Luận văn thạc sĩ xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi để cân bằng tải cho hệ hai động cơ một chiều kích từ độc lập nối cứng trục​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ PHƯỢNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ PHƯỢNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN, 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lê Thị Phượng Sinh ngày: 25 tháng 12 năm 1982 Học viên lớp cao học khoá 18 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp-Giáo dục thường xuyên huyện Võ Nhai tỉnh Thái Nguyên Tôi cam đoan tồn nội dung luận văn tơi làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Lê Thị Phượng ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, giáo Phịng đào tạo, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đồng nghiệp giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong q trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy PGS.TS Trần Xuân Minh giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Lê Thị Phượng iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Mục tiêu luận văn Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn Chương TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC 1.1 Tổng quan điều khiển tốc độ động chiều 1.1.1 Các tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ [1] .3 1.1.1.1 Hướng điều chỉnh tốc độ 1.1.1.2 Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh) 1.1.1.3 Độ cứng đặc tính điều chỉnh tốc độ 1.1.1.4 Độ phẳng hay độ liên tục điều chỉnh tốc độ 1.1.1.5 Tổn thất lượng điều chỉnh tốc độ: 1.1.1.6 Tính kinh tế hệ thống điều chỉnh tốc độ: 1.1.2 Một số phương pháp điều khiển tốc độ động chiều 1.1.2.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động 1.1.2.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông 1.1.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 1.1.2.4 Điều chỉnh tốc độ cách rẽ mạch phần ứng 1.1.2.5 Điều chỉnh tốc độ hệ thống máy phát - động ( F - Đ ) 10 1.2 Bài toán điều khiển hai động chiều nối cứng trục 11 1.2.1 Giải pháp truyền thống [8] 13 1.2.2 Giải pháp đề xuất [1, 9, 10] .17 1.3 Mơ hình điều khiển hệ thống 19 1.3.1 Đặt vấn đề 19 1.3.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển 20 1.3.3 Mơ hình điều khiển hệ thống 02 động chiều .22 1.4 Kết luận chương 25 Chương 26 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI .26 2.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ 26 2.1.1 Hệ Logic mờ 26 iv 2.1.1.1 Khái niệm tập mờ 26 2.1.1.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 27 2.1.2 Bộ điều khiển mờ 35 2.1.2.1 Bộ điều khiển mờ động 35 2.1.2.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 36 2.1.2.4 Điều khiển mờ thích nghi .36 2.2 Xây dựng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 37 2.2.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển 37 2.2.2 Sơ đồ điều khiển thích nghi mờ kiểu truyền thẳng (FMRAFC) .39 2.3 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song 41 2.3.1 Đặt vấn đề 41 2.3.2 Mơ hình tốn học điều khiển mờ 42 2.3.3 Xây dựng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song 46 2.4 Cấu trúc điều khiển hệ thống điều khiển mờ thích nghi 48 2.5 Kết luận chương 48 Chương 49 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG MATLAB/SIMULINK 49 3.1 Tổng hợp điều khiển PID cho động 01 49 3.2 Khảo sát chất lượng với với điều khiển mờ thích nghi cho mạch vòng dòng điện 55 3.2.1 Sơ đồ mô 55 3.2.2 Kết mô 56 3.3 Khảo sát chất lượng điều khiển có mạch vịng tốc độ 60 3.3.1 Tổng hợp điều khiển tốc độ 60 3.3.2 Sơ đồ mô 62 3.3.3 Kết mô 63 3.4 Kết luận chương 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 Kết luận 67 Kiến nghị .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT Các ký hiệu: STT Ký hiệu F-C CKT BĐK BBĐ DC1 DC2 PID DC AC 10 FLC 11 MRAFCThích nghi mờ theo mơ hình mẫu 12 FMRAFCThích nghi mờ theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Luật điều khiển mờ 43 Bảng 2.2 Kết phép lấy Max - Min ô suy luận 45 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Ngun lý hệ thống động chiều làm việc với tải 12 Hình 1.2: Giải pháp sử dụng 02 động nối cứng trục với tải 13 Hình 1.3: Giải pháp truyền thống sử dụng 02 động với cuộn phần ứng, kích từ mắc nối tiếp 14 Hình 1.4: Hệ thống 02 động với biến đổi (điều khiển) riêng rẽ 15 Hình 1.5: Giải pháp điều khiển truyền thống với mạch vòng điều khiển (vòng điều khiển dòng kép) 16 Hình 1.6: Giải pháp điều khiển đề xuất sử dụng điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu 18 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ độc lập 19 Hình 1.8: Nguyên tắc hoạt động động chiều 20 Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động động chiều .22 Hình 1.10: Cấu trúc trạng thái động hệ thống 02 động chiều chung tải, nối cứng trục 23 Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi hệ thống 02 động chiều 24 chung tải, nối cứng trục .24 Hình 2.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ 27 Hình 2.2: Sơ đồ khối điều khiển mờ 27 Hình 2.3: Luật hợp thành 29 Hình 2.4: Mờ hoá 30 Hình 2.5: Thực phép suy diễn mờ .31 Hình 2.6: Thực phép hợp mờ 32 Hình 2.7: Những nguyên lý giải mờ 33 Hình 2.8: Cấu trúc hệ logic mờ 34 Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 35 Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 35 Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 36 Hình 2.12: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 36 Hình 2.14: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 37 Hình 2.15: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu K 39 vii Hình 2.16: FMRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu 40 Hình 2.17: Cấu trúc hệ điều khiển mờ hai đầu vào 41 Hình 2.18: Định nghĩa hàm liên thuộc cho biến vào/ .42 Hình 2.19: Luật hợp thành tuyến tính 43 Hình 2.20: Quan hệ vào luật hợp thành tuyến tính 44 Hình 2.21: Sự hình thành suy luận từ luật hợp thành 44 Hình 2.22: Các vùng suy luận 45 Hình 2.23: MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu 47 Hình 2.24: Cấu trúc điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu (ĐC1) 48 Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển mạch vịng dịng điện 50 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển dạng phản hồi âm 52 Hình 3.3: Sơ đồ mơ điều khiển mạch vòng dòng điện động sử dụng điều khiển PID 54 Hình 3.4: Đáp ứng dòng điện động 1, sử dụng điều khiển PID .54 Hình 3.5: Sơ đồ mơ với điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song 55 Hình 3.6: Khâu điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song cho DC 56 Hình 3.7: Sơ đồ mơ với điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng .56 Hình 3.8: Khâu mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng cho DC .56 Hình 3.9: Đáp ưng dịng DC DC với điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu song song 57 Hình 3.10: Đáp ưng dòng DC DC Ku thay đổi 57 Hình 3.11: Đáp ứng dòng DC DC Ku Tu thay đổi .58 Hình 3.12: Đáp ứng dòng DC DC với điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 58 Hình 3.13 : Đáp ứng dịng DC DC Ku thay đổi (truyền thẳng) 59 Hình 3.14: Đáp ứng dịng DC DC Ku Tu thay đổi (truyền thẳng) 59 Hình 3.15: Cấu trúc điều khiển động với điều khiển tốc độ (Vòng mạch đơn giản hóa) 61 Hình 3.16: Sơ đồ mơ hệ thống có tham gia điều khiển tốc độ 63 viii Hình 3.17: Đáp ứng tốc độ khơng có tải .63 Hình 3.18: Đáp ứng dịng điện tốc độ khơng đổi khơng có tải 64 Hình 3.19: Đáp ứng tốc độ có tải 64 Hình 3.20: Đáp ứng dịng điện tốc độ khơng đổi có tải 65 Hình 3.21: Đáp ứng tốc độ nhảy bậc khơng có tải 65 Hình 3.22: Đáp ứng dịng điện tốc độ nhảy bậc khơng có tải 66 Hình 3.23: Đáp ứng tốc độ nhảy bậc có tải 66 Hình 3.24: Đáp ứng dịng điện tốc độ nhảy bậc có tải 67 60 song song cho chất lượng điều khiển tốt điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng (độ qua điều chỉnh thời gian độ) Vì vậy, kết luận điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu cho mạch vịng dịng điện động hoạt động tốt, ln đảm bảo cho dòng điện động bám theo nhau, kể trường hợp thông số động thứ thay đổi Trên sở ta tiếp tục thiết kế điều chỉnh mạch vòng tốc độ chung cho động 3.3 Khảo sát chất lượng điều khiển có mạch vòng tốc độ 3.3.1 Tổng hợp điều khiển tốc độ Vấn đề đặt mạch vòng tốc độ phải ổn định tốc độ theo yêu cầu tải (cho loại sản phẩm khác nhau) hay có thay đổi mơ men qn tính J quy đổi trục động (ma sát bi, bánh răng…) Bộ điều chỉnh tốc độ xử lý tín hiệu đầu vào (phản hồi tốc độ từ máy phát tốc) tạo tín hiệu điều khiển cho hai điều chỉnh dòng (hai động nối cứng trục) Từ xây dựng sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ Do mạch vòng dòng điện tác động nhanh so với phản ứng mạch vòng tốc độ, để đơn giản, ta xấp xỉ hàm truyền kín mạch vịng dịng điện (3.11) thành khâu bậc [1]: K G(s)  T s(T s  1) Rs Hơn điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu động với mục đích đưa hệ kín giống với hệ kín động Vì ta coi hàm truyền tương đương hệ kín động giống với động thiết kế điều khiển tốc độ Cấu trúc điều khiển hệ thống có mạch vịng tốc độ hình 3.15: 61 (-) đ 0, 054s 1 Cu2 Hình 3.15: Cấu trúc điều khiển động với điều khiển tốc độ (Vòng mạch đơn giản hóa) Hàm truyền hở hệ chưa có điều chỉnh [5]: G hw (s)  Bộ điều khiển tốc độ có dạng khâu PI: R w  K P (1  Hàm truyền kín hệ có điều chỉnh tốc độ là: (s G w  G w (s)  Hàm truyền (3.18) có dạng: G w (s)  as3 Trong đó: a0 = 2.CuKP 62 a1 = 2.Cu.KP.TI a2 = J.TI a3 = 0,054.J.TI Ta có đặc tính tần số biên pha hệ: (3.20) G w ( j )  Từ (3.20), ta có: (3.21) Gw ( j) Trong dải tần số thấp, có độ rộng dải điều chỉnh lớn, chất lượng hệ kín (theo đặc tính tần) cao Từ (3.21) ta chọn hệ số không: a  2a a V ậ Thay giá trị vào biểu thức (3.22), ta được: (JTI )  2(2C u K P TI )(0, 054JTI )  KP  Và suy TI  * 0, 054C u K P  J y điều khiển tốc độ xác định: (3.22) R w  0,3379(1  3.3.2 Sơ đồ mô (3.23) (3.24) 63 Hình 3.16: Sơ đồ mơ hệ thống có tham gia điều khiển tốc độ Từ điều khiển tốc độ vừa tìm được, ta có sơ đồ mô hệ thống điều khiển tốc độ động chiều nối cứng trục hình 3.16: 3.3.3 Kết mô + Xét trường hợp tốc độ không thay đổi với  = 150 rad/s: I (A) w (rad/s) Dap ung toc tren truc dong co Dap ung dong dien dong co data1 data2 64 Hình 3.18: Đáp ứng dịng điện tốc độ khơng đổi khơng có tải Xét có tải: w (rad/s) Dap ung toc tren truc dong co Hình 3.19: Đáp ứng tốc độ có tải Dap ung dong dien dong co 14 12 65 Hình 3.20: Đáp ứng dịng điện tốc độ khơng đổi có tải + Xét trường hợp tốc độ nhảy bậc từ  = 75 rad/s lên 150 rad/s: Dap ung toc cua truc dong co 180 160 140 120 w (rad/s) 100 80 60 40 20 -200 Hình 3.21: Đáp ứ I (A) Dap ung dong dong co I1 I2 66 Hình 3.22: Đáp ứng dịng điện tốc độ nhảy bậc khơng có tải Xét có tải: w (rad/s) Dap ung toc tren truc dong co Hình 3.23: Đáp ứng tốc độ nhảy bậc có tải Dap ung dong dien cua dong co 14 12 (A) 10 67 Hình 3.24: Đáp ứng dịng điện tốc độ nhảy bậc có tải Nhận xét: Từ kết mơ từ hình 3.16 đến hình 3.22 cho thấy điều khiển tốc độ làm việc tốt ứng với chế độ khơng tải có tải thay đổi tốc độ cho kết tốc độ thực bám tốt tốc độ đặt kể thông số động bị thay đổi Qua chứng tỏ chất lượng điều khiển dịng thích nghi thiết kế 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Đã thiết kế khảo sát chất lượng điều khiển PID cho động với tham số động biết - Khảo sát chất lượng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song truyền thẳng cho đọng mơ hình mẫu động - Thiết kế đánh giá chất lượng điều khiển tốc độ cho động nối cứng trục với điều khiển dòng thiết kế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 68 Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu thiết kế điều khiển dòng với thuật tốn mờ thích nghi theo mơ hình mẫu cho hệ thống điều khiển động chiều nối cứng trục Nhiệm vụ cụ thể Xây dựng điều khiển mờ thích nghi để cân tải cho hệ thống truyền động dùng hai động chiều kích từ độc lập nối cứng trục Kết luận văn đạt là: - Xây dựng cấu trúc điều khiển cân tải hệ thống động chiều nối cứng trục; - Thiết kế điều khiển cho hệ thống động chiều nối cứng trục điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu nhằm đảm bảo yêu cầu chất lượng điều khiển hệ thống, kiểm chứng mô Với kết cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển thiết kế để điều khiển hệ thống Kiến nghị Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Duy Cương (2014), Đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ: “Cân 69 tải cho 02 động làm việc song song, nối cứng trục” [2] Lại Khắc Lãi (2003), “Một số phương pháp tổng hợp điều khiển sở logic mờ thích nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội [3] Phan Xuân Minh  Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ in lần thứ có sửa chữa bổ sung , Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Dỗn Phước: “Phân tích điều khiển hệ phi tuyến” NXB Bách khoa, 2012 [5] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Xưởng in ĐHTC - Đại học Bách khoa Hà Nội [6] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab  Simulink”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [7] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ (1998), Máy điên T1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2008), Truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [9] Võ Minh Chính, Nguyễn Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [10] Astrom K.J., Wittenmark B., Adaptive Control Job van Amerongen (2004), Inteligent Control, Part 1: Model Reference Adaptive Control, University of Twente [11] ... "Xây dựng điều khiển mờ thích nghi để cân tải cho hệ hai động chiều kích từ độc lập nối cứng trục" Mục tiêu nghi? ?n cứu - Tìm hiểu hệ truyền động hai động chiều nối cứng trục - Xây dựng cấu trúc điều. .. THUẬT CÔNG NGHI? ??P LÊ THỊ PHƯỢNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã... cho 02 động sử dụng điều khiển mờ, với điều khiển dòng điện động điều khiển mờ thơng thường, tín hiệu điều khiển tín hiệu mẫu cho điều khiển dòng động thứ hai (bộ điều khiển mờ thích nghi theo