FLC – Sugeno cho hệ thống điều khiển kớch từ
Khi đối t ng cú tớnh phi tuyến m nh, b điều khiển PID trở nờn kộm hi u quả. ể giải quyết vấn đề này nhiều nhà nghiờn c u đề xuất s dụng b điều khiển m [17], [18] hoặc [44], [45]. Tuy nhiờn cú m t kh khăn khi thiết kế b điều khiển m là cú nhiều yếu tố ảnh h ởng đến mối quan h vào/ra c a b điều khiển nh ng c a hàm thu c, l a ch n cỏc phộp toỏn kết nh p, kộo theo, giải m , v.v. S l a ch n này khụng cú m t quy tắc cụ thể mà phụ thu c nhiều vào tri th c mang tớnh chuyờn gia c ng i thiết kế. M t h kh để giải quyết kh khăn này đ là s dụng cỏc thu t toỏn tối u PSO [56 – 57]. Hơn nữa, trong những năm gần đõy m t trong những ph ơng ph p hi n đ i đ c s dụng hi n nay là s dụng b điều khiển m kết h p v i b điều khiển kinh điển để t o ra h m lai [46 – 50]. H m lai (Fuzzy – hybrid) là m t h thống điều khiển t đ ng trong đ thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần:
- B điều khiển kinh điển PID
- B điều khiển m (FLC – Fuzzy Logic Controller)
Trong nghiờn c u này, nghiờn c u sinh kế thừa khả năng điều khiển m nh mẽ, th c tế c a b điều khiển PID đồng th i t n dụng tớnh t uy logi thụng minh a b điều khiển m để kết h p l i t o thành m t b điều khiển lai PID – FLC s u đ p dụng thu t toỏn tối u PSO để tối u b điều khiển nhằm điều khiển dũng kớch từ bỏm giỏ trị h số cụng suất đặt ho đ ng ơ đồng b cụng suất l n. iều khiển m theo mụ hỡnh kiểu Sugeno (hoặc Takagi, Sugeno – TS, gi i thi u vào năm 1985) [58]. Theo mụ hỡnh này, vế phải c a cỏc lu t điều khiển đ c mụ tả bởi cỏc hàm, vỡ v y cho phộp mụ tả đ ng h c h thống m t cỏch mềm dẻo và sỏt v i đối t ng. FLC-Sugeno u điểm th c hi n kết nh p đầu r đơn giản đ p ng tốt v i yờu cầu th c tế trong điều khiển.
M t cấu trỳc m lai d ng s e đ c biểu diễn trong hỡnh 3.37 để ỏp dụng cho h thống điều khiển kớch từ, ở đ phần bự tớn hi u điều chỉnh u cho b điều khiển PID đ c lấy từ đầu ra c a b điều khiển m .
B điều khiển m nhằm mụ ti u đ r gi trị u để bự cho tớn hi u điều khiển u c a b điều khiển PID, d a vào sai l h và đ o hàm c a sai l ch theo th i gian. Trong b điều khiển lai PID – FLC Sugeno, cỏc tham số c PID đ đ c từ vi c tối u bằng PSO t i mục 3.2.2.2.
74
Hỡnh 3.37. Sơ đồ tối ưu bộ điều khiển FLC
B điều khiển FLC - Sugeno đ c thiết kế gồm 2 biến đầu vào là sai l h e” và đ o hàm sai l h e” biến điều khiển đầu ra là u. Miền biến thiờn c đầu vào/r này đều đ x định trong miền chuẩn đối x ng là [-1 1]. Khi lắp” b điều khiển vào h thống, miền biến thiờn th c sẽ đ c hi u chỉnh về miền chuẩn đối x ng bằng cỏc h số Ke, Kce và Ku.
Cỏc t p m đ c l a ch n thiết kế v i t n đ c ký hi u và diễn giải nh bảng 3.3.
Bảng 3.3. Ký hiệu nhón ngụn ngữ cho cỏc tập mờ NB N NS ZE PS P PB Negative Big Negative Negative Small Zero Positive Small Positive Positive Big
5 t p m d ng hỡnh tam giỏc cho cỏc biến vào e, ce gồm NB, NS, ZE, PS, PB. Cỏc t p m đ c thiết kế là phõn ho ch m m nh nghĩ là v i giỏ trị x bất kỳ, t ng đ thu c c a x vào cỏc t p m là bằng 1.
7 t p m cho biến đầu ra u d ng singleton gồm NB, N, NS, ZE, PS, P, PB. ể điều chỉnh hỡnh d ng t p m h ng t i tối u ho b điều khiển, trong nghiờn c u này, m t số ràng bu đ đ vào để h n chế số biến cần tối u nh s u:
Giả thiết cỏc t p m đ c phõn ho h là đối x ng trờn miền [-1 1]. iều đ nghĩ là t p m ZE cú d ng tam giỏc cõn.
T p m c a hàm thu NB là đối x ng v i t p m PB qua giỏ trị 0. T ơng t ta cú cỏc c p t p m đối x ng qu điểm 0 khỏc là (N, P), (NS, PS). L-ới trung thế 6kV Các tải khác Động cơ đồng bộ V Chỉnh l-u Thyristor A Cos Cosđặt Bộ điều khiển Nguồn chỉnh l-u a b c PSO de/dt Cos u (+) e ce (-) a, b, c1; c2; Ke; Kce; Ku uđk
Bộ điều khiển PID Đối t-ợng
Cosđ
75
ể xõy d ng nờn cỏc t p m tớnh đối x ng, ta chỉ cần điều chỉnh giỏ trị điểm (đối v i biến e) b (đối v i biến ce) và c1, c2 (đối v i biến u) nh tr n hỡnh 3.38. V i miền tỡm kiếm cho cỏc biến đ x định trong khoảng:
a, b[0.25, 0.75]; c1[0.25, 0.45]; c2[0.45 0.75]. và hỳng đ c biểu diễn bằng đ ng màu đ đ m nh hỡnh i đõy.
Cỏc hàm liờn thuộc đầu biến vào"e" Cỏc hàm liờn thuộc biến đầu vào "ce"
Cỏc hàm liờn thuộc biến đầu ra "u"
Hỡnh 3.38.Cỏc hàm thuộc của FLC và vựng giỏ trị chạy tối ưu bằng PSO
H lu t điều khiển đ c thiết kế nh trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Hệ luật điều khiển của FLC-sugeno
ce e NB NS ZE PS PB NB NB NB N NS ZE NS NB N NS ZE PS ZE N NS ZE PS P PS NS ZE PS P PB PB ZE PS P PB PB
Sơ đồ mụ ph ng trờn Matlab – Simulink khi s dụng b điều khiển lai PID – FLC sugeno đ trỡnh bày nh hỡnh 3.39. Ch ơng trỡnh l p trỡnh M_File trờn Matlab để th c hi n thu t toỏn PSO cho vi c tối u hàm thu c b điều khiển FLC và cỏch t o cỏc hàm function đ c trỡnh bày t i phụ lục 2. Sau khi ch y h ơng trỡnh tối u theo
NB NS ZE PS PB -1 -a 0 a 1 NB NS ZE PS PB -1 -b 0 b 1 NB N NS ZE P PS PB 0 1 -1 -c2 -c1 c1 c2
76
PSO cho b điều khiển FLC đ c kết quả nh s u: a = 0,3183, b = 0,75, c1 = 0,75, c2 = 0,3943, ke = 2,3103, kce = 1156,31, và ku = 0,012.
Hỡnh 3.39. Sơ đồ mụ phỏng trờn Matlab – Simulink khi sử dụng bộ điều khiển lai PID – FLC Sugeno
3.2.3. Kết qu mụ phỏng u khi n kớch từ chế ộ làm vi c
Mụ ph ng đ c th c hi n tr n đ ng ơ đồng b c c lồi cụng suất 500kW đi n ỏp 6000V và cỏc tham số mụ ph ng đ c tra theo lý lịch c đ ng ơ ph b n đầu c ng đi n t cho giỏ trị và l ch nhau 1200 nh bảng 3.5.
Bảng 3.5. Số liệu mụ phỏng cho động cơ đồng bộ cực lồi ở chế độ làm việc
Thụng số Ký hi u Giỏ trị ơn vị Thụng số Ký hi u Giỏ trị ơn vị Cu n stator Rs 0.26 Cu n rotor Rf 0.13 Ls σ 1.14 mH Lfσ 2.1 mH Lmd 13.7 mH Giỏ trị ban đầu c a dũng Stator Ia 53.9 A Lmq 11 mH Ib 53.9 A Cu n lồng súc RD 0.0224 Ic 53.9 A LDσ 1.4 mH pha -173.3
77 RQ 0.02 phb 66.7 L Qσ 1 mH phc -53.3 Số đụi ặp c c p 10 Nguồn kớch từ Uf 57 V
Theo bảng 3.5, d a vào thống số đi n p định m c c a nguồn kớch từ đồng th i để th c hi n vi ng kớ h khi bắt” đồng b hoặc x lý quỏ tải đi n ỏp sau chỉnh l u đ c ch n tối đ gấp 2 lần giỏ trị định m c (Udmax = 114V) v i tớn hi u điều khiển l n nhất Uđkm x = 10V. T x định đ c Tvo = 0,0067(s) cho b chỉnh l u ầu 3 pha 6 thyristor. Theo (3.7) x định đ c Kb = 11 4. Do đ hàm truyền c a b chỉnh l u (Khối Re tifier trong sơ đồ mụ ph ng hỡnh 3.36 và 3.39) là:
d T đk U (s) 11, 4 W (s) U (s) 0, 0067.s 1 ể đ nh gi hất l ng c a h điều khiển kớch từ đ ng ơ đồng b . Ta so sỏnh v i đ p ng h thống v i 3 b điều khiển kớch từ khỏc nhau:
1. Bộ u khi n PI: Cỏc tham số b điều khiển đ x định bằng ph ơng phỏp Ziegler-Nichols 2, kết h p th sai số (Trial and error): Sau khi ch y mụ ph ng, bằng Ziegler-Ni hols x định đ c tham số c a b điều khiển PI là: (Kp; Ki) = (0.66; 5). Tiếp theo, s dụng ph ơng ph p th sai số ph ơng ph p đ c th c hi n t ơng t nh [8] và x định đ c cặp giỏ trị tham số c a b PI sau chỉnh định là giỏ trị (Kp; Ki) = (1; 5).
2. Bộ u khi n ID ược thiết kế bằng thuật toỏn tố ưu S : V i cỏc tham số sau khi ch y h ơng trỡnh tối u: Kp = 0,549, Ki = 5,992, Kd = 0,5 và KN = 0,866.
3. Bộ u khi n lai giữa PID và FLC – Sugen ược thiết kế bằng thuật toỏn tố ưu S V i cỏc tham số sau khi ch y h ơng trỡnh tối u: a = 0,3183, b = 0,75, c1 = 0,75, c2 = 0,3943, ke = 2,3103, kce = 1156,31, và ku = 0,012.
Nhiễu t đ ng là s tăng đ t ng t c a tải, làm cho gúc l h ph th y đ i, h thống điều khiển sẽ t đ ng điều chỉnh nguồn kớch từ để n định h số cụng suất cos. Kết quả mụ ph ng đ trỡnh bày nh trong hỡnh:
+ Hỡnh 3.40 (khi tải cố định; giỏ trị đặt cosđ th y đ i từ 0,85 0,95), + Hỡnh 3.41 (khi tải th y đ i giỏ trị đặt cosđ = 0,95).
78
Hỡnh 3.40. Đỏp ứng cos của động cơ và sự thay đổi của nguồn kớch từ khi giỏ trị
cosđ = 0,85 0,95
Hỡnh 3.39 cho thấy, cỏc b điều khiển đều cho sai l ch rất nh . Bằng vi c tớnh giỏ trị sai l h trung bỡnh thụng qu hàm fit” trong M tl b. B điều khiển m lai PID – FLC Sugeno cho sai l ch nh nhất (0,51), tiếp đến là b điều khiển PID (2,45), cuối cựng là b điều khiển PI (4,03). Trong quỏ trỡnh qu đ , b điều khiển lai PID - FLC phản ng nh nh hơn tiếp đến là b điều khiển PID, cuối cựng là PI.
Hỡnh 3.41. Đỏp ứng cos của động cơ, khi tải tăng lờn 30% (tại thời điểm 2.5s) và giỏ
79
Hỡnh 3.41 cho thấy, trong quỏ trỡnh qu đ hoặc cú s th y đ i c a tải b điều khiển lai PID - FLC phản ng nh nh hơn tiếp đến là b điều khiển PID, cuối cựng là PI.
Hỡnh 3.42 và 3.43 mụ tả cỏc giỏ trị tuy t đối c a sai l ch (IAE) sau mỗi lần lặp c a thu t toỏn PSO. Cỏc kết quả cho thấy hàm thớch nghi fitness fun tions” h i tụ đến cỏc giỏ trị tối u s u khoảng 40 lần lặp đối v i PID d a trờn PSO và 36 lần lặp đối v i PID-FLC. Giỏ trị IAE c a b điều khiển PID-FLC là 0,51, nh hơn so v i b điều khiển PID là 2 45 điều đ ho thấy những u điểm c a giải ph p đ đề xuất.
Hỡnh 3.42. Đặc tớnh hội tụ tham số tối ưu của bộ điều khiển PID bằng thuật toỏn PSO
Hỡnh 3.43. Đặc tớnh hội tụ tham số tối ưu của bộ điều khiển lai PID - FLC bằng thuật toỏn PSO
Nh v y, cú thể thấy vi c ng dụng thu t toỏn tối u PSO để thiết kế b điều khiển trong h điều khiển kớch từ đ ng ơ đồng b cụng suất l n ở là hoàn toàn khả
80
thi đặc bi t khi qu đ . Kết quả nghiờn c u c a n i ung này đó đ c nghiờn c u sinh cụng bố trong cụng trỡnh [6].
Kết luận c ương 3:
Ch ơng 3 nhằm mụ đớ h giải quyết cỏc vấn đề đặt ra ở h ơng 1.
ối v i vấn đề x định chớnh xỏc th i điểm để bắt” đồng b : Cỏc phõn tớch cho thấy: Th i điểm thu n l i để bắt” đồng b là khi tố đ đ ng ơ gần đ t đồng b và từ tr ng cảm ng trong rotor đ t c đ i, lỳc này mụ men do nú sinh ra sẽ cú giỏ trị l n nhất và dễ bắt” đ c từ tr ng c st tor. Căn vào điều này, nghiờn c u sinh đề xuất giải ph p x định giỏn tiếp th i điểm từ tr ng c đ i qua vi đo ng cảm ng trong rotor và đ o hàm c a nú khi tố đ c a rotor gần đ t giỏ trị đồng b , từ đ s dụng cỏc m h đi n t để hoặc cụng cụ logic m để th c hi n. Cỏc kết quả mụ ph ng cho thấy tớnh hi u quả c a giải ph p đề xuất.
ối v i vấn đề điều khiển kớch từ để xỏc l p h số cụng suất Cos cú kể đến nhiễu phụ tải: Nghiờn c u sinh đó đề xuất 2 ph ơng n:
1. S dụng thu t toỏn tối u bầy đàn PSO để thiết kế b điều khiển PID cho h kớch từ,
2. S dụng thu t toỏn tối u bầy đàn PSO để thiết kế b điều khiển FLC trong h lai PID - FLC cho h kớch từ, nhằm điều khiển kớch từ bỏm h số cụng suất đặt.
Kết quả mụ ph ng cho thấy b điều khiển lai PID – FLC đ c thiết kế bằng PSO cho chất l ng tốt nhất s u đ đến b điều khiển PID đ c thiết kế bằng PSO, cuối ựng là PI đ c thiết kế bằng Ziegler-Nichols kết h p th sai số.
81
ương IV. Mụ hỡnh thực nghi u khi n kớch từ ộng cơ ồng bộ cụng suất 500kW
4.1. Giới thi u mụ hỡnh thực nghi m
4.1.1. T ng quan v mụ hỡnh thực nghi m
Mụ hỡnh th c nghi m đ c nghiờn c u sinh phối h p cựng v i cụng ty c phần ơ đi n t ASO sản xuất và đ c th nghi m tr n đ ng ơ đồng b cụng suất 500Kw, đi n ỏp định m c stator 6000V, dũng kớch từ định m 150A đi n ỏp kớch từ c đ i 57Vdc v i tải c đ ng ơ là m y bơm (hỡnh 3.1). Mụ hỡnh th c nghi m ũng là sản phẩm c đề tài nghiờn c u khoa h c cấp b [CT7], do chớnh nghiờn c u sinh ch nghi m. ề tài đó đ c nghi m thu theo quyết định số 633/Q -BDG T ngày 05/02/2021 c a B giỏo dụ và ào t o.
Hỡnh 4.1. Hỡnh ảnh của động cơ đồng bộ 500kW trong mụ hỡnh thực nghiệm
Yờu cầu kỹ thuật khi xõy dựng mụ hỡnh thực nghiệm:
L a ch n đỳng th i điểm bắt” đồng b để khởi đ ng đ ng ơ đồng b n toàn và m trong đỳng gi i h n th i gi n quy định.
Trong chế đ làm vi c, cung cấp dũng kớch từ để đảm bảo đ ng ơ ho t đ ng n định v i giỏ trị h số cụng suất Cos đặt tr c.
Cho phộp ài đặt và hiển thị cỏc thụng số làm vi c trờn phần mềm SCADA trờn mỏy tớnh hoặc t i màn hỡnh cảm ng HMI đặt t i t điều khiển.
82
Cú h thống bảo v đ ng ơ khi xảy ra s cố ũng nh điều ki n khụng cho phộp v n hành.
Sơ đồ ch năng khối điều khiển h thống kớch từ đ trỡnh bày nh hỡnh 4.2.
Hỡnh 4.2. Chức năng cỏc khối điều khiển hệ thống kớch từ
4.1.2. Cỏc khối chức năng ng ụ n ực nghi m
Trong hỡnh 4.2. Ch năng khối đ c mụ tả nh s u:
Mỏy biến ỏp kớch từ: Là mỏy biến p để h đi n ỏp từ 380Vac xuống cấp đi n ỏp thớch h p để đ vào b chỉnh l u ầu Thyristor.
Bộ chỉn lưu c u Thyristor: Là b chỉnh l u Thyristor ầu 3 ph để t o nguồn kớch từ DC. Trong mụ hỡnh th c nghi m cú 02 b chỉnh l u ầu Thyristor, trong đ 1 b ho t đ ng và m t b để d phũng.
Khố ồng bộ húa và tạo xung: Khối này cú bao gồm cỏc biến ỏp đồng b và m ch t o xung. Nú nh n tớn hi u U đ từ b điều khiển trung tõm và t o xung để cấp điến b chỉnh l u ầu Thyristor v i gúc mở cú thể điều chỉnh t đ ng đ để
A B C Modul đo l-ờng, chuẩn hóa tín hiệu Phần mềm SCADA Máy tính Bộ điều khiển trung tâm Modul Bắt ĐB Điều khiển dập từ Đồng bộ hóa và tạo xung Máy biến áp kích từ Động cơ đồng bộ L-ới trung thế 6KVac Nguồn kích từ 380Vac us is uf; if N ifD Ucđ uđb Uđk Máy cắt Q1 Rdt Modul dập từ Cos; us; is; uf; if Cosđặt Bộ chỉnh l-u cầu Thyristor
83
điều chỉnh t đ ng nguồn kớch từ DC. Trong mụ hỡnh th c nghi m ũng 2 b , trong đ m t b ho t đ ng và m t b để d phũng.