ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN

Vị trớ cỏnh hướng

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN

ĐỘNG ĐIỀU TỐC MÁY PHÁT THỦY ĐIỆN

IV.1 Tính phi tuyờ́n của bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí.

Bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá đụ̣ ngắn, đụ̀ng thời đụ̣ chính xác tĩnh nằm trong giới hạn cho phép. Ta xét quá trình bắt đõ̀u hãm, lúc đó tín hiợ̀u đặt và tín hiợ̀u phản hụ̀i xṍp xỉ nhau nghĩa là:

(ϕ1 −ϕ2).Rϕ ≈ ωh (4.1) ∆ϕh =ϕ1 −ϕ2 :quãng thời gian hãm

ωh: Vọ̃n tụ́c thời điờ̉m bắt đõ̀u quá trình hãm quãng đường hãm lớn nhṍt được tính theo cụng thức :

∆ϕhmax hMax r 2 Max.K . 2 1 ε ω = (4.2)

Trong đó: εhMax: Gia tụ́c hãm cực đại cho trước. Từ (4.1) và (4.2) ta có: εhMax.Rϕ ≈ωh

hMax r 2 Max h K . K . . 2 1 ε ω = ω ⇒ ϕ Chọn Rϕ = Kϕ r 1 hMax K . . 2 K ω ε = ⇒ ϕ (4.3) Quãng đường đi được lúc hãm là:

∆ϕ = 2∆ϕhmax =

ε ω2 r

h.K

(4.4)

Khi tụ̉ng hợp bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí Rϕ,ta đã chọn hàm truyờ̀n đạt kiờ̉u PD với hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại Kφ= const. quan hợ̀ tĩnh ω=f(∆ϕ) trong quá trình hãm cụng thức (4.2) được vẽ trờn hình IV.1 ta thṍy:

Khi cho quãng đường là ∆ϕ1thì tụ́c đụ̣ làω1tương ứng với hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại là Kϕ1, khi cho quãng đường là ∆ϕ2mà võ̃n giữ nguyờn hợ̀ sụ́ Kϕ1thì tụ́c đụ̣ là ω2

nhưng thực chṍt theo quan hợ̀ phi tuyờ́n thì tụ́c đụ̣ là ω'2.Nghĩa là cõ̀n hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại Kϕ2. Tương tự cho quãng đường là ∆ϕ3thì cõ̀n phải có Kϕ3.Như vọ̃y khi ∆ϕ

càng nhỏ thì hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại Rϕcàng lớn đờ̉ đạt được tụ́c đụ̣ lớn tăng lờn thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yờu cõ̀u.

ωω1 ω1 ω3 ω2 ω2' 0 ∆ϕ3 ∆ϕ2 ∆ϕ1 ∆ϕ Κϕ3 Κϕ2 Κϕ1 ∆ω

Hình IV.1: Quan hợ̀ giữa ∆ϕ và ω

Qua phõn tích ta thṍy quan hợ̀ ω=f(∆ϕ)là phi tuyờ́n và viợ̀c chọn Rϕchỉ chứa hợ̀ sụ́ khuờ́ch đại Kφ= const là khụng hợp lý. Đờ̉ giải quyờ́t vṍn đờ̀ này nghĩa là phải thực hiợ̀n bụ̣ điờ̀u khiờ̉n phi tuyờ́n. Trong bản luọ̃n văn này tụi đờ̀ xuṍt phương pháp dùng bụ̣ 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 trí trong cụng nghiợ̀p.

Các khõu trong hợ̀ điờ̀u khiờ̉n vị trí đờ̀u được phõn tích và mụ hình hóa, tuyờ́n tính hóa khi cõ̀n thiờ́t, phục vụ cho quá trình mụ phỏng hợ̀ thụ́ng.

Hợ̀ điờ̀u khiờ̉n phi tuyờ́n được thiờ́t kờ́ theo phương pháp kinh điờ̉n đó đã được tụ̉ng hợp dựa vào các tiờu chuõ̉n mụdul tụ́i ưu đụ́i xứng nhằm đạt được chṍt lượng điờ̀u khiờ̉n tụ́t nhṍt.

Tuy vọ̃y ta đã chứng minh được đặc tính điờ̀u khiờ̉n của hệ điờ̀u khiờ̉n vị trí là phi tuyờ́n nờn đờ̉ nõng cao chṍt lượng điờ̀u khiờ̉n của hợ̀ thụ́ng thì thực hiợ̀n mụ̣t bụ̣ điờ̀u khiờ̉n vị trí phi tuyờ́n là cõ̀n thiờ́t và vụ cùng cṍp bách. Đặc biợ̀t khi cõ̀n thiờ́t kờ́

các hợ̀ điờ̀u khiờ̉n vị trí đáp ứng được các chỉ tiờu chṍt lượng cao và rṍt cao vờ̀ thời gian quá đụ̣ ngắn, đụ̣ chính xác cao …

IV.2 Cỏc bộ điều khiển mờ

IV.2.1. Phương phỏp tổng hợp kinh điển

Trước khi đi vào việc phõn tớch và tổng hợp cỏc bộ điều khiển mờ, cũng cần lược qua một cỏch nhắn ngọn cỏc phương phỏp tổng hợp kinh điển, vỡ đứng trờn một phương diện nào đú điều này cũng thật là thỳ vị. Phương phỏp kinh điển bao gồm cỏc bước:

1) Xõy dựng mụ hỡnh đối tượng 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 tượng điều khiển, nếu kết quả khụng được như mong muốn quay lại bước 2 cho đến khi đạt được kết quả mong muốn.

6) Đưa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực và kiểm tra quỏ trỡnh làm việc của hệ thống. Nếu chưa đạt yờu cầu thiết kế lại bộ điều khiển theo cỏc bước từ 1 đến 7 cho đến khi đạt được cỏc chỉ tiờu chất lượng mong muốn.

Nhỡn chung phương phỏp tổng hợp kinh điển thường gặp những khú khăn do việc phải xõy dựng được mụ hỡnh đối tượng trước 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 tượng của cỏc bộ điều khiển này.

Song trong thực tế khi thiết kế hệ điều khiển mờ khụng nhất thiết phải biết trước mụ hỡnh mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tượng qua cỏc biến ngụn ngữ về động học của đối tượng, những biến này lại được phản chiếu qua cỏc biến ngụn ngữ và cỏc nguyờn tắc điều khiển cơ sở của bộ điều khiển mờ. Trong nhiều trường hợp khả năng nhận dạng đối tượng qua mụ hỡnh cực kỳ khú khăn và nhiều

trường hợp khụng thể thực hiện được, 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 tượng phức tạp, cỏc đối tượng mà trong việc xõy dựng mụ hỡnh cực kỳ khú khăn. Ngay cả đối với cỏc đối tượng 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 phương 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 được chất lượng điều khiển.

Bộ điều khiển mờ tĩnh cú ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nú cú nhược điểm là chất lượng điều khiển khụng cao vỡ chưa đề cập đến cỏc trạng thỏi động (vận tốc, gia tốc…) của quỏ trỡnh, do đú nú chỉ được sử dụng trong cỏc trường 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 tượng. 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 tượng. Cỏc bộ điều khiển mờ động hay được 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 trước hoặc sau khối mờ đú. Do tớnh phi tuyến của hệ mờ, nờn

việc mắc khõu tớch phõn trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khỏc nhau. Cụ thể ở đõy ta lấy vớ dụ khõu tớch phõn được 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 được 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 như bộ điều khiển theo luật PD thụng thường 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 thường được sử dụng để triệt tiờu sai lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điờug khiển mờ PI được thiết kế trờn cơ sở của bộ điều

Thiết bị hợp giải mờ Luật hợp thành

Fuzzy

hóa I Đối tượng

ET Nhiễu

P

Bộ điều

khiển mờ Đối tượng d

dt E’

khiển mờ PD, bằng cỏch mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khõu tớch phõn như 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 được biết đến như là một giải phỏp đa năng và cú miền ứng dụng rộng lớn. Định nghĩa về bộ điều khiển theo luật PID kinh điển trước đõy vẫn cú thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai thuật toỏn:

- Thuật toỏn chỉnh định PID mờ hoặc. - Thuật toỏn PID tốc độ.

Bộ điều khiển mờ được 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 tượng E ∫ b) Bộ điều khiển mờ Đối tượng E ∫ a)

( )     + + = e dt d e T 1 e dt d K dt du 2 2 I (4.6) Do trong thực tế thường cú một hoặc hai thành phần trong (4.5), (4.6) được bỏ qua nờn thay vỡ thiết kế một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh người ta lại thường tổng hợp cỏc bộ điều khiển PI hoặc PD.

Bộ điều khiển PID mờ được 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 được gọi là bộ điều khiển mờ ba thành phần đó được nghiờn cứu. Cỏc dạng cấu trỳc này thường được 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 thường 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 tưởng. 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 tương đối tốt, nhưng 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

Bộ điều khiển mờ d dt E’ E Đối tượng I

tượng mà cho đến nay việc khống chế nú hoàn toàn khú khăn và hầu như khụng điều khiển được theo phương phỏp kinh điển. Ở đõy cũng khẳng định được một bộ điều khiển mờ đơn giản cũng cú thể điều khiển tốt một đối tượng 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 được quan tõm. Cỏc bộ điều khiển P, PI hoặc PID đó điều khiển được cỏc đối tượng kỹ thuật rất hoàn thiện và cho đặc tớnh động học của toàn bộ hệ thống rất tốt. Nhưng để xử lý thờm cỏc tớn hiệu đo và tăng thờm khả năng chuẩn đoỏn cho hệ thống, cần thay thế ở bước 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 được 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 tượng 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 lượng cụng việc cần thực hiện khi thiết kế cần một bộ điều khiển mờ hoàn toàn khụng phụ thuộc vào đặc tớnh của đối tượng 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 tượng cú đặc tớnh động học khỏc nhau hoàn toàn như 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 (thường là bộ điều khiển kinh điển PID) - Phần thiết bị điều khiển mờ.

Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phỏt huy được ưu 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

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 được 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 phương phỏp này được gọi là bộ điều khiển mờ lai kinh điển.

- Khả năng 2: Bộ điều khiển kinh điển PID được sử dụng ở mạch vũng điều khiển trong; mạch vũng điều khiển ngoài sử dụng bộ điều khiển mờ để bự tham số