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 />
iqs 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 iqs Lds ids m (3)<br />
Vds Rs ids Ld ids 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 Lse Lr<br />
p <br />
Lr<br />
e <br />
e <br />
vdes Lm Lm ids<br />
Lse 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 (iqsdr idsdr ) (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 ) Br (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 pr 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 ) Br (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 />
Br (t ) Aiq*es L (t )<br />
trong đó, L (t ) Br (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 ) iqes (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 2k<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 />