U4 300 HIN VB LIN HO VS VCC LO COM D2 M1 12V R8 300 DC+ C4 3.3 uF HIN VB LIN HO VS VCC LO COM R10 300 12V HIN VB LIN HO VS C5 3.3 uF H VCC LO COM IR2101 Q4 IRF540N/TO DC- 33R HEADER M2 R14 DIODE Q3 IRF540N/TO DC+ R15 U PWM5 PWM4 R9 300 U6 R13 33R IR2101 D3 12V M1 M2 M3 DC- 33R U5 J11 IRF540N/TO TE C PWM3 PWM2 Q2 R12 DIODE 300 R7 IRF540N/TO 33R IR2101 12V Q1 R11 H 12V 33R Q6 IRF540N/TO M3 12V R16 33R Q5 IRF540N/TO DC- J3 DC+ HEADER Hình 4.14: Mạch driver động lực Linh kiện mạch gồm IC điều khiển IR2101 Mosfet IRF 540 IC IR 2101 có đặt điểm sau: nguồn cấp từ 10 đến 20 VDC, đầu vào tƣơng thích với 3.3, 15 VDC, khóa điện áp thấp, kết hợp trì hoãn truyền hai kênh, đầu vào IR2101 đƣợc nối tới kênh điều rộng xung PIC18F4431 từ PWM0 đến PWM5 theo cập một.PWM0 PWM1, PWM2 PWM3, PWM4 PWM5 đầu thi đƣợc nối với chân G IRF540 IRF 540 50 có khả đóng ngắt nhanh tổn hao đóng ngắt thấp sử dụng điện áp đến 100V dịng 20A Nhiệm vụ mạch nhƣ nghịch lƣu để tạo từ dòng điện DC dòng điện với pha khác nhau, lệch 120 độ để điều khiền động BLDC Khi tăng tần số điều rộng xung IR2101 sẻ kích vào mở IRF540 thích hợp nhiều hơn, dịng điện qua động lớn chạy nhanh Ngƣợc lại tần số điều rộng xung giảm IRF540 mở dịng qua động nhỏ chạy chậm H U TE C H Mơ hình thực tế Hình 4.15: Mơ hình thực tế 51 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Luận văn “Điều khiển PID tối ƣu, bền vững cho động DC không chổi quét” nghiên cứu tiến hành thực đƣợc vấn đề sau: - Cơ sở toán học, nhƣ đề xuất để dẫn đến việc giải toán điều khiển tối ƣu H lý thuyết điều khiển bền vững Đây phần quan trọng điều khiển bền vững, xuất phát từ khái H niệm mà có nhiều phƣơng pháp thiết kế đƣợc đƣa Tuy đời cách lâu nhƣng việc giải toán điều khiển bền vững TE C cịn đƣợc hồn thiện, nghiên cứu phát triển - Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế điều khiển PID tối ƣu H2/H Trong phần tác giả sử dụng cơng cụ tìm kiếm thuật toán di truyền để xác định thông số điều khiển PID dựa tiêu chuẩn chất lƣợng cực tiểu phiếm hàm H2 đồng thời thỏa mãn điều kiện ổn định bền vững H Thuật Matlab U toán thiết kế đƣợc xây dựng thành cơng chƣơng trình chạy phần mềm qt H - Kết minh họa đƣợc thực mơ hình động DC khơng chổi Với phƣơng pháp này, thông số điều khiển PID đƣợc xác định hồn tồn dựa sở tốn học mà phƣơng pháp thực nghiệm thƣờng đƣợc sử dụng Một ƣu điểm phƣơng pháp áp dụng cho đối tƣợng có mơ hình tốn bất kỳ, điều mà phƣơng pháp thực nghiệm không ứng dụng đƣợc 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Qua nội dung đƣợc trình bày luận văn, ta phát triển đề tài theo hƣớng sau: 52 - Chƣơng trình đƣợc viết luận văn đƣợc thể việc hồn chỉnh giải thuật thiết kế cho mơ hình động DC khơng chổi qt Tuy nhiên với bƣớc đƣợc thực nhƣ trên, ta xây dựng thành chƣơng trình hồn chỉnh Khi ngƣời sử dụng cần biết hàm truyền đối tƣợng, sai lệch mơ hình - Bộ điều khiển PID điều khiển đƣợc sử dụng phổ biến nhất, nhƣng điều khiển tốt cho đối tƣợng, việc sử dụng điều khiển PID tùy thuộc vào đối tƣợng cụ thể Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng bù sớm trễ pha, hay điều khiển có cấu trúc cố định Tuy nhiên việc xác định thơng số khơng thực đƣợc dễ dàng s  k2 s  k3 TE C C ( s)  k1 H Với thủ tục thiết kế tƣơng tự, thay điều khiển PID bù sớm trễ pha: hay điều khiển có cấu trúc cố định, giả sử nhƣ: s  2k k s  k 52 C ( s)  k1 ( s  k )( s  k ) H ƣu H2/H U Ta dễ dàng tìm đƣợc thơng số C(s) kết hợp với điều khiển tối 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K.ASTROM, T.HAGGLUND, PID Controller: Theory, Design, and Tuning, 2ND Edition [2] T.BLICKLE, L.THIELE, (1995) A Comparison of Selection Schemes used in Genetic Algorithms [3] NGUYỄN ĐÌNH THÚC, ĐÀO TRỌNG VĂN, TRẦN TỐ HƢƠNG, HOÀNG ĐỨC HẢI, (2001) Lập Trình Tiến Hóa, Nhà xuất giáo dục [4] HỒNG KIẾM, LÊ HOÀNG THÁI, (2001) Thuật Giải Di Truyền Cách Giải H Tự Nhiên Các Bài Tốn Trên Máy Tính, Nhà xuất giáo dục [5] NGUYỄN DOÃN PHƢỚC, (2002) Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính, Nhà TE C xuất khoa học kỹ thuật [6] R SMITH, A PACKARD, (1997) Notes on Robust Control [7] DOYLE J.C., FRANCIS B.A., TANNENBAUM A.R., (1992) Feedback Control Theory, New York, Macmillan Publishing [8] J.M MACIEJOWSKI, (1989) Multivariable Feedback Design, Addison- U Wesley Publishing Company H [9] NEWTON G.C., GOULD L.A, KAISER J.F., (1957), Analytic Design of Linear Feedback Controls, New York, John Wiley & Sons [10] NGUYỄN DOÃN PHƢỚC, (1999) Điều Khiển Tối Ưu & Bền Vững, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [11] SNAIZER M., (1994), An Exact Solution to General SISO Mixed H2/H Problems via Convex Optimization, IEEE Trans On Automatic Control, 39, 25112517 [12] D.S BERNSTEIN, W.M HADDAD, (1989), LQG Control with an H Performance Bound: A Riccati Equation Approach, IEEE Trans Autom Control, 34, 293-305 54 [13] P.P KHARGONEKAR, M.A ROTEA, Mixed H2/H Control: A Convex Optimization Approach, IEEE Trans Autom Control, 36, 824-837 [14] H.E MUSCH, M STEINER, Tuning Advanced PID Controllers Via Direct H - Norm Minimization [15] CHEN B.-S., CHENG Y.-M., LEE C.-H., (1995), A Genetic Approach to Mixed H2/H Optimal PID Control, IEEE Control System, 15, 51-60 [16] M CANALE, G FIORIO, S MALAN, M MILANESE, M TARAGNA, Robust Tuning of PID Controllers Via Uncertainty Model Identification Controllers for a Class of Uncertainties H [17] S SOLYOM, A INGIMUNDARSON, A Synthesis Method for Robust PID [18] H KWAKERNAAK, (2000) H2 – Optimization – Theory and Applications to TE C Robust Control Design, IFAC Symposium on Robust Control Design 2000 [19] Microchip Technology Inc(2003) Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals [20] Gwo-Ruey Yu and Rey-Chue Hwang Electrical Engineering Department I- H U Shou University Kaohsiung County, Taiwan gwoyu@isu.edu.tw LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: Nguyễn Thanh Hùng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1977 Nơi sinh: Tây Ninh Quê quán: An Lợi-An Hòa-Trảng Bàng-Tây Ninh Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc học tập, nghiên cứu: Trƣởng phịng cơng tác học sinh Trƣờng Trung Cấp Kỹ Thuật Nơng Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh H Chỗ riêng địa liên lạc: 20/1/11 Đƣờng 295 Tổ 6- Khu phố 3phƣờng Tân Phú, Quận - TP Hồ Chí Minh Điện thoại nhà riêng: 0918.272.271 Fax: E-mail: nguyen_hung1087@yahoo.com TE C Điện thoại quan: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Trung học chuyên nghiệp Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… U Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: H Đại học Hệ đào tạo: chức Thời gian đào tạo từ 9/1996 đến 4/2001 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Điện-Điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Ngƣời hƣớng dẫn: Thạc sĩ Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: Từ 3/2010 đến 4/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh Ngành học: Thiết bị, Mạng Nhà máy điện Tên luận văn: Điều khiển PID tối ƣu bền vững cho động DC không chổi quét Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh H Ngƣời hƣớng dẫn: TS Võ Hoàng Duy Tiến sĩ Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… TE C Hệ đào tạo: Tại (trƣờng, viện, nƣớc): Tên luận án: Ngƣời hƣớng dẫn: Ngày & nơi bảo vệ: U Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng anh trình độ TOEFL ITP 503 H Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 4/2001 đến Nơi công tác Trƣờng TCKT Nông Nghiệp TPHCM Công việc đảm nhiệm Giáo viên giảng dạy môn máy điện chuyên ngành điện cơng nghiệp dân dụng IV CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 15 tháng năm 2012 Ngƣời khai ký tên H U TE C H Nguyễn Thanh Hùng H TE C U H ... nhƣ động đồng kích để tìm thơng số điều khiển PID thích nam châm vĩnh cửu hay cịn gọi mô thiết kế điều khiển PID Nghiên động chiều không chổi quét BLDC cứu điều khiển PID tối ƣu bền vững cho động. .. tối ưu bền vững H Từ vấn đề thiết thực tiến C hành nghiên cứu đề tài : ? ?Điều khiển PID tối ưu U H quét ” TE bền vững cho động chiều không chổi 2.Mục đích đề tài Tìm hiểu ngun tắc điều khiển động. .. (DC) khơng chổi qt, xây dựng TE phương trình điều khiển tối ưu, bền vững Nghiên U cứu giải thuật di truyền để tìm thơng số H điều khiển PID thiết kế điều khiển PID Nghiên cứu điều khiển PID tối