- 1 - BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THẾ PHÚ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 - 2 - Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1 :……………………………………. Phản biện 2 :……………………………………. Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng - 3 - MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của ñề tài Hiện nay trong các hệ truyền ñộng hiện ñại, ñộng cơ ñiện không ñồng bộ ( ĐCKĐB ) ñang ñược sử rộng rãi. Nguyên lý của ñiều khiển tựa theo từ trường là phương pháp ñược áp dụng nhiều nhất trong các sản phẩm thương mại. Bản chất của ĐCKĐB là một ñối tượng mang ñặc ñiểm phi tuyến cả về cấu trúc lẫn tham số nên trong nhiều trường hợp vẫn có những vấn ñề nảy sinh (ví dụ như khi ñiện trở rotor thay ñổi theo nhiệt ñộ) thì việc sử dụng bộ ñiều chỉnh PID kinh ñiển sẽ không cho kết quả tốt. Điều khiển mờ ñược sử dụng trong ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ ñược cho là giải pháp phù hợp hơn. Đề tài “Ứng dụng ñiều khiển mờ trong ñiều khiển ñộng cơ ñiện không ñồng bộ ” nhằm chỉnh ñịnh các tham số của bộ ñiều chỉnh PID kinh ñiển mỗi khi tham số ñiện trở rotor của ñộng cơ thay ñổi, góp phần giải quyết ñược vấn ñề phức tạp trong cấu trúc truyền ñộng phi tuyến của ĐCKĐB. 2. Ý nghĩa của ñề tài Hướng nghiên cứu về ứng dụng ñiều khiển mờ trong ñiều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc là phương pháp ñiều khiển mới, khắc phục một vài nhược ñiểm của hệ thống thiết kế theo các phương pháp tuyến tính kinh ñiển. Phương pháp ñiều khiển mờ các tham số PID là phương pháp thiết kế bộ ñiều chỉnh có khả năng thay ñổi ñược các thông số ñiều chỉnh PID, từ ñó giúp hệ thống ổn ñịnh trước sự thay ñổi của các tham số trong ñộng cơ. 3. Các mục tiêu của ñề tài - Nghiên cứu ứng dụng ñiều khiển mờ vào việc chỉnh ñịnh các tham số bộ ñiều chỉnh PID trong trường hợp ñiện trở rotor thay ñổi. - 4 - - Xây dựng mô hình và mô phỏng trên Matlab-Simulink. 4. Các nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ñối tượng ĐCKĐB Rotor lồng sóc, mô hình ñộng cơ KĐB Rotor lồng sóc trên hệ tọa ñộ dq. - Nghiên cứu biến tần và các phương pháp ñiều khiển biến tần. - Nghiên cứu cấu trúc của hệ truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha ñiều khiển tựa theo từ thông rotor . - Nghiên cứu về ñiều khiển PID, ñiều khiển mờ và áp dụng ñiều khiển mờ vào việc chỉnh ñịnh các tham số bộ ñiều chỉnh PID. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc sử dụng biến tần ñiều khiển theo nguyên tắc ñiều chế vector không gian. - Phạm vi nghiên cứu là áp dụng ñiều khiển mờ vào việc chỉnh ñịnh tham số PID trong cấu trúc ñiều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc trong trường hợp ñiện trở rotor thay ñổi. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết. - Xây dựng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. - Trên cơ sở các kết quả rút ra các kết luận. 7. Cấu trúc luận văn Mở ñầu Chương 1: Mô hình hóa ñộng cơ KĐB và biến tần Chương 2: Điều khiển hệ thống dùng các bộ ñiều chỉnh PID Chương 3: Giới thiệu về ñiều khiển mờ Chương 4: Điều khiển logic mờ PID ñộng cơ không ñồng bộ Kết luận - 5 - αββ βαα ββαβ σ αβαα σ ωψψ ωψψ σ ψ σ σ ωψ σ σ σ ωψ σ σ ψ σ σ rrsrr rrsrr s s r r rs s s rr r s TipT TipT u LT i T p u LT i T p '')1( '')1( 1 ' 1 ' 1 ) 1 ( 1 ' 1 ' 1 ) 1 ( +=+ −=+ + − + − −=+ + − + − =+ )( 2 3 '' 2 αββα ψψ srsr r m c ii L L pM −= CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ BIẾN TẦN 1.1. Mô hình hóa ñộng cơ không ñồng bộ 1.1.1. Mô tả ñộng cơ không ñồng bộ 1.1.2. Phép chuyển vị tuyến tính không gian vector và hệ phương trình cơ bản của ĐCKĐB trong không gian vector 1.1.2.1. Phép chuyển vị tuyến tính không gian vectơ: 1.1.2.2. Hệ phương trình cơ bản của ñộng cơ trong không gian vector 1.1.3 Mô hình ñộng cơ trên hệ tọa ñộ α αα αβ ββ β Hệ phương trình mô tả ñộng cơ không ñồng bộ trên hệ toạ ñộ αβ: (1-17) (1-18) - 6 - Mô hình ñiện cơ của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ αβ: Hình 1.7 Mô hình ñộng cơ trên hệ toạ ñộ cố ñịnh αβ 1.1.4. Phương trình trạng thái trên hệ tọa ñộ tựa theo từ thông rotor dq Hệ phương trình mô tả ñộng cơ không ñồng bộ trên hệ toạ ñộ dq: rd sq r r sdrdr sq s rdsdssq sd s rqrd r sqssd i T ipT u L iip T u LT iip T ' 1 ')1( 1 ' 1 ) 1 ( 1 ' 1 ' 1 ) 1 ( ψ ω ψ σ ωψ σ σ ω σ ψ σ σ ψ σ σ ω σ σ = =+ + − −−=+ + − + − +=+ (1-23) sqrd r m c i L L pM ' 2 3 2 ψ = (1-24) M C 1-σ σT r T σ 1+pT 1 σL s 1-σ σT r T σ 1+pT 1 σL s 1-σ σL m T r 3p c L m 2L r u s u s β i sα i sβ - - - ψ' rβ ψ' rα M ω 1 1+pT r p c pJ 1 1+pT r - 7 - Mô hình ñiện cơ của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq: Hình 1.10. Hình 1.10 Mô hình ñộng cơ trên hệ tọa ñộ quay dq 1.1.5. Tính phi tuyến của mô hình ĐCKĐB • Cấu trúc phi tuyến: Do sự phụ thuộc vào ω s . • Tham số phi tuyến: Do ñiện cảm phụ thuộctừ thông rotor, ñiện trở rotor thay ñổi theo nhiệt ñộ . • Ngoài ra ĐCKĐB còn có ñặc ñiểm phi tuyến rác: Cấu trúc mạch từ của ñộng cơ không liên tục, hiệu ứng mặt ngoài, dòng ñiện Fucô…. 1.1.6. Mô phỏng ñộng cơ không ñồng bộ • Nguồn xoay chiều ba pha ñối xứng có U p = 220V, f = 50 Hz. • Động cơ KĐB ba pha với các thông số ñịnh mức: - Công suất ñịnh mức P ñm = 7500 (W) - Tốc ñộ ñịnh mức n ñm = 930 (vòng/phút) - Điện áp ñịnh mức U ñm =380 (V) - Tần số ñịnh mức f ñm = 50 (Hz) 1 p 1 T r T σ 1+pT 1 σL s 1 1+pT p c pJ T σ 1+pT 1 σL s 1-σ σ T r 3p c L 2L r u sd u sq i sd i sq - ψ' r M M C e -j θs : u sα u sβ - ω ω s ω r ω θ s - 8 - - Hệ số công suất ñịnh mức cosϕ ñm = 0.83 - Dòng ñiện ñịnh mức I sñm = 17.5 (A) - Điện trở stator R sñm = 0.9 (Ω) - Điện kháng stator X s = 0.663 (Ω) - Dòng ñiện rotor I rñm = 13.6 (A) - Điện trở rotor R r = 0.86 (Ω) - Điện kháng rotor X r = 0.75 (Ω) - Mômen quán tính J = 0.212 (kg.m2) - Số ñôi cực từ P c =3. • Tại thời ñiểm ban ñầu khi mở máy ñộng cơ M c = 0, sau thời gian t = 0,5 (s) momen tải M c tăng lên bằng momen ñịnh mức của ñộng cơ: M c = M ñm = 77 (N.m) a. Mô phỏng ñộng cơ trên hệ tọa ñộ alpha – beta: - 9 - 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 time (s) w (rad/s) dap ung toc do theo tai 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.5 1 1.5 time (s) Fir (Wb) dap ung tu thong theo tai 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 500 time (s) M (N.m) dap ung momen theo tai * Kết quả mô phỏng: b. Mô phỏng ñộng cơ trên hệ tọa ñộ dq: - 10 - 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 time (s) w (rad/s) dap ung toc do theo tai 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.5 1 1.5 time (s) Fir (Wb) dap ung tu thong theo tai 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 500 time (s) M (N.m) dap ung momen theo tai * Kết quả mô phỏng: * Nhận xét các kết quả mô phỏng: Từ các kết quả mô phỏng trên, tác giả nhận xét rằng cả hai mô hình xây dựng trên các hệ tọa ñộ αβ và dq có cùng kết quả mô phỏng với mô hình ñộng cơ có trong thư viện Simpower Systems 1.2. Thiết bị biến tần và các phương pháp ñiều khiển biến tần 1.2.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần 1.2.1.1. Biến tần trực tiếp 1.2.1.2. Biến tần gián tiếp 1.2.2. Mô tả toán học bộ biến tần 1.2.3 Các phương pháp ñiều khiển biến tần 1.2.3.1. Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung PWM 1.2.3.2. Phương pháp ñiều chế vector không gian (SVM) - 11 - CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1. Xây dựng cấu trúc ñiều khiển hệ biến tần – ĐCKĐB Hình 2.2 Cấu trúc ñiều khiển tựa theo từ thông rotor 2.2. Tổng hợp các bộ ñiều chỉnh tuyến tính 2.2.1. Tuyến tính hóa mô hình ĐCKĐB MHTT M i sα Đo tốc ñộ quay Điều chế vector U DC + - = 3 ~ θ i sd i sq i sc u sq u sd u sα i sβ u sβ i * sq i* sd t a t b t c a b c 3 2 αβ dq dq αβ ω ω Ψ rd ω * Ψ * rd i sa i sb R ω R Ψ R I DTT 7 1 2 3 4 5 8 9 1 0 1 1 - - - - ω K m M * Ψ rd 6 e r pT R s s +1 /1 pT L r m +1 Ls x L nm x pT R nm nm +1 /1 r cm L pL 2 3 x Jp p c - - - i sq U sd U sq i sd e sq e sd Ψ rd M M c ω ω s ω r Hình 2.5 Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trong hệ tọa ñộ dq. - 12 - 2 2 221 1 pTpT F cc ch ++ = 3 3 2 2 8841 41 pTpTpT pT F ccc c ch +++ + = s nli s KT L R ω . 2 12 = s nli nm KT L R ω . 2 21 = 2.2.2. Các tiêu chuẩn tổng hợp bộ ñiều chỉnh PID - Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn tối ưu môñun: - Hàm chuẩn tối ưu ñối xứng: 2.2.3. Tổng hợp các bộ ñiều chỉnh PID 2.2.3.1. Tổng hợp hai bộ ñiều chỉnh dòng ñiện tách kênh trực tiếp pTKT L KT L pT L KKT R snli s nli s s s inli 1 .2 2 ) 1 1.(. .2 1 11 +=+= pTKT L KT L pT L KKT R nmnli nm nli nm nm nm inli 1 .2 2 ) 1 1.(. .2 1 22 +=+= 2.2.3.2. Tổng hợp bộ ñiều chỉnh từ thông pTLKTLK T pTLK pT R smsm r sm r ΨΨΨ Ψ += + = 2 1 22 1 2.2.3.3. Tổng hợp bộ ñiều chỉnh tốc ñộ pTKK J KK J pT J KK pT R i i i 2121 21 4 2 1 4 81 += + = ω - 13 - 2.3. Mô phỏng hệ thống dùng Matlab – Simulink * Sơ ñồ cấu trúc hệ thống trên Simulink: • Động cơ KĐB ba pha với các thông số ñịnh mức: - Công suất ñịnh mức P ñm = 7500 (W) - Tốc ñộ ñịnh mức n ñm = 930 (vòng/phút) - Điện áp ñịnh mức U ñm =380 (V) - Tần số ñịnh mức f ñm = 50 (Hz) - Hệ số công suất ñịnh mức cosϕ ñm = 0.83 - Dòng ñiện stator ñịnh mức I sñm = 17.5 (A) - Dòng ñiện không tải I s0m = 11.8 (A) - Điện trở stator R s = 0.9 (Ω) - Điện kháng stator X s = 0.663 (Ω) - Dòng ñiện rotor I rñm = 13.6 (A) - Điện trở rotor R r = 0.86 (Ω) - Điện kháng rotor X r = 0.75 (Ω) - Mômen quán tính J = 0.212 (kg.m2) - Số ñôi cực từ P c =3. - 14 - 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 120 time (s) w*, w (rad/s) DAP UNG TOC DO DONG CO THEO TAI toc do dat toc do thuc 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 50 100 150 200 250 300 time (s) M (N.m) DAP UNG MOMEN DONG CO THEO TAI momen dong co theo tai • Tải của ñộng cơ có momen cản M c thay ñổi như sau: Tại thời ñiểm ban ñầu khi mở máy ñộng cơ M c = 0, sau thời gian t = 2 (s) momen tải M c tăng lên bằng momen ñịnh mức của ñộng cơ: M c = M ñm = 77 (N.m) • Giá trị ñặt cho bộ ñiều chỉnh từ thông: 0.8924 (wb). • Giá trị ñặt cho bộ ñiều chỉnh tốc ñộ: 97.3894 (rad/s) * Kết quả mô phỏng khi R r = 0.86 (Omh) như sau: - Tốc ñộ quay rotor: - Momen quay: - 15 - 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 time (s) Fir*, Fir (wb) DAP UNG TU THONG ROTOR THEO TAI tu thong dat tu thong thuc 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 120 time (s) w*, w (rad/s) DAP UNG TOC DO DONG CO THEO TAI toc do dat toc do thuc 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 50 100 150 200 250 300 time (s) M (N.m) DAP UNG MOMEN DONG CO THEO TAI momen dong co theo tai - Từ thông: * Kết quả mô phỏng khi ñiện trở rotor thay ñổi: R’r = 1.5*Rr - Tốc ñộ quay rotor - Momen quay: - 16 - 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 time (s) Fir*, Fir (wb) DAP UNG TU THONG ROTOR THEO TAI tu thong dat tu thong thuc - Từ thông 2.4. Nhận xét kết quả mô phỏng Từ các kết quả mô phỏng trên ta thấy rằng, trong cấu trúc ñiều khiển tựa theo từ thông rotor hệ biến tần – ñộng cơ không ñồng bộ ba pha sử dụng các khâu ñiều chỉnh tuyến tính theo luật PI, khi ñiện trở mạch rotor thay ñổi sẽ dẫn ñến ñáp ứng các thông số hệ thống như tốc ñộ, từ thông, momen cũng sẽ có sự thay ñổi, mà cụ thể là ñặc tính quá ñộ các thông số này không tốt. Hơn nữa, tốc ñộ ñộng cơ dễ mất ổn ñịnh hơn khi có sự thay ñổi của tải, không ñảm bảo chất lượng ñiều khiển. Điều này phản ánh rằng các khâu ñiều chỉnh PI chỉ thích hợp khi các tham số ñộng cơ là hằng. Thực tế, khi ñộng cơ vận hành, các tham số ñộng cơ cũng sẽ thay ñổi nên các khâu ñiều chỉnh PI sẽ không còn phù hợp nữa, mà cần có một giải pháp ñiều chỉnh khác mang lại chất lượng và hiệu quả hơn. - 17 - CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.1. Tổng quan về ñiều khiển mờ 3.1.1. Định nghĩa tập mờ 3.1.2. Một vài dạng hàm liên thuộc thường ñược sử dụng 3.1.3 Mô hình m ờ Mamdani. 3.2. Cấu trúc bộ ñiều khiển mờ 3.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển mờ Khối luật mờ Khối mờ hóa (fuzzifiers) Khối hợp thà nh Đầu vào X Đầu ra Y Khối giải mờ Hình 3.1 Sơ ñồ khối chức năng của bộ ñiều khiển mờ. µ Luật ñiều khiển Thiết bị hợp thành Giao diện ñầu vào Giao diện ñầu ra Bộ ñiều khiển Đối tượng ñiều khiển Thiết bị ño lường e e y x u u B’ Hình 3.8 C ấ u trúc c ủ a b ộ ñ i ề u khi ể n m ờ c ơ bản - 18 - CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ PID ĐCKĐB 4.1. Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống có ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số PI Các tham số của bộ ñiều chỉnh cần chỉnh ñịnh mờ gồm: K pΨ , K Pω , K iω , K i2 . BỘ CHỈNH ĐỊNH MỜ THIẾT BỊ CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PI ĐỐI TƯỢNG dt de e x y u Hình 4.1 S ơ ñồ c ấ u trúc c ủ a b ộ ñ i ề u khi ể n m ờ ch ỉ nh ñị nh PI Hình 4.2 S ơ ñồ c ấ u trúc c ủ a h ệ th ố ng s ử d ụ ng các khâu ch ỉ nh MHTT M i sα Đo tốc ñộ quay Điều chế vector U DC + - = 3 ~ θ s i sd i sq i sc u sq u sd u sα i sβ u sβ i* sq i* sd t a t c a b c 3 2 αβ dq dq αβ ω Ψ rd ω * Ψ * rd i sa i sb R ω R Ψ R I - - - - ω t b dt d dt d dt d K i2 K pΨ K pω - 19 - 4.2. Xác ñịnh các tín hiệu vào/ra của khâu chỉnh ñịnh mờ 4.2.1. Đố i v ớ i khâu ch ỉ nh ñị nh m ờ c ủ a b ộ ñ i ề u ch ỉ nh t ừ thông R Ψ + Tín hiệu ñầu vào: Đầu vào thứ nhất là sai lệch từ thông e Ψ , ñầu vào thứ hai là tốc ñộ biến thiên sai lệch từ thông. + Tín hiệu ñầu ra: Là hệ số chỉnh ñịnh của K pΨ. 4.2.2. Đố i v ớ i khâu ch ỉ nh ñị nh m ờ c ủ a b ộ ñ i ề u ch ỉ nh t ố c ñộ R ω + Tín hiệu ñầu vào: Đầu vào thứ nhất là sai lệch tốc ñộ e ω , ñầu vào thứ hai là tốc ñộ biến thiên của sai lệch tốc ñộ. + Tín hiệu ñầu ra: Là hệ số chỉnh ñịnh của K pω . 4.2.3. Đố i v ớ i khâu ch ỉ nh ñị nh m ờ c ủ a b ộ ñ i ề u ch ỉ nh dòng R 22 + Tín hiệu ñầu vào: Đầu vào thứ nhất là sai lệch dòng e isq , ñầu vào thứ hai là tốc ñộ biến thiên theo của sai lệch dòng. + Tín hiệu ñầu ra: Là hệ số chỉnh ñịnh của K i2 TT Tín hiệu vào/ra Miền giá trị 1. e Ψ -0.9 0.9 2. de Ψ /dt -0.1 0.1 3. K pΨ 0 70 4. e ω -100 100 5. de ω /dt -10 10 6. K pω 0 400 7. e isq -20 20 8. de isq /dt -2 2 9. K i2 0 4.5 - 20 - 4.3. Xây dựng cấu trúc các bộ ñiều khiển mờ 4.3.1 Xây d ự ng c ấ u trúc cho b ộ ñ i ề u khi ể n m ờ ch ỉ nh ñị nh tham s ố K pΨ c ủ a R Ψ 4.3.2. Xây d ự ng c ấ u trúc cho b ộ ñ i ề u khi ể n m ờ ch ỉ nh ñị nh tham s ố K Pω c ủ a R ω 4.3.3. Xây d ự ng c ấ u trúc cho b ộ ñ i ề u khi ể n m ờ ch ỉ nh ñị nh tham s ố K i2 c ủ a R 22 4.4. Xây dựng luật chỉnh ñịnh mờ các tham số PI • Tổng hợp luật chỉnh ñịnh K p . dt tde )( AL AN K DN DL AL L L L L L AN NH NH NH TB L K L TB K TB L DN L TB TB TB NH e(t) DL L L L L L • Tổng hợp luật chỉnh ñịnh K i . dt tde )( AL AN K DN DL AL L L L L L AN TB NH NH TB L K L TB K L NH DN TB L L TB TB e(t) DL L L L L L . - 1 - BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THẾ PHÚ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chuyên ngành:. sẽ không cho kết quả tốt. Điều khiển mờ ñược sử dụng trong ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ ñược cho là giải pháp phù hợp hơn. Đề tài Ứng dụng ñiều khiển