Nghiên cứu và ứng dụng điều khiển mờ trong hệ truyền động bám vị trí

Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 75 - 79 75 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM VỊ TRÍ Trần Xuân Tình1, Phạm Tuấn Thành1, Đỗ Huy Khôi2*, Nguyễn Tùng Linh3 1Học viện Kỹ thuật quân sự, 2Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên 3Đại học Điện lực TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha sử dụng biến tần vector bằng bộ điều khiển mờ. Đưa ra được mô tả toán học, mô phỏng cấu trúc hệ kín điều khiển ĐCKĐB, xây dựng bộ điều khiển mờ, mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Kết quả mô phỏng được so sánh với bộ điều khiển PID cho thấy sai lệch vị trí của hệ thống được đảm bảo. Từ khóa: điều khiển động cơ, động cơ ba pha không đồng bộ, bộ điều khiển mờ, PID. ĐẶT VẤN ĐỀ* Hệ truyền động bám xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong quân sự như: cơ cấu ăn dao, tay máy, máy cắt gọt kim loại, truyền động antenĐây là hệ phi tuyến phức tạp, có nhiều tham số nên các bộ điều khiển thông thường khó có thể đáp ứng được. Do đó việc nghiên cứu để đưa ra một bộ điều khiển tối ưu là cần thiết. Bài báo trình bày một phương pháp nghiên cứu mới là thiết kế bộ điều khiển mờ ứng dụng cho ĐCKĐB xoay chiều ba pha roto lồng sóc với mong muốn hệ bám đạt được sự ổn định nhanh, sai lệch nhỏ kể cả khi có thay đổi tham số tải và nhiễu tác động. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA: Phương trình cân bằng điện áp trên các cuộn dây stato và roto dựa trên qui tắc Kirchoft: Đối với stato: A A A A B B B B C C C C d u R i d t d u R i d t d u R i d t ψ ψ ψ  = +   = +   = + (1) Đối với roto: a a a a b b b b c c c c d u R i d t d u R i d t d u R i d t ψ ψ ψ  = +   = +   = + (2) * Tel: Thường các cuộn dây có cấu tạo đối xứng nên RA = RB = RC = RS (RS là điện trở thuần của cuộn dây stato), Ra= Rb = Rc = RR (RR là điện trở thuần của cuộn dây roto). Định luật thứ hai được sử dụng là định luật Ampe. Định luật này biểu diễn mối liên hệ giữa từ thông móc vòng tổng của mỗi cuộn dây với dòng điện chạy qua các cuộn dây. Đối với stato: A AA A AB B AC C Aa a Ab b Ac c B BA A BB B BC C Ba a Bb b Bc c C CA A CB B CC C Ca a Cb b Cc c L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i ψ ψ ψ = + + + + +  = + + + + +  = + + + + + (3) Đối với roto: a aA A aB B aC C aa a ab b ac c b bA A bB B bC C ba a bb b bc c c cA A cB B cC C ca a cb b cc c L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i ψ ψ ψ = + + + + +  = + + + + +  = + + + + + (4) Trong các phương trình LAA, LBB, LCC, Laa, Lbb, Lcc là điện cảm của từng cuộn dây, còn lại là các điện cảm tương hỗ giữa các cặp cuộn dây tương ứng. Định luật thứ ba được sử dụng là định luật II Niutơn. Đây là định luật cân bằng Mômen trên trục động cơ: m t dJ M M dt ω = − r r r (5) Trong đó: J (Kg.m2) là mômen quán tính trên trục động cơ có tính đến quán tính của bản thân động cơ cũng như quán tính của cơ cấu công tác và hộp giảm tốc qui về trục động cơ. mω r (rad/s) là vận tốc góc của động cơ. Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 75 - 79 76 tM r (N.m) là mô men của cơ cấu công tác đặt lên trục động cơ, trong trường hợp tổng quát nó là hàm của tốc độ và góc quay. Định luật cuối cùng được sử dụng là định luật Lenxơ hay qui tắc bàn tay trái. Định luật này nói lên mối liên hệ giữa các đại lượng véctơ là mômen, từ thông móc vòng và dòng điện. ( )M k iψ= ×r rr (6) Tiến hành đơn giản hóa các phương trình trên ta thu được hệ phương trình tổng quát để mô tả động cơ điện không đồng bộ có dạng: ( ) ( ) S S S S k S R R R R k S S S S m R R m S R R i k m L d u r i j d t d u r i j p d t x i x i x i x i m k M od i dT M M d t ψ α ψ ψ α υ ψ ψ ψ ψ υ  = + +   = + + −   = +  = +  = ×   = −  (7) Dựa vào mô hình toán học ĐCKĐB chúng tôi lựa chọn sơ đồ cấu trúc hệ bám vị trí sử dụng biến tần điều khiển véctơ ĐCKĐB roto lồng sóc như sau: Trong sơ đồ trên mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng điện sẽ được cài đặt trong biến tần. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thiết kế bộ điều khiển mờ: Trước hết ta đi xác định các biến ngôn ngữ đầu vào và giải các giá trị tương ứng. Bộ điều khiển mờ xây dựng theo kiểu Mamdani. -Tín hiệu vào: + Sai lệch vị trí (VT) được chọn (-1;1)rad + Đạo hàm vị trí (DHVT) được chọn (-200; 200) rad/s -Tín hiệu ra: + Lượng đặt tốc độ động cơ (N) được chọn (- 1400; 1400) vòng/phút Giá trị ngôn ngữ của các biến ngôn ngữ là: Sai lệch vị trí (âm lớn, âm vừa, không, dương vừa, dương lớn) ký hiệu như sau: VT (AL, AV, K, DV, DL). Đạo hàm sai lệch vị trí (tăng nhanh, tăng vừa, không đổi, giảm vừa, giảm nhanh) ký hiệu như sau: DHVT (TN, TV, K, GV, GN). Tốc độ cần N (ngược lớn, ngược vừa, không, thuận vừa, thuận lớn) ký hiệu lại như sau: N (NL, NV, K, TV, TL). Dạng của hàm liên thuộc được chọn là các hàm tam giác. Luật hợp thành mờ có dạng là các mệnh đề IF... THEN để mờ hóa các kinh nghiệm tư duy điều khiển của con người. Căn cứ số lượng biến ngôn ngữ đầu vào và số lượng các giá trị ngôn ngữ ta có số lượng luật là 5x5 = 25 luật như bảng sau: sυ s qi ∗ sdi ∗ ω ω∗ sdi ∗ s qi ∗ r ψ ω sdi sqi sυ ai ∗ bi ∗ ci ∗ ai bi ci r ψ ∗ M ∗ ϕ ϕ∗ Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám vị trí Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 75 - 79 77 Bảng 1: Luật hợp thành mờ VT AL AV K DV DL D H V T GN NL NL NV K TV GV NL AV NV K TV K NL NV K TV TL TV NV K TV TV TL TN NV K TV TL TL Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển mờ trên phần mềm Matlab-Simulink như sau: Hình 2. Xây dựng bộ điều khiển mờ trong Matlab Hình 3. Mặt truyền đạt vào ra của bộ điều khiển mờ Mô hình hóa hệ thống bằng phần mềm Matlab-Simulink: Hình 4. Mô phỏng hệ truyền động bám vị trí bằng bộ điều khiển mờ Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 75 - 79 78 Kết quả mô phỏng được so sánh giữa hệ truyền động bám sử dụng bộ điều khiển mờ và sử dụng PID truyền thống. Hình 5. Tín hiệu bám với đầu vào là hàm bậc thang Hình 6. Tín hiệu bám với đầu vào thay đổi 50→-50→100→200 Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy tính tác động nhanh, sai lệch bám của hệ truyền động được đảm bảm tốt khi sử dụng bộ điều khiển mờ. So với bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ giúp tín hiệu bám gần như không có độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ ngắn, sai lệch nhỏ. Khi có sự thay đổi tải bên ngoài thì với bộ điều khiển mờ hệ thống vẫn ổn định với sai số 2%, trong khi đó với bộ điều khiển PID thì sai lệch lên tới 40%. KẾT LUẬN Bài báo đã đưa ra được mô tả toán học ĐCKĐB ba pha, xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ truyền động bám vị trí và tiến hành khảo sát trên phần mềm Matlab-Simulink. Qua khảo sát cho thấy tính tác động nhanh và sai lệch bám của hệ thống được đảm bảo. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ bám khi sử dụng bộ điều khiển mờ tốt hơn hẳn so với khi sử dụng bộ điều khiển PID. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội-2004. [2]. Phạm Tuấn Thành, Mô phỏng các hệ điện cơ, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, Hà Nội-2011. [3]. Phạm Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội-2002. [4]. Marco Russo, Fuzzy Theory Systems, Techniques and Applications, vol4, Academic Press. Emeritus, University of Caklifonia, 2000. Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 75 - 79 79 SUMMARY RESEARCH AND APPLICATION OF FUZZY CONTROL IN THE TRANSMISSION STICK POSITION Tran Xuan Tinh1, Pham Tuan Thanh1, Do Huy Khoi2*, Nguyen Tung Linh3 1Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2College of Information Technology and Communication – TNU, 3University of Electricity This paper presents the method of three-phase asynchronous motor control inverter using vector fuzzy controllers. Given the mathematica description, simulation architecture closed asynchronous motor control, construction of fuzzy controller, the simulation in the Matlab-Simulink software. The simulation results are compared with the PID controller shows the incorrect location of the system is guaranteed. Keywords: motor control, three-phase asynchronous motor, fuzzy controllers, PID. Ngày nhận bài:30/11/2012, ngày phản biện:27/12/2012, ngày duyệt đăng:26/3/2013 * Tel: