Mô phỏng động cơ trên phần mềm SIMULINK

Chương IV: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM MATLABMỀM MATLAB

4.2. Mô phỏng động cơ trên phần mềm SIMULINK

Động cơ một chiều kích từ độc lập luận văn nghiên cứu có các thông số sau [5]:

• Điện áp phần ứng: UA = 220 V

• Điện áp kích từ: UK= 24 V

• Điện cảm phần ứng: LA = 0,038 H

• Điện trở phần ứng: RA = 1,5854 Ω

• Mô men quán tính của rôto: J = 0,058 Kg/m2

• Hằng số mô men: Km = 3

Từ sơ đồ khối mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta đã nghiên cứu ở chương 2, thay các tham số trên vào ta có sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên SIMULINK như hình 4.2.

Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập

4.2.1. Mô phỏng động cơ khi làm việc bình thường

a) Trường hợp động cơ làm việc bình thường, tải định mức (tải max):

Từ sơ đồ mô phỏng hình 4.3 ta thấy động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên khi làm việc bình thường, tải định mức có đáp ứng đầu ra là tốc độ tốt. Hệ dao động ít, thời gian quá độ ngắn tqð = 0,3 s, độ quá điều chỉnh nhỏ.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-20 0 20 40 60 80 100 120

Time

omega

DC lam viec tai dinh muc

Hình 4.3: Đồ thị đáp ứng tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm việc bình thường khi tải định mức

- Trường hợp động cơ làm việc bình thường khi không tải (tải min):

Hình 4.4: Đồ thị đáp ứng tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm việc bình thường khi không tải

Trường hợp này đáp ứng đầu ra tốt, khác trường hợp tải định mức là tốc độ động cơ cao hơn.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Time

iA

Dong IA khi DC lam viec tai dinh muc

Hình 4.5: Đồ thị đáp ứng dòng điện phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập làm việc bình thường tải định mức

4.2.2. Mô phỏng động cơ khi đang làm việc bình thường xảy ra sự cố - Sự cố chạm tắt các vòng dây phần ứng:

Khi các vòng dây phần ứng chạm tắt với nhau, lúc này điện trở phần ứng RA, điện cảm phần ứng LA sẽ giảm, dòng điện phần ứng iA tăng lên. Mô phỏng sự cố này trên Matlab Simulink ta thay đổi giá trị RA, LA và thời gian xảy ra sự cố bằng cách thay đổi giá trị đặt tại khối Step 1.

+ Động cơ đang làm việc bình thường, tải định mức, sau 2 s xảy ra sự cố RA, LA

giảm hai lần đáp ứng đầu ra tốc độ có dạng như hình 4.6:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -20

0 20 40 60 80 100 120 140

Tim e

Omega

RA , LA giam 2 lan

Hình 4.6: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố chạm tắt vòng dây phần ứng (RA, LA giảm 2 lần)

+ Động cơ đang làm việc bình thường, tải định mức, sau 2 s xảy ra sự cố RA, LA

giảm ba lần đáp ứng đầu ra tốc độ có dạng như hình 4.7:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Time

Omega

RA, LA giam 3 lan

Hình 4.7: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố chạm tắt vòng dây phần ứng (RA, L giảm 3 lần)

Khi RA, LA giảm càng nhiều thì tốc độ động cơ càng tăng cao, số lần dao động ít, thời gian quá độ khi xảy ra sự cố tqđ = 0,15 s.

- Hở mạch phần ứng:

Khi động cơ đang làm việc bình thường tải định mức, giả sử sau 2 s xảy ra sự cố hở mạch phần ứng, lúc này dòng điện phần ứng iA= 0, đáp ứng ra tốc độ có dạng như sau:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0 20 40 60 80 100 120 140

Time

i A

Dong IA khi ho m ach phan ung

Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng dòng điện khi xảy ra sự cố hở mạch phần ứng

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 50 100 150

Time

Omega

Ho mach phan ung IA =0

Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố hở mạch phần ứng

Khi xảy ra sự cố hở mạch phần ứng dòng điện phần ứng iA= 0 ngay, tốc độ giảm về 0 sau thời gia quá độ 0,15 s.

- Mất kích từ:

Khi động cơ đang làm việc bình thường tải định mức, giả sử sau 2 s xảy ra sự cố mất kích từ, lúc này dòng điện kích từ iK= 0, đáp ứng ra tốc độ có dạng như sau:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

-20 0 20 40 60 80 100 120

Time

Omega

Mat kich tu

Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố mất kích từ - Sự cố chạm tắt các vòng dây phần ứng và mất kích từ:

0 1 2 3 4 5 6

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

Omega

RA, LA giam va mat kich tu

Hình 4.11: Đồ thị đáp ứng tốc độ khi xảy ra sự cố vừa chạm tắt dây quấn phần ứng vừa mất kích từ

Từ các đồ thị mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi làm việc bình thường, khi đang làm việc bình thường sau 2 s xảy ra các sự cố ta nhận thấy:

• Với mỗi loại sự cố có độ quá điều chỉnh ở đồ thị đáp ứng tốc độ khác nhau

• Khi xảy ra sự cố, thời gian quá độ đều nằm trong khoảng 2 đến 2,15 s 4.3. Phần mềm phân tích số liệu để nhận dạng sự cố

4.3.1. Tạo bộ số liệu và xây dựng mô hình nhận dạng sự cố

- Khi động cơ đang làm việc bình thường, xảy ra sự cố nên cần phải được phát hiện ngay. Đồng thời mô hình mạng TSK phải phân biệt được trường hợp động cơ có sự cố và trường hợp biến thiên của tải. Vì vậy ta xây dựng bộ số liệu với thông số thứ nhất là: mT (tải). Tải có khối lượng dao động từ 0 ÷ 100 kg với bước thay đổi 10 kg. Vậy ta có bộ số liệu theo tải là 11 trường hợp [0; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70;

80; 90; 100].

- Khi động cơ mất kích từ thì dòng iK = 0, khi động cơ làm việc bình thường ta xét trường hợp dòng kích từ không đổi hay iK = 1. Vậy ta có thông số thứ hai của bộ số liệu là αk với hai giá trị 0 hoặc 1.

- Khi hở mạch dây quấn phần ứng ta có dòng điện phần ứng iA = 0, khi chạm tắt dây quấn phần ứng ta có dòng điện phần ứng tăng lên có thể 1,5; 2; 2,5; 3 lần so với định mức. Vậy ta có bộ số liệu theo sự thay đổi của dòng phần ứng là αA có 6 trường hợp [0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3].

Tổng hợp ba bộ số liệu trên ta xây dựng được bộ số liệu tổng quát gồm 132

11 6

2⋅ ⋅ = mẫu.

ω(2 ÷2.15)

mT = [0; 10;…; 100]

αk = [0; 1]

αA = [0; 1; 1,5; 2; 2,5; 3].

Mô hình mô phỏng

- Từ các kết quả mô phỏng và bộ số liệu 132 trường hợp trên ta đặt vấn đề chỉ sử dụng giá trị của tốc độ góc ω ta xác định được các sự cố xảy ra bên trong động cơ. Mô hình nhận dạng sự cố như hình 4.13:

Hình 4.13: Mô hình tổng quát nhận dạng sự cố

 Đầu vào hệ thống nhận dạng: Tốc độ góc ω đo được tại 16 thời điểm từ t0=2s đến 2,15s với bước lấy mẫu là 0,01s.

 Đầu ra hệ thống nhận dạng: Xác định tình trạng làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, bình thường hay có sự cố. Nếu động cơ có sự cố thì đó là sự cố gì.

4.3.2. Phân tích và trích chọn vectơ đặc tính đối tượng

Từ các kết quả mô phỏng tốc độ động cơ trên theo trục thời gian là 10 s. Trong đó 2 s đầu để động cơ có trạng thái xác lập trước sự cố, sự cố xảy ra tại t = 2 s. Theo quan sát thì đến 2,15 s động cơ có trạng thái xác lập mới. Vì vậy ta chỉ cần trích số liệu ra từ 2 đến 2,15 s. Trong luận văn này ta chọn bước 0,01s, do đó ta có 16 giá trị tức thời của tốc độ góc omega.

ω(2 ÷2.15)

mT αk αA

Mô hình nhận dạng

Do vậy ta chọn véc-tơ đặc tính X của đối tượng gồm 16 thành phần: X = [x1,

…,x16]

4.3.3. Ứng dụng mô hình mạng TSK nhận dạng sự cố trong động cơ điện một chiều Mạng TSK có khả năng xấp xỉ hàm phi tuyến với độ chính xác bất kỳ. Để ứng dụng mạng TSK trong bài toán nhận dạng với các đầu ra mẫu chỉ nhận một trong các giá trị rời rạc đặc trưng cho các lớp, còn đầu ra của mạng có thể nhận các giá trị liên tục. Ta cần biến đổi đầu ra y của mạng thành giá trị gần nhất. Nếu giá trị này khác với giá trị đích cần có thì mạng đã nhận dạng sai. Ngược lại ta có trường hợp mạng nhận dạng chính xác mẫu.

Chọn số luật suy luận i = 8, ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc mạng TSK nhận dạng sự cố động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

C1=[C11,...,C16], 1,b1 Luật 1

Luật 8

…

W2

W

f1(x)

f8(x) y= d

y1

y

X = [x1,…,x16] C2=[C21,...,C26], 2,b2

Luật 2 f2(x) y2

W1

…

Hình 4.14: Cấu trúc mạng TSK nhận dạng sự cố động cơ điện một chiều trong đó:

- X=[ x1,x2,,x16] là vectơ đầu vào - d=[ d1,d2,d3] [= mT,αK,αA]

- C=[ c1,,c8] là số trọng tâm

- Wi là giá trị của biểu thức mờ x≈ci∈[ ]0,1 và Wi tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa x ≈ ci . Ví dụ ta có thể sử dụng hàm Gauss mở rộng:

1

2 1

Wi X Ci bi

σi

=

+ − 

 ÷

 ÷

 

- bi là hệ số mũ thứ i

- σi là độ mở của hàm thứ i - i là số luật

- yi là đầu ra của luật thứ i

- y là đáp ứng cuối cùng của mạng TSK

8 .

18 1 W yi i y i

i Wi

∑=

=

∑=

Vậy bài toán đặt ra là đi xác định các giá trị C1 ÷ C8, σ 1 ÷ σ8, b1 ÷ b8, f1(x) ÷ f8(x) sao cho y ≈dvới tất cả các mẫu trong bộ số liệu (132 mẫu).

Để nâng cao được độ tin cậy và chất lượng của mô hình, với bộ số liệu 132 mẫu ta tách ra 2 tập số liệu: Tập mẫu test 33 mẫu, gồm các mẫu số 2, 6, 10, ..., 132 (cách

Đưa các bộ số liệu trên vào mạng TSK với 8 luật, 3 đầu ra. Quá trình học theo thuật toán bước giảm cực đại được thực hiện với 50 bước lặp. Trong quá trình học, sai số đầu ra giảm dần. Các thông số phi tuyến được điều chỉnh thích nghi trong quá trình này.

Đầu ra cụ thể của mạng TSK đối với kênh 1 (nhận dạng giá trị mT) được thể hiện trên các hình 4.15; 4.16:

Quá trình học được thực hiện với 50 lần lặp, kết quả của quá trình học được thể hiện trên hình 4.15. (Các giá trị đích có thể là 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8;

0,9; 1 tưong ứng với 11 trường hợp tải dao động), dạng (do tín hiệu đầu ra của mạng ta sẽ làm tròn về giá trị đích gần nhất). Từ trên hình vẽ 4.15 ta có đầu ra của mạng TSK đã bám sát với các giá trị đích, các sai số đều nhỏ hơn giá trị ngưỡng của sai số nhận là 0.1 (sai số lớn nhất trên hình 4.15b không vượt quá 6.10-3).

(a) (b)

Hình 4.15: Kết quả học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của mô-men tải (biến thiên từ 0 đến 100% mô men max)(a), và sai số học giữa kết quả đầu ra TSK và giá trị đích (cho mô-men tải)

Mạng sau khi được huấn luyện đã được kiểm tra với tập 33 số liệu khác với các mẫu đã học. Hình 4.16 mô tả đầu ra của mạng cùng với các giá trị đích và sai số giữa hai tín hiệu này.

(a) (b)

Hình 4.16: Kết quả kiểm tra trên 33 mẫu nhận dạng giá trị mô-men tải (biến thiên từ 0 đến 100% mô men max)(a) và Sai số học giữa kết quả đầu ra TSK và giá trị đích (cho mô-men tải )(b).

Cũng tương tự như trong trường hợp kết quả học, khi đưa vào mạng TSK các số liệu từ các mẫu của tập kiểm tra, ta có thể dễ dàng nhận thấy đối các tín hiệu đầu ra bám sát theo giá trị đích. Từ đồ thị sai số ở hình 4.16b, ta thấy không có trường hợp tín hiệu vượt ngưỡng 0,1 (sai số lớn nhất không vượt quá 10-2).

Với các kết quả như trên, cả trong trường hợp xây dựng cũng như kiểm tra, mô hình TSK đều cho kết quả nhận dạng chính xác cao. Cụ thể sai số học

% 0

% 100 99.

0 =

hoc =

E sai số kiểm tra bằng .100% 0%

33

0 =

kt =

E .

Hoàn toàn tương tự, ta xét đầu ra cụ thể của mạng TSK đối với kênh 2 (nhận dạng giá trị αA) được thể hiện trên các hình 4.17; 4.18.

(a) (b)

Hình 4.17: Kết quả học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần ứng(a) và sai số học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần ứng(b)

(a) (b)

Hình 4.18: Kết quả kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần ứng(a), sai số trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng phần ứng

Có thể nhận thấy trên hình 4.17b là có 4 trường hợp sai số vượt ngưỡng 0,25, ứng với sai số học 4

.100% 4,04%

hoc 99

E = = , còn trên hình 4.18b sai số kiểm tra

vượt ngưỡng bằng 0 ứng với .100% 0% 33

0 =

kt =

E .

Tương tự đầu ra cụ thể của mạng TSK đối với kênh 3 (nhận dạng giá trị αK) được thể hiện trên các hình 4.19; 4.20.

(a) (b)

Hình 4.19: Kết quả học trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng kích từ (a), sai số học giữa đầu ra của mạng và giá trị đích trên 99 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng kích từ.

(a) (b)

Hình 4.20: Kết quả kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng kích từ (a), sai số kiểm tra trên 33 mẫu cho nhận dạng trạng thái của dòng kích từ Trên hình 4.19b ta có thể quan sát được 5 trường hợp sai số vượt ngưỡng 0,5,

ứng với sai số học .100% 5% 99

5 =

hoc =

E ; còn trên hình 4.20b, tất cả các mẫu kiểm

tra đều có sai số nhỏ hơn 0,5, ứng với sai số kiểm tra bằng .100% 0% 33

0 =

kt =

E .

Tóm lại, đối với các loại sự cố và sự thay đổi của tải, ta có sai số nhận dạng tốt, độ chính xác cao, nhiều trường hợp đạt 100%. Đồng thời, sau khi có được vectơ đặc tính cho các tốc độ góc động cơ điện một chiều kích từ độc lập, quá trình tính toán mô hình TSK đã được thực hiện gần như hoàn toàn tự động