Vị trớ cỏnh hướng
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN
ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN
IV.1 Tớnh phi tuyến của bộ điều khiển vị trớ .
Bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá đụ̣ ngắn , đụ̀ng thời đụ̣ chính xỏc tĩnh nằm trong giới hạn cho phép . Ta xét quá trình bắt đõ̀u hãm , lỳc đú tớn hiệu đặt và tín hiợ̀u phản hụ̀i xṍp xỉ nhau nghĩa là:
(1 2).R h (4.1) h 1 2 :quóng thời gian hóm
h: Vọ̃n tụ́c thời điờ̉m bắt đõ̀u quá trình hãm quãng đƣờng hãm lớn nhṍt đƣợc tớnh theo cụng thức : hmax hMax r 2 Max.K . 2 1 ε ω (4.2)
Trong đú: hMax: Gia tụ́c hãm cƣ̣c đại cho trƣớc.
Tƣ̀ (4.1) và (4.2) ta có: hMax.R h hMax r 2 Max h K . K . . 2 1 Chọn R K r 1 hMax K . . 2 K (4.3)
Quóng đƣờng đi đƣợc lúc hãm là: = 2hmax =
ε ω2 r
h.K
(4.4)
Khi tụ̉ng hợp bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí R,ta đã chọn hàm truyờ̀n đạt kiờ̉u PD với hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại Kθ= const. quan hợ̀ tĩnh f() trong quá trình hãm cụng thƣ́c (4.2) đƣợc vẽ trờn hỡnh IV.1 ta thṍy:
Khi cho quãng đƣờng là 1thỡ tốc độ là 1tƣơng ƣ́ng với hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại là K1, khi cho quãng đƣờng là 2mà vẫn giữ nguyờn hệ số K1thỡ tốc độ là
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
nhƣng thƣ̣c chṍt theo quan hợ̀ phi tuyờ́n thì tụ́c đụ̣ là ' 2
.Nghĩa là cầ n hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại K2. Tƣơng tƣ̣ cho quãng đƣờng là 3thỡ cần phải cú K3.Nhƣ vọ̃y khi càng nhỏ thỡ hệ số khuếch đại Rcàng lớn để đạ t đƣợc tụ́c đụ̣ lớn tăng lờn thớch ứng với quỏ trỡnh hóm nhanh theo yờu cầu .
' 0
Hỡnh IV.1: Quan hợ̀ giữa và
Qua phõn tích ta thṍy quan hợ̀ f()là phi tuyến và việc chọn Rchỉ chứa hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại Kθ= const là khụng hợp lý. Đờ̉ giải quyờ́t vṍn đờ̀ này nghĩa là phải thƣ̣c hiợ̀n bụ̣ điờ̀u khiờ̉n phi tuyờ́n . Trong bản luọ̃n văn này tụi đờ̀ xuṍt phƣơng pháp dựng bộ điờ̀u khiờ̉n mờ kờ́t hợp với bụ̣ điờ̀u khiờ̉n PID.
Qua phõn tích trờn đã cho ta thṍy mụ̣t cách nhìn tụ̉ng quan vờ̀ hợ̀ điờ̀u khiờ̉n vị trớ trong cụng nghiệp.
Cỏc khõu trong hệ điều khiển vị trớ đều đƣợc phõn tớch và mụ hỡnh húa , tuyờ́n tớnh húa khi cần thiết, phục vụ cho quỏ trỡnh mụ phỏng hệ thống.
Hợ̀ điờ̀u khiờ̉n phi tuyờ́n đƣợc thiờ́t kờ́ theo phƣơng pháp kinh điờ̉n đó đã đƣợc tụ̉ng hợp dƣ̣a vào các tiờu chuõ̉n mụdul tụ́i ƣu đụ́i xƣ́ng nhằm đạt đƣợc chṍt lƣợ ng điờ̀u khiờ̉n tụ́t nhṍt.
Tuy vọ̃y ta đã chƣ́ng minh đƣợc đặc tính điờ̀u khiờ̉n của hệ điờ̀u khiờ̉n vị trí là phi tuyờ́n nờn đờ̉ nõng cao chṍt lƣợng điờ̀u khiờ̉n của hợ̀ thụ́ng thì thƣ̣c hiợ̀n mụ̣t bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí phi tuyờ́n là cõ̀ n thiờ́t và vụ cùng cṍp bách. Đặc biệt khi cần thiết kế
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
cỏc hệ điều khiển vị trớ đỏp ứng đƣợc cỏc chỉ tiờu chất lƣợng cao và rất cao về thời gian quá đụ̣ ngắn, đụ̣ chính xác cao …
IV.2 Cỏc bộ điều khiển mờ
IV.2.1. Phƣơng phỏp tổng hợp kinh điển
Trƣớc khi đi vào việc phõn tớch và tổng hợp cỏc bộ điều khiển mờ, cũng cần lƣợc qua một cỏch nhắn ngọn cỏc phƣơng phỏp tổng hợp kinh điển, vỡ đứng trờn một phƣơng diện nào đú điều này cũng thật là thỳ vị. Phƣơng phỏp kinh điển bao gồm cỏc bƣớc:
1) Xõy dựng mụ hỡnh đối tƣợng đủ chớnh xỏc. 2) Đơn giản hoỏ mụ hỡnh.
3) Tuyến tớnh hoỏ mụ hỡnh tại điểm làm việc.
4) Chọn bộ điều khiển thớch hợp và xỏc định cỏc tớnh chất mà bộ điều khiển phải cú.
Tớnh toỏn cỏc thụng số của bộ điều khiển .
5) Kểm tra bộ điều khiển vừa thiết kế bằng cỏch ghộp mụ hỡnh đối tƣợng điều khiển, nếu kết quả khụng đƣợc nhƣ mong muốn quay lại bƣớc 2 cho đến khi đạt đƣợc kết quả mong muốn.
6) Đƣa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tƣợng thực và kiểm tra quỏ trỡnh làm việc của hệ thống. Nếu chƣa đạt yờu cầu thiết kế lại bộ điều khiển theo cỏc bƣớc từ 1 đến 7 cho đến khi đạt đƣợc cỏc chỉ tiờu chất lƣợng mong muốn.
Nhỡn chung phƣơng phỏp tổng hợp kinh điển thƣờng gặp những khú khăn do việc phải xõy dựng đƣợc mụ hỡnh đối tƣợng trƣớc khi thiết kế cỏc bộ điều khiển. Mặt khỏc cỏc bộ điều khiển phải đựoc thiết kế dựa trờn cơ sở kỹ thuật và đảm bảo tớnh chất phự hợp đối tƣợng của cỏc bộ điều khiển này.
Song trong thực tế khi thiết kế hệ điều khiển mờ khụng nhất thiết phải biết trƣớc mụ hỡnh mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tƣợng qua cỏc biến ngụn ngữ về động học của đối tƣợng, những biến này lại đƣợc phản chiếu qua cỏc biến ngụn ngữ và cỏc nguyờn tắc điều khiển cơ sở của bộ điều khiển mờ. Trong nhiều trƣờng hợp khả năng nhận dạng đối tƣợng qua mụ hỡnh cực kỳ khú khăn và nhiều
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
trƣờng hợp khụng thể thực hiện đƣợc, nờn việc tổng hợp hệ thống điều khiển bằng thiết kế bộ điều khiển mờ cho phộp tiết kiệm rất nhiều cụng sức giỏ thành lại rẻ. Đú là điểm mạnh của điều khiển mờ trong việc thiết kế cỏc hệ thống điều khiển cỏc đối tƣợng phức tạp, cỏc đối tƣợng mà trong việc xõy dựng mụ hỡnh cực kỳ khú khăn. Ngay cả đối với cỏc đối tƣợng điều khiển đơn giản quy trỡnh thiết kế hệ thống mờ cũng ngắn hơn so với quy trỡnh thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển.
IV.2.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh.
Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ cú quan hệ vào/ra y(x) liờn hệ nhau theo một phƣơng trỡnh đại số (tuyến tớnh hoặc phi tuyến). Cỏc bộ điều khiển tĩnh điển hỡnh là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trớ, ba vị trớ…Một trong cỏc dạng hay dựng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ tuyến tớnh từng đoạn, nú cho phộp ta thay đổi mức độ điều khiển trong cỏc phạm vi khỏc nhau của quỏ trỡnh, do đú nõng cao đƣợc chất lƣợng điều khiển.
Bộ điều khiển mờ tĩnh cú ƣu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nú cú nhƣợc điểm là chất lƣợng điều khiển khụng cao vỡ chƣa đề cập đến cỏc trạng thỏi động (vận tốc, gia tốc…) của quỏ trỡnh, do đú nú chỉ đƣợc sử dụng trong cỏc trƣờng hợp đơn giản.
IV.2.3. Bộ điều khiển mờ động.
Một trong cỏc dạng hay dựng của bộ điều khiển mờ mà đầu vào cú xột tới cỏc trạng thỏi động của đối tƣợng. Vớ dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thỡ đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tớn hiệu sai lệch e theo thời gian cũn cú cỏc đạo hàm của sai lệch giỳp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời cỏc biến động đột xuất của đối tƣợng. Cỏc bộ điều khiển mờ động hay đƣợc dựng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tớch phõn, tỉ lệ vi phõn và tỉ lệ vi tớch phõn (I, PI, PD và PID).
a. Bộ điều khiển theo luật I.
Một bộ điều khiển mờ theo luật I cú thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tớnh) bằng cỏch mắc nối tiếp một khõu tớch phõn kinh điển vào trƣớc hoặc sau khối mờ đú. Do tớnh phi tuyến của hệ mờ, nờn
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
việc mắc khõu tớch phõn trƣớc hay sau hệ mờ hoàn toàn khỏc nhau. Cụ thể ở đõy ta lấy vớ dụ khõu tớch phõn đƣợc mắc ở đầu ra hệ mờ. Hỡnh IV.2.
Hỡnh IV.2: Hệ điều khiển mờ theo luật I.
b. Bộ điều khiển theo luật PD
Khi mắc nối tiếp ở đầu vào một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khõu vi phõn sẽ cú đƣợc một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phõn PD Hỡnh IV.3.
Hỡnh IV.3: Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Thành phần của bộ điều khiển này cũng giống nhƣ bộ điều khiển theo luật PD thụng thƣờng bao gồm sai lệch giữa tớn hiệu chủ đạo và tớn hiệu ra của hệ thống e và đạo hàm của sai lệch e’. Thành phần vi phõn giỳp cho hệ thống phản ứng chớnh xỏc hơn với những biến đổi lớn của sai lệch theo thời gian. Phỏt triển tiếp từ vớ dụ về bộ điều khiển mờ theo luật P thành bộ điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản.
c. Bộ điều khiển theo luật PI.
Bộ điều khiển mờ theo luật PI thụng thƣờng đƣợc sử dụng để triệt tiờu sai lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điờug khiển mờ PI đƣợc thiết kế trờn cơ sở của bộ điều
Thiết bị hợp giải mờ Luật hợp thành Fuzzy húa I Đối tƣợng ET Nhiễu P Bộ điều khiển mờ Đối tƣợng d dt E’ E
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
khiển mờ PD, bằng cỏch mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khõu tớch phõn nhƣ hỡnh Hỡnh IV.4 (a,b).
Hỡnh IV.4(a,b): Hệ điều khiển mờ theo luật PI d. Bộ điều khiển theo luật PID
Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID đƣợc biết đến nhƣ là một giải phỏp đa năng và cú miền ứng dụng rộng lớn. Định nghĩa về bộ điều khiển theo luật PID kinh điển trƣớc đõy vẫn cú thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển mờ theo luật PID đƣợc thiết kế theo hai thuật toỏn:
- Thuật toỏn chỉnh định PID mờ hoặc. - Thuật toỏn PID tốc độ.
Bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế theo thuật toỏn chỉnh định PID cú 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tớn hiệu chủ đạo và tớn hiệu ra, đạo hàm và tớch phõn của sai lệch. Đầu ra của bộ điều khiển mờ chớnh là tớn hiệu điều khiển u(t).
e dt d T e.dt T 1 e K t u t 0 D I (4.5) Với thuật toỏn PID tốc độ, bộ điều khiển PID cú 3 đầu vào: sai lệch e giữa tớn hiệu đầu vào và tớn hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc nhất e’ và đạo hàm bậc hai e’’ của sai lệch. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm
dt du
của tớn hiệu điều khiển u(t). Bộ điều khiển mờ Đối tƣợng E b) Bộ điều khiển mờ Đối tƣợng E a)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn e dt d e T 1 e dt d K dt du 2 2 I (4.6) Do trong thực tế thƣờng cú một hoặc hai thành phần trong (4.5), (4.6) đƣợc bỏ qua nờn thay vỡ thiết kế một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh ngƣời ta lại thƣờng tổng hợp cỏc bộ điều khiển PI hoặc PD.
Bộ điều khiển PID mờ đƣợc thiết kế trờn cơ sở của bộ điều khiển PD mờ bằng cỏch mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khõu tớch phõn hỡnh IV.5.
Hỡnh IV.5: Hệ điều khiển mờ PID.
Cho đến nay, nhiều dạng cấu trỳc của PID mờ hay cũn đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ ba thành phần đó đƣợc nghiờn cứu. Cỏc dạng cấu trỳc này thƣờng đƣợc thiết lập trờn cơ sở tỏch bộ điều chỉnh PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI (hoặc I). Việc phõn chia này chỉ nhằm mục đớch thiết lập cỏc hệ luật cho PD và PI (hoặc I) gồm hai (hoặc 1) biến vào, một biến ra, thay vỡ phải thiết lập ba biến vào. Hệ luật cho bộ điều chỉnh PID mờ kiểu này thƣờng dựa trờn ma trận do MacVicar-whelan đề xuất. Cấu trỳc này khụng làm giảm số luật mà chỉ đơn giản cho việc tớnh toỏn.
Với cỏc nghiờn cứu trờn cú thể rỳt ra cỏc nhận xột sau:
Bộ điều khiển PI mờ cho đặc tớnh động học lý tƣởng. Ở chế độ tĩnh, bộ điều khiển PI mờ cú khẳ năng triệt tiờu sai lệch tĩnh.
Bộ điều khiển P mờ cho đặc tớnh động học tƣơng đối tốt, nhƣng ở chế độ xỏc lập hệ thống lại tồn tại sai lệch tĩnh, hay núi một cỏch khỏc là độ chớnh xỏc của hệ thống kộm hơn so với việc sử dụng bộ điều khiển PI mờ.
Sự ghộp nối giữa cỏc khõu tuyến tớnh với hệ mờ (khõu phi tuyến) đó cho ra đời cỏc bộ điều khiển với những tớnh chất rất hoàn hảo và đó tạo ra một khả năng mới trong kỹ thuật điều khiển tự động, đú là điều khiển cỏc đối tƣợng phức tạp, cỏc đối
Bộ điều khiển mờ d dt E’ E Đối tƣợng I
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
tƣợng mà cho đến nay việc khống chế nú hoàn toàn khú khăn và hầu nhƣ khụng điều khiển đƣợc theo phƣơng phỏp kinh điển. Ở đõy cũng khẳng định đƣợc một bộ điều khiển mờ đơn giản cũng cú thể điều khiển tốt một đối tƣợng phi tuyến phức tạp.
Một điều lý thỳ là cỏc bộ điều khiển mờ cho phộp lập lại cỏc tớnh chất của cỏc bộ điều khiển kinh điển. Việc lặp lại cỏc tớnh chất của bộ điều khiển kinh điển trong kỹ thuật mờ do nhiều yếu tố cũng rất đƣợc quan tõm. Cỏc bộ điều khiển P, PI hoặc PID đó điều khiển đƣợc cỏc đối tƣợng kỹ thuật rất hoàn thiện và cho đặc tớnh động học của toàn bộ hệ thống rất tốt. Nhƣng để xử lý thờm cỏc tớn hiệu đo và tăng thờm khả năng chuẩn đoỏn cho hệ thống, cần thay thế ở bƣớc đầu tiờn bộ điều khiển kinh điển bằng bộ điều khiển mờ và phỏt triển thờm hệ điều khiển dựa trờn cơ sở của bộ điều khiển mờ này để cú đƣợc cỏc tớnh chất điều khiển mong muốn.
Cựng với kỹ thuật mờ, cỏc bộ điều khiển chung cho phộp tạo ra một khả năng điều khiển đối tƣợng phong phỳ và đa dạng.
Cỏc bộ điều khiển mờ cho phộp thiết kế rất đa dạng, vỡ qua việc tổ chức cỏc nguyờn tắc điều khiển và chọn tập mờ cho cỏc biến ngụn ngữ cho phộp thiết kế cỏc bộ điều khiển mờ khỏc nhau. Một điểm quan trọng nữa là khối lƣợng cụng việc cần thực hiện khi thiết kế cần một bộ điều khiển mờ hoàn toàn khụng phụ thuộc vào đặc tớnh của đối tƣợng cú tuyến tớnh hay khụng tuyến tớnh. Điều đú cú nghĩa là quỏ trỡnh xử lý của một bộ điều khiển mờ với những nguyờn tắc điều khiển cho cỏc đối tƣợng cú đặc tớnh động học khỏc nhau hoàn toàn nhƣ nhau.
IV.3. Bộ điều khiển mờ lai PID. IV.3.1. Giới thiệu chung.
Hệ mờ lai (Fuzzy- hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đú thiết bị điều khiển bao gồm 2 thành phần:
- Phần thiết bị điều khiển rừ (thƣờng là bộ điều khiển kinh điển PID) - Phần thiết bị điều khiển mờ.
Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phỏt huy đƣợc ƣu điểm của cả bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rừ. Ta xột hệ thống điều khiển cú hai cấu trỳc vũng, một trong
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
hai vũng điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ. Vỡ vậy cú hai khả năng kết hợp là: - Khả năng 1: Bộ điều khiển mờ đƣợc sử dụng ở mạch vũng điều khiển trong; mạch vũng điều khiển ngoài sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID. Bộ điều khiển mờ lai xõy dựng theo phƣơng phỏp này đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ lai kinh điển.
- Khả năng 2: Bộ điều khiển kinh điển PID đƣợc sử dụng ở mạch vũng điều khiển trong; mạch vũng điều khiển ngoài sử dụng bộ điều khiển mờ để bự tham số