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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 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 1 2 Học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên 3 Đại 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 anten…Đây 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: Đối với roto: dψ A   u A = R Ai A + d t  dψ B   u B = R B iB + dt  dψ C   u C = R C i C + d t   u a = R a ia +    u b = R b ib +    u c = R c i c + dψ a dt dψ b dt dψ c dt (1) 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: ψ A = LAAiA + LABiB + LACiC + LAaia + LAbib + LAcic  ψ B = LBAiA + LBBiB + LBCiC + LBaia + LBbib + LBcic ψ = L i + L i + L i + L i + L i + L i  C CA A CB B CC C Ca a Cb b Cc c Đối với roto: ψa = LaAiA + LaBiB + LaCiC + Laaia + Labib + Lacic  ψb = LbAiA + LbBiB + LbCiC + Lbaia + Lbbib + Lbcic ψ = L i + L i + L i + L i + L i + L i  c cA A cB B cC C ca a cb b cc c (3) (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: (2) r r r d ωm J = M − Mt dt (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. r * Tel: ωm (rad/s) là vận tốc góc của động cơ. 75 Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ r M t (N.m) là mô men của cơ cấu công tác 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: 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. r r r M = k (ψ × i ) (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: dψ S   u S = rS iS + d t + jα kψ S   u = r i + d ψ R + j ( α − pυ )ψ R R k  R dt ψ = x i + x i S S m R  S ψ R = x m iS + x R iR   m = k M o d (ψ i × ik )  dυ  Tm = M −ML dt  S (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: ia ib ic ψr ∗ sd i ∗ ib∗ ic∗ i s∗q ψr υs i s∗q M ia∗ ∗ isd υs ω ∗ isd isq ω ω ∗ ϕ ϕ∗ Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám vị trí 76 102(02): 75 - 79 DHVT Trần Xuân Tình và Đtg GN GV K TV TN Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Bảng 1: Luật hợp thành mờ VT AL AV K NL NL NV NL AV NV NL NV K NV K TV NV K TV 102(02): 75 - 79 DV K K TV TV TL DL TV TV TL 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 77 Trần Xuân Tình và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 75 - 79 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 bá ...