Đang tải... (xem toàn văn)
ứng dụng giải thuật bầy đan để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.ứng dụng giải thuật bầy đan để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Ứng dụng giải thuật bầy đàn để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Optimal Gain Tuning of PI Controller For Induction Motor Using Particle Swarm Optimization 1 Huỳnh Đức Chấn Trường ĐH Lạc Hồng Đồng Nai e-Mail: Huynhducchan@yahoo.com 2 Lê Thị Thanh Hoàng Trường ĐH SPKT TPHCM e-Mail: hoangltt@yahoo.com 3 Nguyễn Minh Tâm Trường ĐH SPKT TPHCM e-Mail: tamnguyenspkt@gmail.com Tóm tắt Bài báo trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field Orientated Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn (Particle swarm optimization- PSO) để xác định thông số bộ điều khiển PID. Phương pháp FOC và giải thuật xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp cổ điển Ziegler - Nichols và bằng giải thuật tối ưu bầy đàn PSO được trình bày chi tiết trong bài báo này. Để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật, bài báo này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink để mô phỏng điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp Ziegler - Nichols và giải thuật bầy đàn. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID với thông số được xác định bằng giải thuật PSO hoạt động tốt. Abstract: This paper presents field oriented control (FOC) of induction motor (IM) and Particle swarm optimazation algorithm. It presents in details about tuning of PID controller using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO) methods. Constructing the control model and checking the correctness of model are also included in this paper. This paper uses the programe language MATLAB SIMULINK for tuning of PID controller of induction motor using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO). The simmulation results show that the proposed method has good performance. Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa i best G vị trí tốt nhất của cá thể trong quần thể i sd , i sq A dòng điện dọc trục và ngang trục của từ thông rotor K gh độ lợi giới hạn i best P vị trí tốt nhất của cá thể thứ i u sd , u sq V điện áp dọc trục và ngang trục của từ thông rotor , ss uu V điện áp dọc trục và ngang trục của stator () , t im v vận tốc cá thể thứ i ở lần lặp lại thứ t () , t im x vị trí cá thể thứ i ở lần lặp lại thứ t s , r rad/s vận tốc góc stator vận tốc góc rotor rd Vs thành phần dọc của từ thông rotor Chữ viết tắt FOC Field Oriented Control PID Proportional-integral-derivative PSO Particle Swarm Optimazation ZN Ziegler – Nichols 332 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 1. Phần mở đầu Hiện nay phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC) được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập. FOC là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trưng là các vector. Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hướng việc khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khảo sát của động cơ một chiều. Tuy nhiên do hệ động lực của động cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định nên việc điều khiển động cơ theo các phương pháp cổ truyền có cảm biến hay không có cảm biến đều không đảm bảo chất lượng khi có tải thay đổi lớn. Trong trường hợp này các phương pháp điều khiển thích nghi [7], phương pháp điều khiển PID kết hợp với mạng nơron, thuật toán di truyền (PID- GA) hoặc thuật toán bầy đàn (PID-PSO: Particle swarm optimization) [4], [5], [8] là phương pháp điều khiển tối ưu. 2. Nội dung chính 2.1. Nội dung phương pháp FOC Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày như hình 1. [1], [2] H. 1 Cấu trúc cơ bản của FOC Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (d – q), vector dòng stator s i sẽ chia thành hai thành phần sd i và sq i , thành phần sd i điều khiển từ thông rotor còn thành phần sq i điều khiển moment quay. [1], [3] Trên hệ tọa độ qd dòng sd i được coi là đại lượng điều khiển cho từ thông rotor, tuy nhiên giữa hai đại lượng tồn tại khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian r T . [1] sd r m rd i sT L . 1 (1) Từ các giá trị đo được sd i , sq i và ta tính được góc . ' . sq r r rd sr s i T s (2) 2.2. Vector không gian và các đại lương ba pha 2 2.1. Hệ tọa độ cố định stator () Bằng cách chiếu vector không gian lên hai truc tọa độ ( -β) [1]. Ta có thành phần vector điện áp trong hệ trục tọa độ ( -β): scsbsbsas sas uuuuu uu 3 1 2 3 1 (3) H. 2 Hệ tọa độ stator (α - β) 2.2.2. Hệ tọa độ từ thông rotor ()dq Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (α – β) ta xét thêm một tọa độ thứ hai có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc s so với hệ tọa độ stator. [1] H. 3 Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) Từ hình trên ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa hai tọa độ như sau: [2] ssqssds ssqssds uuu uuu cossin sincos (4) Tương tự, ta có: sssssq sssssd uuu uuu cossin sincos (5) 333 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 H. 4 Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) Trong hệ tọa độ từ thông rotor, thành phần từ thông rotor trên trục (q) có giá trị là 0 do vuông góc với từ thông rotor trùng với trục (d), do đó từ thông rotor chỉ còn thành phần theo trục (d) và là đại lượng một chiều. [1] 2.3. Điều chỉnh bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler Nichols Phương pháp thực nghiệm Ziegler - Nichols để xác định tham số bộ điều khiển PID như sau: [4] H. 5 Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại sau đó tăng K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định. Lúc này ta có K gh và T gh . Tham số cho bộ điều khiển PID chọn như sau: PI: K P = 0.45*K gh , T I = T gh /1.2 PID: K P = 0.6*K gh , T I = T gh /2, T D = T gh /8 Với / I P I K K T và * I P D K K T 2.4. Tổng quan về giải thuật bầy đàn (PSO) PSO là một kỹ thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên dựa trên một quần thể và sau đó tìm nghiệm tối ưu bằng cách cập nhật các thế hệ, được phát triển bỡi Dr.Eberhart và Dr.Kennedy (1995) phỏng theo hành vi của các bầy chim hay các đàn cá trong quá trình tìm kiếm thức ăn. [4], [5]. Mỗi cá thể trong quần thể cập nhật vị trí của nó theo vị trí tốt nhất của nó và của cá thể trong quần thể tính tới thời điểm hiện tại [4]. Quá trình cập nhật các particles dựa trên công thức sau: ( 1) ( ) ( ) ( ) , , 1 , , 2 , . * ()*( ) * ()*( ) t t t t i m i m i m i m m i m v wv c rand Pbest x c Rand Gbest x (6) ( 1) ( ) ( 1) , , , ; 1,2, , ; 1,2, t t t i m i m i m x x v i n m d (7) Trong đó: n: Số lượng bầy đàn; d: Kích thước quần thể (dimension); t: Số lần lặp lại; v i,m (t) : Vận tốc của phần tử thứ i ở lần lặp lại thứ t; w: Hệ số trọng lượng quán tính; c 1 ,c 2 : Hệ số gia tốc; Rand (): Là một số ngẫu nhiên trong khoảng (0,1); x i,m (t) : Vị trí của phần tử thứ i ở lần lặp thứ t. Khái niệm về sự thay đổi những điểm tìm kiếm của giải thuật PSO được biễu diễn ở hình 6. H. 6 Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO Trong đó: X k : Vị trí cá thể ở thời điểm hiện tại; X k+1 : Vị trí cá thể đã được cập nhật; V k : Vận tốc cá thể ở thời điểm hiện tại; V k+1 : Vận tốc cá thể đã được cập nhật; V Pbest : Vận tốc theo P best ; V Gbest : Vận tốc theo G best 2.5. Điều chỉnh PID theo phương pháp bầy đàn Hàm mục tiêu: Là hàm dùng để đánh giá các lời giải của bài toán, tùy vào từng bài toán mà hàm mục tiêu khác nhau. Do yêu cầu mong muốn là tối thiểu hoá sai số ngõ ra nên hàm mục tiêu có thể chọn như sau: 2 0 ()Fitness e t dt (8) Một bộ điều khiển PID sử dụng giải thuật PSO để hiệu chỉnh tham số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha như hình 7. [5] H. 7 Cấu trúc Bộ điều khiển PID-PSO Trong giải thuật PSO thì mỗi phần tử sẽ chứa 2 tham số K p , K i , điều đó có nghĩa là không gian tìm kiếm là hai tham số trên, từ đó ta sẽ có lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PID-PSO như sau: Step 1: Khởi tạo cho mỗi cá thể thứ i trong quần thể: Step 1.1: Khởi tạo giá trị vị trí (X k ) cho từng cá thể trong quần thể với giá trị vị trí ngẫu nhiên. Step 1.2: Khởi tạo giá trị vận tốc V k . Step 2: Chạy mô hình Pbest i V i Pbest Gbest i X i k+1 V i k+1 V i Gbest X i k V i k Tốc độ đặt Tốc độ ngõ ra - . Bộ điều khiển PID K P K I K D PID ĐCKĐB 3 Pha PSO Hàm mục tiêu 334 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Step 2.1: Chạy mô hình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha với những tham số đã thiết lập trước. Step 2.2: Tìm tham số K P và K I của bộ điều khiển PI. Step 2.3: Tìm hàm mục tiêu. Step 2.4: Đánh giá hàm vị trí X k theo giá trị hàm mục tiêu (fitness). Step 3: Cập nhật lại giá trị vị trí và vận tốc cho từng cá thể: Step 3.1: Cập nhật giá trị vận tốc và vị trí theo công thức (6) và (7). Step 3.2: Đánh giá hàm mục tiêu (fitness) Step 3.3: Nếu fitness < Pbest_fitness thì Pbest = X k , Pbest_fitness = fitness. Step 3.4: Cập nhật giá trị Gbest cho từng cá thể tương ứng với vị trí nhỏ nhất hiện tại của hàm mục tiêu trong quần thể. Step 4: Tìm giá trị phần tử mới Nếu giá trị của phần tử mới tốt hơn giá trị tốt nhất của phần tử trước đó trong bầy đàn, thì thay thế giá trị tốt nhất trước đó bằng giá trị mới hiện tại. Step 5: Lặp lại bước 2 cho đến khi đã đủ số lần lặp lại. Mục tiêu của phương pháp hiệu chỉnh PID dùng giải thuật PSO là: [5] Cực tiểu hoá hàm mục tiêu. Tìm được bước đáp ứng của hệ thống và làm giảm sai số. Lập lại các bước thực hiện cho đến khi đủ số bước lặp lại. 2.6. Kết quả mô phỏng 2.6.1. Thông số của động cơ khi chạy bằng Matlab/Simulink Các thông số mô phỏng được cho như sau: R s = 1,723 (Ohm): Điện trở stator. R r = 2,001 (Ohm): Điện trở rotor. L s = 0,1666 (H): Điện cảm stator. L r = 0,169 (H): Điện cảm rotor. L m = 0,1592 (H): Điện cảm hỗ cảm. p = 2: Số đôi cực. J = 0,001 (Kg.m 2 ): Moment quán tính. w ref = 200 (rad/s): Tốc độ đặt. U 1dm = 220 (V): Điện áp định mức. I 1dm = 2,73 (A): Dòng điện định mức. I max = 7 (A): Dòng điện lớn nhất. M max = 14,8 (Nm): Moment lớn nhất. P = 5HP: Công suất của động cơ. U dc = 400 (V): Điện áp DC giới hạn. f = 50 (Hz): Tần số. n= 80: Số lượng bầy đàn. bird_setp =7: Số bước lặp. dim = 2: Không gian tìm kiếm là 2 phần tử K P và K I . w= 0.9: Trọng số quán tính c1= 0.12: Hằng số gia tốc c1 c2= 1.2: Hằng số gia tốc c2 2.6.2. Sơ đồ mô phỏng trên Matlab H. 8 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab 2.6.3. Tham số bộ điểu khiển PID và đáp ứng của tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha: B.1 Tham số bộ điều khiển PID. Phương pháp Độ vọt lố (%) Thời gian xác lập (s) Sai số (%) PID- ZN 10.42 0.42 0.14 PID- PSO 0.68 0.02 0.05 B.2 Đáp ứng tốc độ của động cơ. 2.6. 4. Đồ thị hàm mục tiêu trong quá trình tối ưu: H. 9 Đồ thị hàm mục tiêu 2.6. 5. Đồ thị hàm K P và K I trong quá trình tối ưu: Phương pháp K P K I PID- ZN 0.187 1.484 PID- PSO 8.848 0.417 Giá trị Số vòng lặp (n=80) 335 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 H. 10 Đồ thị hàm K P và K I 2.6.6. Hình ảnh mô phỏng 2.6.6.1. Động cơ khởi động không tải Đáp ứng của động cơ: + Tốc độ đặt 200 (rad/s), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 0 1 : _ 200( / )t s w ref rad s ) + Từ thông đặt là 0.5 (wb), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 5.0_:10 refFist ). + Moment tải đặt là 0 (Nm), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 0:10 c Mt ). H. 11 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo phương pháp ZN H. 12 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo phương pháp PSO 2.6.6.2. Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải Đáp ứng của động cơ: + Tốc độ đặt 200 (rad/s), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 0 1 : _ 200( / )t s w ref rad s ) + Từ thông đặt là 0.5 (wb), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 5.0_:10 refFist ). + Tại thời điểm từ 0 đến 0.5s thì moment tải đặt là 0 (Nm), sau đó đóng tải với moment tải là 5 (Nm) ở thời điểm 0.5 đến 1s. ( 0 0.5 : 0t s Mc ; 0.5 1 : 5( )t s Mc Nm ). H. 13 Dạng sóng đáp ứng tốc độ và moment của động cơ theo phương pháp ZN H. 14 Dạng sóng đáp ứng tốc độ và moment của động cơ theo phương pháp PSO` 2.6.6.3. Động cơ khởi động không tải, sau đó đảo chiều quay Đáp ứng của động cơ: + Tại thời điểm từ 0 đến 0.5s thì tốc độ đặt là 200 (rad/s), sau đó đảo chiều quay với tốc độ đặt là -100 (rad/s) ở thời điểm 0.5 đến 1s . ( 0 0.5 : _ 200( / )t s w ref rad s ; 0.5 1 : _ 100( / )t s w ref rad s ). + Từ thông đặt là 0.5 (wb), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 5.0_:10 refFist ). + Moment tải đặt là 0 (Nm), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( 0:10 c Mt ). Giá trị Số vòng lặp (n=80) Speed (rad/s) Time (Sec) Time (Sec) Speed (rad/s) Speed (rad/s) Torque (Nm) Time (Sec) Speed (rad/s) Torque (Nm) Time (Sec) w ref w w ref w w ref w w ref w M cref M c M cref M c 336 Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 H. 15 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo phương pháp ZN H. 16 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo phương pháp PSO. 3. Kết luận Bài báo này đã sử dụng phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor (FOC), phương pháp hiệu chỉnh PID cổ điển (ZN) và giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) cho điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Thông qua kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulimk cho thấy điều khiển PID với những tham số được xác định bằng giải thuật bầy đàn thì hoạt động tốt hơn phương pháp cổ điển như: Thời gian đáp ứng tốc độ và thời gian xác lập nhanh khoảng 0.02s, độ vọt lố nhỏ 0.68%. Vì thế trong quá trình mở máy thời gian mở máy nhanh. Trong quá trình hoạt động của động cơ, ở những thời điểm thay đổi tải, độ vọt lố cũng như độ sụt dốc ở các đại lượng là không đáng kể. Động cơ có thể hoạt động ở nhiều dãi tốc độ khác nhau. Điều khiển chính xác tốc độ động cơ với sai số nhỏ 0.11 (0.05%). Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2006. [2] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. [3] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. [4] Ayman Saber Elwer, A Novel Technique for Tuning PI-Controllers in InductionMotor Drive Systems for Electric Vehicle Applications, Journal of Power Electronics, Vol. 6, No. 4 2006. [5] Boumediene Allaoua Brahim GASBAOUI and Brahim MEBARKI, Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy Bechar University, Departement of Electrical Engineering, B.P 417 BECHAR (08000) Algeria pp. 19-32. [6] Chao Ou, Weixing Lin, Comparison between PSO and GA for Parameters Optimization of PID Controller, The Faculty of Information Science and Technology University of NingBo University of NingBo, pp. 2471-2475. [7] Jingchuan Li, M.S.E.E, Adaptive sliding mode observer and loss minimization for sensorless field orientation control of induction machine, The Ohio State University, 2005. [8] N. Pillay, A Particle swarm optimization approach for tuning of SISO PID control loops 2008. Huỳnh Đức Chấn sinh năm 1982. Anh nhận bằng Kỹ sư Điện- Điện tử tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM năm 2006, bằng Thạc sỹ Kỹ thuật điện tử năm 2011 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Hiện anh đang là Giảng viên Khoa Điện tử Viễn Thông, Trường Đại Học Lạc Hồng, Đồng Nai. Lê Thị Thanh Hoàng sinh năm 1974. Chị nhận bằng Kỹ sư Điện Khí Hoá và Cung Cấp Điện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh năm 1998, bằng Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tại Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh năm 2003. Hiện chị đang là giảng viên tại Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Nguyễn Minh Tâm sinh năm 1971. Anh nhận bằng Kỹ sư Điện Khí Hoá và Cung Cấp Điện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh năm 1995, bằng Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tại Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh năm 2003, và nhận bằng Tiến sỹ Kỹ thuật tại Trường Đại Học Công Nghệ Sydney, Úc năm 2010. Tiến sỹ Nguyễn Minh Tâm tham gia giảng dạy tại Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh từ năm 1995 đến nay. Hướng nghiên cứu chính là áp dụng kỹ thuật tính toán mềm trong xây dựng mô hình và điều khiển. Speed (rad/s) Time (Sec) Speed (rad/s) Time (Sec) w ref w w ref w 337