1.3..3 Các hệ thống truyền động điển hình
3.3.Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển truyền động điện máy
máy xúc
3.3.1. Đặt vấn đề
Trong các nội dung trước, NCS đã đề cập tới việc ứng dụng bộ điều khiển PID để mơ hình hóa 3 mạch vịng trong hệ thống máy phát - động cơ, trong đó sử dụng 3 bộ điều khiển PID:
+ Mạch vòng điều chỉnh điện áp phần ứng (tốc độ động cơ) + Mạch vòng điều chỉnh dòng điện phần ứng
+ Mạch vịng điều chỉnh dịng kích từ máy phát
Với mục tiêu điều chỉnh và điều khiển tốc độ động cơ, hai mạch vịng bên trong sẽ có ý nghĩa quan trọng và quyết định đến chất lượng và sự ổn định của các hệ thống truyền động. Mặc dù theo lý thuyết, các bộ điều khiển PID đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra của các hệ truyền động điện trong thực tế vận hành máy xúc. Tuy nhiên với một hệ thống truyền động điện phức tạp trong máy xúc, luôn tiếp xúc và làm việc trong mơi trường khắc nghiệt, có độ nhiễu cao với nhiều tham số bất định thì sự kết hợp sử dụng nhiều hơn một bộ điều chỉnh sẽ giúp cải tiến và nâng cao chất lượng điều khiển.
Đối với một hệ thống truyền động điện máy phát - động cơ mang đặc thù của ngành khai thác mỏ, hiện nay việc ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến và thơng minh chưa có đề tài hay cơng trình nào được các nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu chuyên sâu.
Các bộ điều khiển kinh điển PID, các bộ điều khiển hiện đại (tối ưu, thích nghi, bền vững …) đến các hệ thống điều khiển tiên tiến, thông minh (điều khiển mờ, điều khiển bằng mạng nơron …). Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng của nó, và đều đã được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới từng bước nghiên cứu và triển khai nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
những bộ điều khiển trên. Do đó các hệ thống lai (hybrid) bao gồm kết hợp và sử dụng nhiều bộ điều khiển vào cùng một hệ thống đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và phát triển. Thấy được những tính ưu việt các hệ thống lai như đã phân tích. NCS đề xuất giải pháp nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID tự chỉnh mờ cho hai mạch vòng bên trong của hệ thống -Truyền động điện của máy xúc hiện nay. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần cải tiến, nâng cao chất lượng cho các hệ thống - Truyền động điện máy xúc hiện nay.
3.3.2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và đề xuất thuật toán điều khiển lai
3.3.2.1. Bộ điều khiển PID [25], [30]
Bộ điều khiển PID đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhiều thập kỷ trước đây vì tính đơn giản của nó. Trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển analog cũng như digital.
Sơ đồ nguyên lý, cấu trúc điều khiển của bộ PID kinh điển được mô tả như Hình 3.18.
Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý bộ PID kinh điển
Mơ hình tốn học bộ PID được mơ tả:
p i D
de(t) u(t) K .e(t) K e(x)dx K
dt Hay dạng hàm truyền:
i
PID p D
K
G (s) K K s
s
Thực hiện bộ điều kiển PID dựa trên sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực tế để sao cho tìm được các giá trị phù hợp cho ba tham số: Kp, Ki, KD.
Nguyên tắc chung để xác định các tham số này là thường theo Zeigler - Nichols, và các tham số này được tính tốn để làm việc ở một chế độ cố định. Với các hệ thống truyền động điện máy xúc trong công nghiệp mỏ, đối tượng nghiên cứu làm việc trong một mơi trường có tính chất đặc thù rất khắc nghiệt. Nhiệt độ, độ ẩm thay đổi liên tục, độ nhiễu lớn, nhiều tham số bất định và tính phi tuyến mạnh.Vì vậy, các tham số PID cần thiết phải được hiệu chỉnh thường xuyên để thích nghi với những thay đổi đó.Việc nghiên cứu ứng dụng thuật tốn mờ tự chỉnh sẽ giải quyết được bất cập này, giúp cho hệ thống làm việc ổn định hơn và cũng để góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng các hệ thống truyền động điện trong máy xúc hiện nay.
3.3.2.2. Bộ điều khiển mờ (Fuzzy - Controller: FC)
Một ưu điểm khi sử dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thống là chúng khơng cần mơ hình tốn học chính xác của đối tượng. Ở đây, nó chỉ cần sử dụng một tập hợp các mệnh đề của luật hợp thành dưới dạng các bảng ma trận luật hợp thành. Sơ đồ nguyên lý của một bộ điều khiển mờ cho như Hình 3.19
Hình 3.20. Sơ đồ nguyên lý, cấu trúc ứng dụng điều khiển mờ
Hình 3.20 và Hình 3.21 mơ tả sơ đồ ngun lý, sơ đồ cấu trúc các khối chức năng của một bộ điều khiển mờ. Trong đó các biến vào được qua một giao diện mờ hóa và được chuyển đổi thành các biến ngơn ngữ. Sau đó cơ sở dữ liệu và luật mờ sẽ ra quyết định để suy luận ra kết quả mờ. Cuối cùng, phương pháp giải mờ với chức năng chuyển đầu ra mờ thành một giá trị sẽ được gửi đi điều khiển đối tượng.
3.3.2.3. Bộ lai (Hybrid) kết hợp giữa Điều khiển mờ và PID
Bộ điều khiển PID thường hay nhạy cảm với sự thay đổi của các biến đầu ra của quá trình và của tham số hệ thống. Bộ PID cũng có khả năng kiểm soát tốt và giảm thiểu sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực tế. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với bộ điều khiển mờ (FC) thì lại khơng cần thơng tin chính xác và khơng cần xác định mơ hình tốn tường minh cho đối tượng. Do đó mà ý tưởng đề xuất nghiên cứu ứng dụng một hệ thống lai mơ tả như Hình 3.21. Để có thể khai thác được tốt hơn các ưu điểm của cả 2 bộ điều khiển PID và điều khiển mờ làm cho hệ thống mang được những ưu điểm vượt trội.
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý bộ lai (điều khiển mờ với PID)
Trong Hình 3.21, có sử dụng một khóa chuyển mạch K giữa bộ điều khiển PID và FC. Trong đó, vị trí của khóa chuyển mạch K phụ thuộc vào sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt. Nếu sai lệch tính theo giá trị tuyệt đối lớn hơn ngưỡng e0, hệ thống Hybrid sẽ áp dụng bộ điều khiển mờ FC (để đảm bảo cần thiết cho thời gian tăng nhanh và độ quá điều chỉnh nhỏ). Khi sai lệch nhỏ hơn ngưỡng e0 hoặc gần với lân cận điểm đặt thì hệ thống Hybrid sẽ tự động chuyển sang PID. Khi đó nó giúp cho sai lệch tĩnh được tốt hơn cho mục tiêu giá trị thực bám sát với giá trị đặt. Thuật toán đề xuất hứa hẹn sẽ cải thiện tốt hơn chất lượng của hệ thống điều khiển truyền động điện hiện có.
3.3.2.4. Bộ điều khiển lai mờ tự chỉnh tham số PID (điều khiển mờ thích nghi)
Hệ thống truyền động điện của máy xúc trong công nghiệp khai thác Mỏ với các bộ điều khiển PID được tính tốn cho một chế độ làm việc cố định. Các hệ số Kp, Ki, KD này thông thường chúng không được điều chỉnh. Máy xúc thường làm việc trong một môi trường khai thác mỏ, với các điều kiện làm việc đặc thù và rất khắc nghiệt. Bản thân đối tượng là một hệ thống có tính phi tuyến mạnh và nhiều tham số bất định. Môi trường làm việc của hệ thống luôn luôn bị tác động do những nguồn nhiễu nội và nhiễu ngoại phức tạp. Những lý do
đó là ngun nhân làm cho mơ hình đối tượng có thể bị biến đổi. Khi đó các tham số của bộ điều khiển PID cũng phải thích ứng và thay đổi sao cho phù hợp.Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu một hệ thống có thể tự động điều chỉnh các tham số này. Sơ đồ nguyên lý cấu trúc của một bộ PID tự chỉnh (PID thích nghi) được mơ tả như Hình 3.22.
Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý PID tự chỉnh
Về cấu trúc của bộ điều khiển mờ tự chỉnh có hai đầu vào cho bộ suy luận mờ gồm sai lệch e và đạo hàm sai lệch de/dt (∆e). Mơ hình suy luận với một thuật tốn hiệu chỉnh để có được giá trị tối ưu cho các tham số Kp, Ki, KD.
3.3.2.5. Bộ điều khiển lai (Hybrid controller) giữa FC và PID self - Tuning controller)
Một sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ và bộ điều khiển mờ được mơ tả trong Hình 3.23 đã được nghiên cứu phát triển để kết hợp các ưu điểm của cả hai bộ điều khiển mờ (FC) và bộ điều khiển PID tự chỉnh với nhau. Các thuật toán, nguyên lý, cấu trúc, chức năng của từng bộ điều khiển này đã được NCS đề cập ở các nội dung trước đây.
Hình 3.23. Sơ đồ cấu trúc, nguyên lý hệ điều khiển lai giữa điều khiển mờ và PID tự chỉnh.
3.3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển
3.3.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng quan
Trong hệ thống điều khiển kín TĐĐ Máy phát - Động cơ như mô tả ở các nội dung NCS đã nghiên cứu trước đây bao gồm có 3 mạch vịng điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID.Tuy nhiên mạch vịng điều khiển dịng kích từ trong cùng có u cầu cần phải có một tác động nhanh và chính xác.Việc nâng cao chất lượng điều khiển của mạch điều khiển Ikt này có ý nghĩa quyết định đến chất lượng cũng như đáp ứng của 2 mạch vòng còn lại.Vì vậy NCS đề xuất mạch điều chỉnh Ikt sử dụng bộ điều khiển lai giữa điều khiển mờ và PID tự chỉnh. Còn mạch điều khiển vòng Iu sử dụng bộ lai giữa điều khiển mờ và PID. Vịng điều khiển ngồi cùng NCS vẫn giữ nguyên bộ điều khiển PID cũ và vòng này hệ thống chỉ sử dụng bộ điều khiển P.
Xuất phát từ sơ đồ nguyên lý Hệ thống truyền động điện của máy xúc hiện tại, đề xuất sơ đồ nguyên lý sử dụng các bộ điều khiển lai như Hình 3.23 và Hình 3.24.
Hình 3.24. Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐĐ MF DC ứng dụng thuật toán mờ lai
+ Khối A: Bộ tạo tín hiệu điều khiển được nhận được từ α lái + Khối B: Vòng đo tốc động cơ ω: dùng PID
+ Khối C: Vòng đo dòng Iu: dùng điều khiển mờ và PID
+ Khối D: Vòng đo dòng Ikt: dùng điều khiển mờ và PID tự chỉnh
3.3.3.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng Iu ứng dụng lai (điều khiển mờ và PID)
Sơ đồ nguyên lý điều khiển khối mạch vòng động cơ dòng Iu sử dụng bộ lai kết hợp giữa điều khiển mờ và PID được cho như Hình 3.21. Trong nội dung này NCS tập trung vào đề xuất thuật toán cho bộ điều khiển mờ. Về bản chất của hệ thống là vẫn giữ nguyên bộ PID cũ, chỉ thêm vào bộ điều khiển mờ được mắc song song với bộ PID kết hợp với khóa chuyển mạch K với mục đích cải thiện, nâng cao thêm chất lượng cho kỹ thuật điều khiển hiện nay.
Thiết kế bộ điều khiển mờ: Bộ điều khiển mờ có 2 biến đầu vào là e và ∆e được xác định bằng các biến ngơn ngữ. Trong đó sai lệch e dùng 7 biến ngôn ngữ được mô tả bằng thuật ngữ Tiếng Anh:
+ ETu = {Negativ Big, Negativ Medium, Negativ Small, Zero, Positiv Small, Positiv Medium, Positiv Big}
+ ETu = {NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB}
+ Căn cứ vào đặc tính quá độ đã khảo sát và mơ hình hóa, giá trị ETu xác định trong khoảng (20÷20).
+ Hàm liên thuộc dạng hình Δ được mơ tả ở Hình 3.26
Hình 3.26. Định nghĩa các tập mờ ETu
Đạo hàm của sai lệch de/dt=Δe ký hiệu DET dùng 5 tập mờ được định nghĩa: Negativ Big - Negativ - Zero - Positiv - Positiv Big}.
Hay DET = {NB, N, Z, P, PB}.
DET xác định trong khoảng (100 ÷ 100) mơ tả trong Hình 3.27. + Hàm liên thuộc của DET dùng các tập mờ hình Δ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.27. Định nghĩa tập mờ DET
Tập mờ của tín hiệu đầu ra bộ FC dùng 5 tập mờ: + Output (FC) = {NB, N, Z, P, PB}.
+ Giá trị từ (400 ÷ 400): Hình 3.28
Hình 3.28. Định nghĩa tập mờ đầu ra bộ điều khiển mờ
Cơ sở tri thức cho bộ điều khiển mờ bao gồm các luật hợp thành (từ các mệnh đề hợp thành và các hàm liên thuộc. Chọn sơ bộ hàm liên thuộc và hình Δ, sau đó tiến hành tính hợp và Simulink trong Matlab. Kiểm chứng và test trên mơ hình cho đến khi đạt được mục tiêu và yêu cầu đề ra. Các luật, các mệnh đề
hay các tri thức chuyên gia được sử dụng để xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên [30] Trang luật hợp thành sử dụng 1 tập hợp các mệnh đề được viết dưới dạng IF…THEN được biểu diễn dưới dạng:
Ri,j,k= IF e = Ai and Δe = Bj THEN Output(u) = Ck (uk = Ck)
Trong đó: 1≤ i ≤7; 1≤ j ≤5; 1≤ k ≤5. Tổng số mệnh đề IF…THEN là 1 ma trận 7x5=35 mệnh đề. Được mô tả dạng Ma trận được gọi là ma trận hợp thành
Bảng 3.5. Ma trận điều khiển mờ Δe(de/dt) DET ETu NB N Z P PB NB NB NB N N Z NM NB NB N N P NS NB N N Z P Z N N Z P P PS N Z P P PB PM N Z P PB PB PB Z P P PB PB
Hình 3.30. Quan hệ giữa biến đầu vào và tham số đầu ra của điện áp
3.3.3.3. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng Ikt ứng dụng bộ điều khiển lai (điều khiển mờ +PID tự chỉnh).
Mạch vòng điều khiển Ikt ứng dụng điều khiển lai kết hợp giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID tự chỉnh. Trong đó bộ điều khiển mờ đã được trình bày ở mục 3.3.2.5, vì vậy phần này NCS tập trung thiết kế và phát triển bộ PID tự chỉnh. Có nghĩa là các thơng số kp, ki, kD của bộ PID được điều chỉnh bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh mới. Ở chế độ vận hành của máy xúc hiện nay thì các tham số của bộ PID thông thường không được điều chỉnh. Nó được chỉnh định ở một chế độ làm việc cố định. Tuy nhiên trong q trình làm việc của hệ thống, do tính chất của đối tượng là phi tuyến và bất định, môi trường công tác luôn tiếp xúc với nhiều nguồn nhiễu nội và nhiễu ngoại khác nhau. Những nguyên nhân đó làm cho mơ hình đối tượng liên tục có thể bị thay đổi. Việc không điều chỉnh kịp thời các tham số PID sẽ dẫn đến hiệu suất làm việc của máy xúc không đạt như thiết kế. Để khắc phục nhược điểm này cũng như cải thiện và nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển các cơ cấu truyền động chính địi hỏi hệ thống cần phải thích nghi tốt hơn sự thay đổi liên tục của mơ hình đối tượng. Vì vậy đề xuất cải tiến hệ thống điều khiển sao cho chúng có khả năng tự chỉnh các tham số kp, ki, kD này.
Sơ đồ nguyên lý đề xuất được mơ tả như Hình 3.20. Ở đó sai lệch e và đạo hàm của sai lệch Δe là những tham số đầu vào của bộ chỉnh mờ. Các tín hiệu ra được chỉnh định là kP’, ki’và kD’ tương ứng.
+ Giả sử tham số của bộ điều khiển PID thay đổi trong phạm vi lần lượt là: [kpmin kpmax]; [kiminkimax]; [kDminkDmax].
+ Phạm vi thay đổi giữa giá trị minmax các thông số được NCS khảo sát Simulink trên mơ hình chạy trên Matlab. Khi đó các hệ số kP’, ki’và kD’ sẽ được chuẩn hóa theo 1 phiếm hàm trong khoảng thời gian [0, 1] như sau:
+ Kết quả khảo sát mơ hình hóa đối tượng mục 3.2, sơ bộ cho kết quả phạm vi điều chỉnh 3 tham số bộ điều khiển PID như sau: kp=7÷12; ki=0.5÷6; kD=0.00001÷0.0001
+ Các tham số kP’, ki’và kD’ xác định như sau:
p pmin p ' ' p p p pmax pmin ' i imin i ' i i i imax imin ' D Dmin D ' D D D Dmax Dmin k k k 7 k k 5k 7 k k 12 7 k k k 0,5 k k 5,5k 0,5 k k 6 0,5 k k k 0,00001 k k 0,00009k 0,0001 k k 0,0001 0,00001
+ Các hàm liên thuộc của các tập mờ đầu vào cho sai lệch e và Δe mô tả