Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển chính xác cho động cơ PMSM ứng dụng trong sản xuất công nghiệp trên cơ sở phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN<br /> CHÍNH XÁC CHO ĐỘNG CƠ PMSM ỨNG DỤNG TRONG<br /> SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP<br /> ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ THÍCH NGHI<br /> Trần Đức Chuyển1*, Đỗ Quang Hiệp1, Phùng Mạnh Hùng2*, Phạm Ngọc Sâm1<br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, tác giả trình bày một giải pháp nâng cao chất<br /> lượng điều khiển chính xác cho động cơ xoay chiều đồng bộ PMSM ứng dụng trong<br /> sản xuất công nghiệp trên cơ sở phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi. Thuật<br /> toán tổng hợp có ý nghĩa là nhằm đánh giá được chất lượng làm việc hệ thống<br /> truyền động điện bám trong công nghiệp và quân sự, kết quả được kiểm chứng mô<br /> phỏng trong môi trường Matlab-Simulink.<br /> Từ khóa: Điều khiển phi tuyến; Điều khiển trượt mờ thích nghi; Điều khiển thông minh.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong những năm gần đây, động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử<br /> dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp và quân sự, nó được chế<br /> tạo thành các module chứa sẵn các chế độ; có điều chỉnh tốc độ chất lượng cao như xe<br /> điện, robot công nghiệp, các thiết bị y tế, các máy đóng viên thuốc trong ngành dược,<br /> .v.v…vì các đặc tính nổi trội của nó (dải tốc độ làm việc rộng, tỉ số momen/dòng điện lớn,<br /> ít nhiễu, bền vững, hiệu suất cao, điều khiển chính xác) [1, 2]. Để ứng dụng các vấn đề<br /> này, một bộ điều khiển thông minh-Bộ điều khiển trượt mờ thích nghi; hoạt động hiệu quả<br /> trong một dải tốc độ rộng (từ tốc độ thấp đến tốc độ định mức; tốc độ cao) là một lựa chọn<br /> hấp dẫn [2, 18, 20].<br /> Để ứng dụng vào các hệ thống điều khiển chính xác với nhiều cấp tốc độ khác nhau<br /> đảm bảo được mô men, đặc biệt là các vùng làm việc với nhiều dải tốc độ khác nhau thì hệ<br /> thống điều khiển đòi hỏi cần có độ chính xác cao như các hệ bám trong máy móc của<br /> ngành dược (máy đóng viên thuốc); yêu cầu “rất khắt khe” và trong công nghiệp, [5, 6], thì<br /> còn nhiều vấn đề phải giải quyết. Trong tài liệu [5, 6], [8, 10], mới chỉ đề xuất các phương<br /> pháp điều khiển mờ cho PMSM.<br /> J t , t , M t , k<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> J1<br /> J 2 J3 J4<br /> 1 Ji Jn<br /> J5 <br /> 2 i qi<br /> <br /> Ci<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ động học thể hiện mối quan hệ các phần tử trong phần cơ của một hệ<br /> thống truyền động điện.<br /> Nhằm tạo ra các cấu trúc thích hợp bảo đảm tính tối ưu cho hệ thống, khi thiết kế động<br /> học các hệ thống truyền động điện bám cần phải đưa ra các chỉ tiêu chất lượng, [1, 16].<br /> Đây là bài toán điều khiển tối ưu đa mục tiêu và có nhiều cách giải quyết khác nhau. Bài<br /> <br /> <br /> 26 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> báo này trình bày những nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển chính xác cho động<br /> cơ xoay chiều đồng bộ PMSM ứng dụng trong xưởng sản xuất công nghiệp; có tính đến<br /> yếu tố phi tuyến bất định, động học của động cơ chấp hành và các bộ biến đổi trên cơ sở<br /> phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi, [5, 6, 8, 16].<br /> 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ<br /> KÍCH TỪ NAM CHAM VĨNH CỬU<br /> Trước hết ta đi xét: Mô hình toán học động cơ chấp hành ba pha PMSM với cấu trúc<br /> các cuộn dây stator và roto là nam châm vĩnh cửu được thể hiện như, [4].<br /> Bằng cách lấy toạ độ rotor của động cơ PMSM như toạ độ tham chiếu, trên mặt phẳng<br /> hệ trục toạ độ d-q được biểu diễn bởi phương trình sau đây, [4, 8, 9]:<br />   k1iqs  k2  k3TL<br /> <br /> iqs  k4iqs  k5  k6Vqs  ids (1)<br /> <br /> ids  k4ids  k6Vds  iqs<br /> trong đó, TL là mô men tải,  là tốc độ góc rotor, iqs; ids là dòng điện stator trục d và trục q<br /> đã được tuyến tính hoá, Vqs là điện áp trục q, Rs điện trở stator, Vds là điện áp trục d, và ki<br /> > 0, i = 1….6, là các giá trị tham số được tính bằng:<br /> 3 1 p2 B p R  1<br /> k1  m , k2  , k3  , k 4  s , k5  m , k 6  (2)<br /> 2J 4 J 2J Ls Ls Ls<br /> Vqs  Rs iqs  Lq iqs   Lds ids  m (3)<br /> Vds  Rs ids  Ld ids   Lsq iqs (4)<br /> 3 p<br /> Te  miqs  ( Ld  Lq )idsiqs  (5)<br /> 22<br /> 2 2<br /> Te  TL  B   J  (6)<br /> p p<br /> với Te là momen điện từ, p là số đôi cực, Rs điện trở stator, Ls điện cảm stator, J mô men<br /> quán tính rotor, B hệ số ma sát nhớt, m từ thông móc vòng và    ; khi đó bộ ước<br /> lượng trạng thái phi tuyến để ước lượng  , tốc độ rotor  , thành phần không đo được của<br /> động cơ.<br /> Một cách khác để tiện cho việc tính toán thì trên hệ toạ độ trục tham chiếu d-q của<br /> động cơ ta có thể viết, [4]:<br />  Lm Lm <br />  Rs   Ls p  Lse Lr<br /> p <br /> Lr<br /> e <br />   e <br />  vdes   Lm Lm  ids<br />     Lse Rs   Ls p e p  e <br />  iqs <br />  vqes   Lr Lr  <br />    e  (7)<br />  0    Lm Rr 0<br /> Rr<br /> p sl  dr <br /> 0   Lr Lr   e <br />      qr <br /> R Rr<br />  0  Lm r sl p<br />  Lr Lr <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 27<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 3 n Lm e e e e<br /> Te  (iqsdr  idsdr ) (8)<br /> 2 2 Lr<br /> Trong phương pháp FOC (Field Oriented Control), từ thông được định hướng hoàn<br /> toàn theo trục d được thiết lập bởi qre  0 , do đó ta có:<br /> re  dre (9)<br /> thì khi đó tần số góc trượt ta có được là:<br /> Lm  Rr  e<br />  sl    iqs (10)<br /> re  Lr <br /> Mô men điện từ được viết dưới dạng sau:<br /> 3 n L2m * * *<br /> Te  iqs ids  K t iqs (11)<br /> 2 2 Lr<br /> trong đó:<br /> 3 n L2m *<br /> Kt  ids (12)<br /> 2 2 Lr<br /> Phương trình toán học mô tả dưới dạng phần cơ của động cơ xoay chiều đồng bộ được<br /> viết như sau:<br /> J r (t )  Br (t )  Te  TL (13)<br /> trong đó, Jr mô men quán tính rotor, B hệ số ma sát nhớt, TL mô men tải, khi đó, ta thay<br /> (11) và (12) vào (13) ta được:<br /> B Kt T<br />  r (t )   r (t )  iq*es  L  B pr  Ap iq*es  D pTL (14)<br /> Jr Jr Jr<br /> trong đó, Bp   B / Jr  0; Ap  Kt / Jr  0; D p  1/ Jr  0.<br /> Để đạt được mô hình toán học tương ứng với quá trình điều khiển của động cơ PMSM,<br /> giá trị danh định của các tham số phải được xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng của các<br /> thành phần phi tuyến không đo được và không chịu ảnh hưởng của bất kỳ nhiễu loạn nào,<br /> [14, 15, 18, 20]. Do đó, mô hình động học của động cơ được đưa ra bởi (14) có thể được<br /> viết là:<br />  r (t )  Br (t )  Aiq*es (15)<br /> trong đó, A  Kt / Jr và B   B / Jr lần lượt là các giá trị tương ứng của Ap và Bp. Để xử lý<br /> các thành phần không đo được, chúng phải được xem xét; tính toán và thêm vào mô hình<br /> động học của động cơ PMSM các giá trị thực thời gian thực tương ứng. Vì vậy, ở biểu<br /> thức (14) ta xem xét tính toán các thành phần không đo được của mô hình cấu trúc động<br /> cơ trong hệ thống truyền động khi đó được viết như sau:<br />  r (t )  (B  B)r (t )  ( A  A)iq*es  D pTL  <br /> (16)<br />  Br (t )  Aiq*es  L (t )<br /> trong đó, L (t )  Br (t )  Aiq*es  D pTL   .<br /> Ở phương trình trên, thành phần chưa biết được thể hiện bằng ΔA và ΔB; đặc trưng cho<br /> hệ thống chứa thành phần bất định bao gồm tham số biến thiên và sai số ước tính phi tuyến<br /> là không đo được. Ngoài ra, các thành phần này do có cấu trúc và động lực học của hệ<br /> thống không thay đổi, vì vậy, để đơn giản cho việc phân tích, tính toán, ước tính các tham<br /> <br /> <br /> 28 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> số; Trong khuôn khổ bài báo này, các tham số như trên được giả sử là không đổi, do đó ta<br /> viết là  . Trong phương trình trên, L(t) được gọi là các thành phần chưa biết, nhưng có,<br /> giới hạn là L (t )  m , trong đó m là hằng số dương.<br /> <br /> 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ THÍCH NGHI CHO<br /> HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN<br /> 3.1. Cơ sở bộ điều khiển trượt thông thường<br /> Từ bộ điều khiển (BĐK) trượt thông thường, có nhiều ưu điểm trong việc tổng hợp hệ<br /> thống phi tuyến, [5, 9, 13]; do bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống và các thành phần<br /> không xác định; kích thước của hệ thống giảm xuống khi xuất hiện các chế độ trượt trên<br /> mặt trượt, có thể áp dụng các nguyên lý phân chia chuyển động, nguyên lý phân tích để<br /> đưa hệ thống có kích thước lớn về các hệ con có kích thước nhỏ hơn điều khiển được và<br /> quan sát được. Ở đây, ta xem xét sự thay đổi của sai số điều chỉnh tốc độ,<br /> e(t )  r (t )  r* (t ) , do đó trong chế độ trượt ở trạng thái không gian có thể được viết là:<br /> S (t )  h(Ce(t )  e(t )) (17)<br /> trong đó, C và h là các hằng số dương, Thay thế (16) trong (17), đạo hàm bậc nhất của S(t)<br /> theo thời gian ta sẽ nhận được:<br /> S(t )  h Ce(t )  B r (t )  Au(t )  L (t )  r* (t )<br />   (18)<br /> trong đó, u(t )  iqes (t ).<br /> Bằng cách cho S(t )  0 , và L (t )  0 , khi đó, hiệu suất mong muốn theo mô hình động<br /> học hệ thống (điều khiển tương đương) được viết như sau, [1, 4, 5, 9, 20]:<br /> ueq (t )  ( A )1 (C  B )e(t )  B r* (t )  r* (t )  (19)<br />  <br /> Để đạt được hiệu suất phù hợp thì động học của động cơ chấp hành luôn làm việc ổn<br /> định liên tục trên cơ sở mặt trượt S(t ). Khi đó, thành phần không liên tục ur (t ) được viết<br /> dưới dạng:<br /> ur (t )  ( Ah)1 k (t )sign(S(t )) (20)<br /> trong đó, k (t )  0 và hàm “sign” là hàm chức năng được định nghĩa như sau:<br /> 1, neáu S (t )  0<br /> sign(S (t ))   (21)<br /> 1, neáu S (t )  0<br /> Do đó, hiệu suất của bộ điều khiển luôn đạt được chất lượng khi xem xét các thành<br /> phần bất định và động lực học hệ thống không thay đổi, khi đó có thể viết được như sau:<br /> u(t )  ueq (t )  ur (t ) (22)<br /> t<br /> 1<br /> iqs   u(t)dt (23)<br /> <br /> 0<br /> <br /> trong đó,  là hằng số dương tích phân. Theo thiết kế điều khiển, thì hàm điều khiển<br /> Lyapunov (CLF) được chọn ở dạng:<br /> 1 2<br /> V (t )  S (t ) (24)<br /> 2<br /> Điều kiện ổn định thể hiện tính ổn định có thể thu được từ định lý ổn định của hàm<br /> Lyapunov [1, 5, 6].<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 29<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> V (t )  S(t ).S(t )   S(t ) (25)<br /> Trong đó,  là hằng số hoàn toàn dương. Từ các biểu thức (18), (19) và (22), (25) có<br /> thể được viết lại thành biểu thức sau:<br /> V (t )  S(t ).S(t )  S(t )hAur (t )  hS(t )L (t )<br /> V (t )   k S(t )  h S (t ) L (t ) (26)<br /> V (t )   S(t ) (k (t )  hm)<br /> <br /> So sánh biểu thức (25) và (26) xem xét L (t )  m , khi đó tính ổn định của hệ thống<br /> được đảm bảo theo phương trình sau:<br /> k (t )  hm   (27)<br /> Trên thực tế cho thấy khi mà  mà lớn thì luôn sảy ra hiện tượng “Chattering” ở điều<br /> khiển đầu vào xung quanh mặt trượt. Hiện tượng chattering có thể được giảm bớt bằng<br /> cách thay thế hàm không liên tục sign bằng một hàm liên tục xấp xỉ s /( s   ) trong đó <br /> là một hằng số dương. Ta biết rằng khi   0 thì đặc tính của bộ điều khiển xấp xỉ sẽ tiến<br /> gần đến đặc tính của bộ điều khiển ban đầu [5], [15].<br /> 3.2. Bộ điều khiển trượt mờ thích nghi cho hệ thống điều khiển<br /> Tiến hành xây dựng một BĐK dựa theo kỹ thuật trượt mờ thích nghi để đảm bảo tốc độ<br /> động cơ luôn bám sát tốc độ đặt khi có tính đến yếu tố bất định của mô hình, như sự thay<br /> đổi thông số động cơ, sự biến đổi mô men ma sát, mô men quán tính, các thành phần phi<br /> tuyến bất định khác, .v.v... cũng như khi các giá trị đặt và nhiễu phụ tải thay đổi. Ngoài ra,<br /> để nâng cao chất lượng BĐK, thì trong điều khiển tựa theo từ thông rotor việc cập nhật<br /> thông tin về vị trí góc của rotor phải luôn được cung cấp để phục vụ cho việc chuyển đổi<br /> hệ trục tọa độ. Khi đó, một bộ ước lượng trạng thái phi tuyến để ước lượng chính xác vị trí<br /> và tốc độ rotor khi có xét đến ảnh hưởng của tham số và các thành phần không đo được ở<br /> cả vùng tốc độ thấp và tốc độ cao được sử dụng dùng để cung cấp thông tin đưa về cho<br /> BĐK.<br /> Sơ đồ khối hệ thống bộ điều khiển trượt mờ thích nghi (TMTN) được biểu biễn như<br /> trên dưới đây, bộ điều khiển TMTN được sử dụng như một bộ điều khiển tốc độ, cung cấp<br /> *e<br /> thông tin như thành phần momen của dòng điện stator iqs làm đầu ra. Trên hệ trục tọa độ d,<br /> thành phần từ thông của dòng điện stator id*se được đặt là một thành phần giá trị không đổi<br /> tương ứng với điều kiện định mức. Các giá trị dòng điện trên hệ trục tọa độ d-q được so<br /> sánh với các giá trị dòng điện trên hệ trục tọa độ dq thực tế tương ứng và được xử lý thông<br /> qua hai bộ điều khiển PI riêng biệt, nhằm cung cấp cho các thành phần điện áp trục d-q ở<br /> đầu ra. Hiện tượng Chattering có thể được loại bỏ bằng cách làm trơn đi sự gián đoạn điều<br /> khiển trong một giới hạn gần với mặt trượt. Trong thực tế, hàm dấu trong (20) sẽ được<br /> thay thế bằng hàm “sat”, được định nghĩa như sau:<br /> sign(S ), khi S  <br /> S  <br /> sat  <br />  S (28)<br />    , khi S  <br /> <br /> Trong đó,  được xác định là độ dày lớp biên giới trên mặt trượt. Sau đó, phần điều<br /> khiển tiếp giáp với (20), khi đó sẽ được thay đổi thành:<br /> ur (t )  ( Ah)1 k (t )sat(S(t ) /  ) (29)<br /> <br /> <br /> <br /> 30 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển truyền động điện ứng dụng trong sản xuất công<br /> nghiệp được biểu biễn như hình 2:<br /> <br /> <br /> <br /> r* iqs*e vqs* Ta , Ta<br /> v* s<br /> d, q Tb , Tb<br /> *<br /> r v s<br /> vds* Tc , Tc<br /> , <br /> iqs ids<br /> kˆ ids*e r<br /> ids ia<br /> d,q i s  , <br /> i s ib<br /> ,  a, b, c<br /> iqs<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> d r<br /> dt<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ PMSM trên<br /> cơ sở phương pháp điều khiển trượt mờ thích nghi.<br /> Bằng cách áp dụng vấn đề điều khiển như ở trên, hiệu suất của quá trình điều khiển có<br /> thể là không phù hợp vì hiện tượng chattering vẫn tồn tại dẫn đến quá trình làm việc của bộ<br /> điều khiển chưa được ổn định. Để giải quyết những vấn đề này, khi đó hàm bão hòa được<br /> thay thế bằng một hệ thống mờ hoạt động giống như hàm bão hòa sẽ làm giảm được các<br /> thành phần phi tuyến bất định. Đối với hệ thống điều khiển mờ được đề xuất, được coi là<br /> một hệ có cấu trúc biến đổi; khi đó S(t) được thay đổi thành ΔS(t) và được coi là biến điều<br /> khiển đầu ra uTMTN . Do đó, hệ thống của bộ điều khiển mờ được biểu diễn dưới dạng sau:<br /> uTMTN  TMTN (S(t ), S(t )) (30)<br /> Sau đó, phần tiếp cận và tác động điều khiển được xác định như sau:<br /> ur (t )  ( Ah)1 k (t )uTMTN (31)<br /> 1<br /> u(t )  ueq  ( Ah) k (t )uTMTN (32)<br /> Do đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng, nên tác giả lựa chọn bộ điều khiển mờ<br /> theo luật PI. Theo [6, 15], ta xây dựng được cấu trúc của bộ điều khiển TMTN như hình 2.<br /> Sau đó, phần tiếp cận và tác động điều khiển được xác định như sau:<br /> Step simout<br /> Clock<br /> To Workspace<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Sine Wave<br /> Coulomb &<br /> Viscous Friction Out1<br /> n<br /> mo me1<br /> In1 Out2<br /> 1 Out3 To Workspace1<br /> Out4 n2<br /> Saturation1 Gain2<br /> Out5 toc do,goc<br /> In2 To Workspace3<br /> Out6<br /> <br /> BDK_TocDo mo me<br /> 1<br /> s<br /> sailech n3 Integrator n1<br /> To Workspace4<br /> To Workspace2<br /> Step1<br /> <br /> In1 1<br /> <br /> Out1 Gain Dat goc (rad )<br /> In2 0.2 du/dt<br /> <br /> Fuzzy Controller Gain1 Derivative Manual Switch<br /> Ramp<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ hệ thống sử dụng BĐK trượt mờ Hình 4. Cấu trúc bộ điều khiển mờ.<br /> thích nghi điều khiển động cơ PMSM.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 31<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Bộ điều khiển mờ gồm: hai tín hiệu vào là sai lệch S(t), đạo hàm sai lệch ∆S(t) và một<br /> tín hiệu ra uTMTN. Cấu trúc BĐK mờ được minh họa như hình 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Mờ hóa đầu vào S(t). Hình 6. Mờ hóa đầu vào ∆S(t).<br /> Bảng 1. Bảng luật mờ.<br /> uTMTN S(t)<br /> AL AV K DV DL<br /> GN AL AN AV K DV<br /> GV AL AV AV K DV<br /> ∆S(t) H AL AV K DV DL<br /> TV AV K DV DV DL<br /> Hình 7. Mờ hóa đầu ra uTMTN. TN AV K DV DL DL<br /> <br /> Bảng luật mờ được xây dựng như bảng 1. Quan hệ đầu vào; đầu ra bộ điều khiển mờ<br /> như hình 5, hình 6, hình 7. Khi đó cần giảm thiểu thành phần L(t) ở (26). Lúc này cần ước<br /> tính thành phần k(t) bằng cách sử dụng luật thích nghi tương ứng đã được trình bày ở [9],<br /> để cập nhật tính toán, nhằm đảm bảo các điều kiện để BĐK làm việc tốt trong chế độ<br /> trượt. Khi đó, k(t) được ước tính để giảm đi những sai số điều khiển ở (32), lúc này bộ<br /> điều khiển làm việc ổn định thỏa mãn định lý ổn định Lyapunov. Do đó, để đạt được các<br /> mục tiêu đã đề cập, k(t) được lấy là:<br /> k(t )  k S(t ) (33)<br /> trong đó, k là một hằng số dương. Trên thực tế, thành phần k (t) như một bộ lọc<br /> thích nghi nhằm giảm thiểu những sai số điều khiển.<br /> Xét hàm ứng viên Lyapunov sau (34), kˆ có thể là giá trị ước tính của k (t) .<br /> 1 1<br /> V (t )  S(t )2  (k (t )  kˆ )2 (34)<br /> 2 2k<br /> thay (18) và (34) vào (25) để được S(t )   (t ) như sau:<br /> 1<br /> V (t )  S(t )h Aur (t )  L (t ) <br />   k (t )  kˆ k(t )<br />  <br /> k<br /> 1<br />  S(t )h  Ak (t )(hA )1 sgn(S )  L (t ) <br />   k<br />  k(t)  kˆ  k(t) (35)<br /> 1<br />   S(t )k (t )sgn(S )  hS(t)L (t )  k (t )  kˆ k(t )<br />  <br /> k<br /> Thay (33) vào (35) và biến đổi (25) ta được:<br /> V (t )  k (t )  kˆ  kˆ S(t )  h L (t ) S (t )  k (t )  kˆ S (t )<br /> <br />   k (t )  kˆ S(t )  kˆ S(t )  hm S(t )  k (t )  kˆ S(t ) (36)<br />  (kˆ  hm) S(t )<br /> <br /> <br /> <br /> 32 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> So sánh giữa (25) và (36) ta được:<br /> V (t )  (kˆ  hm) S(t )   S(t ) (37)<br /> Do đó, thành phần kˆ có thể được chọn sao cho giá trị của kˆ  mh   vẫn đạt giá trị<br /> âm. Nói cách khác, để quá trình làm việc ổn định của bộ điều khiển TMTN đã được đề<br /> xuất thì ta lựa chọn kˆ   mh   . Trong bài báo này, bằng cách áp dụng bộ điều khiển<br /> TMTN được đề xuất cùng với các luật mờ được thiết kế và các điều kiện đã được đề cập,<br /> thì điều kiện ổn định của hệ thống ở (25) sẽ được thỏa mãn và do đó tính ổn định trong quá<br /> trình làm việc của hệ thống được đảm bảo.<br /> Trên thực tế, yếu tố mô men ma sát, đàn hồi, khe hở, .v.v... luôn tồn tại trong hệ thống<br /> truyền động điện cơ bao gồm động cơ và cơ cấu công tác. Đây là thành phần phi tuyến<br /> điển hình, những BĐK truyền thống chưa khắc phục được ảnh hưởng của chúng đến chất<br /> lượng làm việc hệ thống. Bằng phương nâng cao chất lượng bộ điều khiển trượt mờ thích<br /> nghi như trên, những ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến như trên, đến chất lượng của hệ<br /> truyền động đã được giải quyết, [15, 16, 17]. BĐK được tổng hợp cho đối tượng lượng phi<br /> tuyến được đề xuất; đã làm cho hệ thống hoạt động êm, khắc phục tốt được đặc tính phi<br /> tuyến, đặc biệt là luôn làm cho hệ thống ổn định tiệm cận toàn cục.<br /> Các tham số Vp, VI được chọn trên cơ sở phương pháp thực nghiệm Zeigler - Nichols.<br /> Sau khi chọn được tham số Vp, VI, ta tính được tham số Vp và d. Tuy nhiên, do thiết kế theo<br /> phương pháp thực nghiệm, nên để nâng cao chất lượng điều khiển: thời gian quá độ ngắn và<br /> độ quá điều chỉnh nhỏ, cần hiệu chỉnh thêm hai tham số Vp và d. Bộ tham số hiệu chỉnh tìm<br /> được là: VP = 0,01; d = 0,99 (với T = 0,002). Chất lượng bộ điều khiển PI sau khi tính toán<br /> lựa chọn ta có : KP = 0.3 ; KI = 0.0001. Ngoài ra còn có các phương pháp sử dụng phần mềm<br /> thiết kế BĐK PID Design như trong tài liệu [1, 15, 18, 19, 20] ... để thiết kế bộ điều khiển.<br /> 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN<br /> Sau khi nghiên cứu tính toán, thuật toán bộ điều khiển trượt mờ thích nghi và đi xây<br /> dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink để tiến hành mô phỏng đánh<br /> giá kết quả nhằm; kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán, sơ đồ có dạng như trên hình 3.<br /> Các tham số mô phỏng: Động cơ xoay chiều đồng bộ PMSM gồm có: Công suất P =<br /> 0,45KW; tốc độ định mức 3000 vòng/phút; Uđm = 220V; số đôi cực p = 4; hệ số ma sát<br /> nhớt B = 0,0001 N.m.s/rad; Mô men quán tính J =1,5.10-4 Kgm2.<br /> Thực hiện mô phỏng thuật toán bộ điều khiển trong môi trường MATLAB-SIMULINK<br /> được khảo sát với kết quả mô phỏng ở các trường hợp như sau:<br /> Trường hợp 1: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc, phản ứng của hệ<br /> thống trong quá trình ổn định tốc độ, mô men tải là 0.53Nm.<br /> 1500 0.8<br /> wd momen<br /> w momen (obs)<br /> 1000 0.6<br /> Load (Nm)<br /> Speed (r/m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 500 0.4<br /> <br /> 0 0.2<br /> <br /> -500 0<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> Hình 8. Tốc độ đặt d và tốc độ thực  của Hình 9. Mô men đặt và mô men ước tính<br /> động cơ trường hợp 1. trường hợp 1.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 33<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> 6 6<br /> i sq<br /> 4 i sd 4<br /> 2<br /> i ,i (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ia (A)<br /> 2<br /> sd sq<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0<br /> <br /> -2 0<br /> <br /> -4<br /> -2<br /> -6<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> <br /> Hình 10. Đáp ứng dòng điện isq và dòng điện Hình 11. Đáp ứng dòng điện ia<br /> isd trường hợp 1. trường hợp 1.<br /> Trường hợp 2: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc, phản ứng của hệ<br /> thống trong quá trình khởi động và hãm, khi tốc độ thay đổi, mô men tải không đổi<br /> 0,53Nm. Ta có kết quả mô phỏng như sau:<br /> 1500<br /> wd 0.8<br /> momen<br /> 1000 w momen (obs)<br /> 0.6<br /> Speed (r/m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 500<br /> Load (Nm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0 0.4<br /> <br /> -500<br /> 0.2<br /> -1000<br /> <br /> -1500 0<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> <br /> Hình 12. Tốc độ đặt d và tốc độ thực  Hình 13. Mô men đặt và mô men ước tính<br /> trường hợp 2.<br /> của động cơ trường hợp 2.<br /> 6 6<br /> i sq<br /> 4 i sd 4<br /> 2<br /> i sd,isq (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> i (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> 0<br /> a<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -2 0<br /> <br /> -4<br /> -2<br /> -6<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> <br /> Hình 14. Đáp ứng dòng điện isq, và dòng Hình 15. Đáp ứng dòng điện ia<br /> điện isd trường hợp 2. trường hợp 2.<br /> Đáp ứng dòng điện isq mặc dù thay đổi tại thời điểm t1 = 0,035s và t2 = 0,5s nhưng<br /> vẫn đạt giá trị cân bằng khoảng 0,5A; isd dao động khoảng 0,25A.<br /> Trường hợp 3: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc của hệ thống khi tốc<br /> độ thay đổi với biên độ 1000 vòng/phút đến -1000 vòng/phút, mô men tải thay đổi theo<br /> dạng hình sin, mô men tải là 0.5Nm.<br /> <br /> <br /> <br /> 34 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> 1500 1<br /> wd momen<br /> 1000 w momen (obs)<br /> 0.5<br /> Speed (r/m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 500<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Load (Nm)<br /> 0 0<br /> -500<br /> -0.5<br /> -1000<br /> <br /> -1500 -1<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> Hình 16. Tốc độ đặt d và tốc độ thực  Hình 17. Mô men đặt và mô men ước tính<br /> của động cơ trường hợp 3. trường hợp 3.<br /> 6 15<br /> 4 10<br /> 2 i (A) 5<br /> isq (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0 0<br /> sd<br /> <br /> -2 -5<br /> <br /> -4 -10<br /> <br /> -6 -15<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> Hình 18. Đáp ứng dòng điện isq Hình 19. Đáp ứng dòng điện isd<br /> trường hợp 3. trường hợp 3.<br /> Trường hợp 4: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá khả năng làm việc của hệ thống với mô<br /> hình đầy đủ có kể đến thực tế phần cơ của cơ cấu công tác. Mô phỏng tốc độ động cơ với<br /> biên độ 50 vòng/phút và tốc độ cơ cấu công tác là 0,5 vòng/phút. Lượng vào là hằng số mô<br /> men tải không đổi, ta có kết quả sau:<br /> 250 2<br /> <br /> 200 1.5<br /> Speed (r/m)<br /> Speed (r/m)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 150 1<br /> <br /> 100 0.5<br /> <br /> 50 0<br /> <br /> 0 -0.5<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> Hình 20. Tốc độ đặt d và tốc độ thực  Hình 21. Tốc độ đặt d và tốc độ thực <br /> của động cơ trường hợp 4. của cơ cấu công tác trường hợp 4.<br /> 3 1.5<br /> momen<br /> 2 momen (obs)<br /> 1<br /> Load (Nm)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> isq (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0 0.5<br /> -1<br /> 0<br /> -2<br /> -3 -0.5<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time(s)<br /> Hình 22. Đáp ứng dòng điện isq Hình 23. Mô men đặt và mô men ước tính<br /> trường hợp 4. trường hợp 4.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 35<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Trường hợp 5: Nghiên cứu phản ứng của hệ thống khi góc đặt vào thay đổi theo quy<br /> luật hàm Xv = V.t, (V = 1rad/s) mô men tải không đổi Mc = 0,5Nm.<br /> 1.5<br /> <br /> <br /> 1<br /> Goc (rad)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0.5<br /> Xr<br /> Xv<br /> 0<br /> <br /> <br /> -0.5<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s)<br /> <br /> Hình 24. Đáp ứng vào ra của bộ điều Hình 25. Đáp ứng vào ra của bộ điều khiển<br /> khiển theo góc trường hợp 5. theo mô men trường hợp 5.<br /> 3 10<br /> <br /> 2 5<br /> i (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> i (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0<br /> sd<br /> sq<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0<br /> -5<br /> -1<br /> <br /> -2<br /> -10<br /> 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br /> Time (s) Time (s)<br /> <br /> Hình 26. Đáp ứng dòng điện isq Hình 27. Đáp ứng dòng điện isd<br /> trường hợp 5. trường hợp 5.<br /> Trường hợp 6: Khi hệ thống làm việc với một góc đặt cho trước lượng vào là hàm bậc<br /> thang Xv = 0.05 rad, Khi có sự ảnh hưởng của mô men ma sát trên trục động cơ, và mô<br /> men ma sát phía tải, ta có các kết quả như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 28. Đáp ứng vào ra của bộ điều Hình 29. Đáp ứng vào ra của bộ điều khiển<br /> khiển theo góc trường hợp 6. theo mô men trường hợp 6.<br /> Quan sát các kết quả quả cho thấy khi sử dụng bộ bộ điều khiển trượt mờ thích nghi đã<br /> được nghiên cứu ở trên, ta thấy tính bền vững; độ ổn đinh của luật điều khiển trước những<br /> tác động của thành phần không xác định, sẽ làm thay đổi thời gian quá trình quá độ, làm<br /> tăng tính tác động nhanh của hệ thống truyền động; thì khi đó thuật toán vẫn làm việc ổn<br /> định; lượng ra bám sát lượng vào ở quá trình cân bằng, đáp ứng của hệ thống làm việc ổn<br /> định. Có thể thấy bộ ước tính của các thành phần phi tuyến luôn bám sát giá trị đặt cả ở<br /> <br /> <br /> <br /> 36 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> chế độ thay đổi tốc độ và ở trạng thái làm vệc ổn định. Hơn nữa, ở chế độ quá độ, đáp ứng<br /> BĐK cũng cho đáp ứng với thời gian khá nhanh.<br /> Trong bài báo này, việc nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển TMTN nhằm đưa ra thuật<br /> toán để áp dụng cho một số hệ thống điều khiển truyền động điện bám trong công nghiệp<br /> và quân sự hiện nay như: hệ thống điều khiển rô bốt, hệ thống điều khiển chính xác cho<br /> máy đóng viên thuốc trong ngành dược, hệ thống điều khiển máy cắt gọt CNC, hệ thống<br /> bám vũ khí, .v.v... Kết quả được tính toán xây dựng, tổng hợp để minh chứng về hiệu quả<br /> của thuật toán, nâng cao chất lượng làm việc cho hệ thống bám.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Hệ thống truyền động bám cho các đối tượng điều khiển trong công nghiệp và quân sự<br /> cần đòi hỏi độ tin cậy và độ chính xác rất cao, việc thay thế các hệ thống điều khiển cũ là<br /> cần thiết và cấp bách trong các hệ thống bám điện cơ đang được sử dụng nhiều trên thực<br /> tế. Bài báo đã trình bày được về cách tiệm cận mới, nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển<br /> trượt mờ thích nghi cho hệ thống truyền động bám công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu lý<br /> thuyết và mô phỏng cho thấy thuật toán điều khiển trên đạt được chất lượng tốt và hoạt<br /> động ổn định hơn. Vấn đề này đã minh chứng được tính đúng đắn của thuật toán và kết<br /> quả nghiên cứu này hoàn toàn có thể ứng dụng vào trong thực tế cho hệ thống truyền động<br /> điện bám trong công nghiệp và quân sự hiện nay.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Asif Sabanovic, Leonid M. Fridman and Sarah Spurgeon, “Variable Structure<br /> Systems from principles to implementation”, first published, 2004.<br /> [2]. Andrzej Bartoszewicz, “Sliding mode control”, first published March Printed in<br /> India, (2011).<br /> [3]. CHIA-MING CHANG, CHANG-HUAN LIU, “Adaptive Speed Sensorless<br /> Induction Motor Drive for Very-Low-Speed and Zero Stator Frequency Operation”.<br /> Electric Power Comonents and Systems, pp 804-819; Vol 38; 2010.<br /> [4]. John Chiasson “Modeling and high performance control of electric machines”,<br /> Wiley-IEEE Press, 2005.<br /> [5]. Utkin V., Guldner J., Shi J., “Sliding Mode Control in Electromechanical Systems”,<br /> CRC Press LLC, 1999.<br /> [6]. Stanislaw H. Zak, “Systems and Control”, The 3th, Oxford University Press, 2013.<br /> [7]. B. Wang, “Fuzzy sliding mode control design for a class of disturbed systems”, J. of<br /> Franklin Insitute, Vol.351, No. 7 pp 3593-3609, 2014.<br /> [8]. Han Ho Choi, Jin-Woo Jung and R.- Y. Kim, “Fuzzy adaptive speed control of a<br /> Permanent Magnet Synchronous Motor”. International Journal of Electronics<br /> Vol.99, No. 5, pp 657-672, May, 2012.<br /> [9]. Tran Duc Chuyen, Nguyen Thanh Tien, Dao Hoa Viet, “Designing a syntheszing<br /> adaptive backstepping sliding mode controller for drive systems tracking electric<br /> mechanisms using synchronous Ac motors”, International Journal of Advanced<br /> Research in Computer Science and Electronics Engineering, page: 64 - 72. Volume<br /> 5, Issue 3, March - 2015.<br /> [10]. Roopaei M, Jahromi M Zolghadri, Jafari S. “Adaptive gain fuzzy sliding mode control<br /> for the synchronization of nonlinear chaotic gyros”. Chaos 19, 013125, 2009.<br /> [11]. Wai R-J, Su K-H. “Adaptive enhanced fuzzy sliding-mode control for electrical servo<br /> drive”. IEEE Trans Ind Electron 2006; 53(2).<br /> [12]. Z. Jinhui, S. Peng, and X. Yuanqing, “Robust adaptive sliding mode control for fuzzy<br /> systems with mismatched uncertainties” , IEEE Trans. Fuzzy Syst., vol. 18, no. 4, pp.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 37<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 700–711, Aug. 2010.<br /> [13]. L. Viet Quoc, C. Han Ho, and J. Jin-Woo, “Fuzzy sliding mode speed controller for<br /> PM synchronous motors with a load torque ob-server” , IEEE Trans. Power Electron.,<br /> vol. 27, no. 3, pp. 1530–1539, Mar. 2012.<br /> [14]. H. H. Choi and J. W. Jung, “Fuzzy speed control with an acceleration observer for a<br /> permanent magnet synchronous motor” , Nonlinear Dynamics, Vol. 67, No. 3, pp.<br /> 1717-1727, Feb. 2012.<br /> [15]. J.J. Slotine and W. Li, “Applied Nonlinear Control”. Englewood Cliffs, NJ:<br /> Prentice-Hall, (1991).<br /> [16]. С.В. Емельянов, С.К. Коровин. Нелинейная динамика и управление. Выпуск 4,<br /> Москва Физматлит, 2004.<br /> [17]. Краснова С. А., Уткин В. А., Каскадный синтез наблюдателей состояния<br /> динамических систем, Наука, Москва, 2006.<br /> [18]. Б.К Чемоданов - Следящие приводы Т1, 2.- М. (1999): Изд. МГТУ им Баумана<br /> [19]. Nguyễn Công Định, “Phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng máy<br /> tính”, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, (2002).<br /> [20]. Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, (2015). Nhà xuất bản Khoa<br /> học và Kỹ thuật.<br /> ABSTRACT<br /> THE RESEARCH FOR IMPROVING QUALITY OF PRECISION CONTROLS<br /> FOR PMSM MOTOR APPLICATIONS IN INDUSTRIAL PRODUCTION IN<br /> THE BASIS OF ADAPTIVE FUZZY SLIDING MODE CONTROL<br /> In this paper, a solution is presented to improve the quality of precise control for<br /> synchronous AC motor PMSM applied in industrial production on the basis of<br /> adaptive fuzzy sliding mode control method. Comprehensive Algorithm is meant to<br /> evaluate the quality of electrical drive tracking systems operating in industry and<br /> military, simulated results in the Matlab-Simulink environment.<br /> Keywords: The nonlinear control; The adaptive fuzzy sliding mode control; The intelligent control.<br /> <br /> Nhận bài ngày 12 tháng 01 năm 2019<br /> Hoàn thiện ngày 16 tháng 02 năm 2019<br /> Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019<br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Bộ môn Điện Công nghiệp, Khoa Điện, Trường Đại Học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp -<br /> Bộ Công thương;<br /> 2<br /> Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Kỹ thuật Điều khiển; Học viện KTQS.<br /> *<br /> Email: trdchuyenktd@gmail.com; phungxhung@yahoo.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 38 T. Đ. Chuyển, …, P. N. Sâm, “Nghiên cứu nâng cao chất lượng … trượt mờ thích nghi.”<br />