Trần Xuân Tình và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
102(02): 75 - 79<br />
<br />
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ<br />
TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM VỊ TRÍ<br />
Trần Xuân Tình1, Phạm Tuấn Thành1,<br />
Đỗ Huy Khôi2*, Nguyễn Tùng Linh3<br />
1<br />
<br />
2<br />
<br />
Học viện Kỹ thuật quân sự,<br />
Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên<br />
3<br />
Đại học Điện lực<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Bài báo trình bày phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha sử dụng biến<br />
tần vector bằng bộ điều khiển mờ. Đưa ra được mô tả toán học, mô phỏng cấu trúc hệ kín điều<br />
khiển ĐCKĐB, xây dựng bộ điều khiển mờ, mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Kết quả<br />
mô phỏng được so sánh với bộ điều khiển PID cho thấy sai lệch vị trí của hệ thống được đảm bảo.<br />
Từ khóa: điều khiển động cơ, động cơ ba pha không đồng bộ, bộ điều khiển mờ, PID.<br />
<br />
ĐẶT VẤN ĐỀ*<br />
Hệ truyền động bám xoay chiều được sử dụng<br />
rộng rãi trong công nghiệp và trong quân sự<br />
như: cơ cấu ăn dao, tay máy, máy cắt gọt kim<br />
loại, truyền động anten…Đây là hệ phi tuyến<br />
phức tạp, có nhiều tham số nên các bộ điều<br />
khiển thông thường khó có thể đáp ứng được.<br />
Do đó việc nghiên cứu để đưa ra một bộ điều<br />
khiển tối ưu là cần thiết. Bài báo trình bày<br />
một phương pháp nghiên cứu mới là thiết kế<br />
bộ điều khiển mờ ứng dụng cho ĐCKĐB<br />
xoay chiều ba pha roto lồng sóc với mong<br />
muốn hệ bám đạt được sự ổn định nhanh, sai<br />
lệch nhỏ kể cả khi có thay đổi tham số tải và<br />
nhiễu tác động.<br />
MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG<br />
ĐỒNG BỘ BA PHA:<br />
Phương trình cân bằng điện áp trên các cuộn<br />
dây stato và roto dựa trên qui tắc Kirchoft:<br />
Đối với stato:<br />
<br />
Đối với roto:<br />
<br />
dψ A<br />
<br />
u A = R Ai A + d t<br />
<br />
dψ B<br />
<br />
u B = R B iB +<br />
dt<br />
<br />
dψ C<br />
<br />
u C = R C i C + d t<br />
<br />
<br />
u a = R a ia +<br />
<br />
<br />
u b = R b ib +<br />
<br />
<br />
u c = R c i c +<br />
<br />
dψ a<br />
dt<br />
dψ b<br />
dt<br />
dψ c<br />
dt<br />
<br />
(1)<br />
<br />
Thường các cuộn dây có cấu tạo đối xứng nên<br />
RA = RB = RC = RS (RS là điện trở thuần của<br />
cuộn dây stato), Ra= Rb = Rc = RR (RR là điện<br />
trở thuần của cuộn dây roto).<br />
Định luật thứ hai được sử dụng là định luật<br />
Ampe. Định luật này biểu diễn mối liên hệ<br />
giữa từ thông móc vòng tổng của mỗi cuộn<br />
dây với dòng điện chạy qua các cuộn dây.<br />
Đối với stato:<br />
ψ A = LAAiA + LABiB + LACiC + LAaia + LAbib + LAcic<br />
<br />
ψ B = LBAiA + LBBiB + LBCiC + LBaia + LBbib + LBcic<br />
ψ = L i + L i + L i + L i + L i + L i<br />
C<br />
CA A<br />
CB B<br />
CC C<br />
Ca a<br />
Cb b<br />
Cc c<br />
<br />
Đối với roto:<br />
ψa = LaAiA + LaBiB + LaCiC + Laaia + Labib + Lacic<br />
<br />
ψb = LbAiA + LbBiB + LbCiC + Lbaia + Lbbib + Lbcic<br />
ψ = L i + L i + L i + L i + L i + L i<br />
c cA A cB B cC C ca a cb b cc c<br />
<br />
(3)<br />
<br />
(4)<br />
<br />
Trong các phương trình LAA, LBB, LCC, Laa, Lbb,<br />
Lcc là điện cảm của từng cuộn dây, còn lại là<br />
các điện cảm tương hỗ giữa các cặp cuộn dây<br />
tương ứng.<br />
Định luật thứ ba được sử dụng là định luật II<br />
Niutơn. Đây là định luật cân bằng Mômen<br />
trên trục động cơ:<br />
<br />
(2)<br />
<br />
r<br />
r<br />
r<br />
d ωm<br />
J<br />
= M − Mt<br />
dt<br />
<br />
(5)<br />
<br />
Trong đó: J (Kg.m2) là mômen quán tính trên<br />
trục động cơ có tính đến quán tính của bản<br />
thân động cơ cũng như quán tính của cơ cấu<br />
công tác và hộp giảm tốc qui về trục động cơ.<br />
<br />
r<br />
<br />
*<br />
<br />
Tel:<br />
<br />
ωm (rad/s) là vận tốc góc của động cơ.<br />
75<br />
<br />
Trần Xuân Tình và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
r<br />
M t (N.m) là mô men của cơ cấu công tác<br />
<br />
Trước hết ta đi xác định các biến ngôn ngữ<br />
đầu vào và giải các giá trị tương ứng. Bộ điều<br />
khiển mờ xây dựng theo kiểu Mamdani.<br />
-Tín hiệu vào:<br />
+ Sai lệch vị trí (VT) được chọn (-1;1)rad<br />
+ Đạo hàm vị trí (DHVT) được chọn (-200;<br />
200) rad/s<br />
-Tín hiệu ra:<br />
+ Lượng đặt tốc độ động cơ (N) được chọn (1400; 1400) vòng/phút<br />
Giá trị ngôn ngữ của các biến ngôn ngữ là:<br />
Sai lệch vị trí (âm lớn, âm vừa, không, dương<br />
vừa, dương lớn) ký hiệu như sau: VT (AL,<br />
AV, K, DV, DL).<br />
Đạo hàm sai lệch vị trí (tăng nhanh, tăng vừa,<br />
không đổi, giảm vừa, giảm nhanh) ký hiệu<br />
như sau: DHVT (TN, TV, K, GV, GN).<br />
Tốc độ cần N (ngược lớn, ngược vừa, không,<br />
thuận vừa, thuận lớn) ký hiệu lại như sau: N<br />
(NL, NV, K, TV, TL).<br />
Dạng của hàm liên thuộc được chọn là các<br />
hàm tam giác.<br />
Luật hợp thành mờ có dạng là các mệnh đề<br />
IF... THEN … để mờ hóa các kinh nghiệm tư<br />
duy điều khiển của con người.<br />
Căn cứ số lượng biến ngôn ngữ đầu vào và số<br />
lượng các giá trị ngôn ngữ ta có số lượng luật<br />
là 5x5 = 25 luật như bảng sau:<br />
<br />
đặt lên trục động cơ, trong trường hợp tổng<br />
quát nó là hàm của tốc độ và góc quay.<br />
Định luật cuối cùng được sử dụng là định luật<br />
Lenxơ hay qui tắc bàn tay trái. Định luật này<br />
nói lên mối liên hệ giữa các đại lượng véctơ<br />
là mômen, từ thông móc vòng và dòng điện.<br />
<br />
r<br />
r r<br />
M = k (ψ × i )<br />
<br />
(6)<br />
<br />
Tiến hành đơn giản hóa các phương trình trên<br />
ta thu được hệ phương trình tổng quát để mô<br />
tả động cơ điện không đồng bộ có dạng:<br />
dψ S<br />
<br />
u S = rS iS + d t + jα kψ S<br />
<br />
u = r i + d ψ R + j ( α − pυ )ψ<br />
R R<br />
k<br />
R<br />
dt<br />
ψ = x i + x i<br />
S S<br />
m R<br />
S<br />
ψ R = x m iS + x R iR<br />
<br />
m = k M o d (ψ i × ik )<br />
<br />
dυ<br />
Tm<br />
= M −ML<br />
dt<br />
<br />
<br />
S<br />
<br />
(7)<br />
<br />
Dựa vào mô hình toán học ĐCKĐB chúng tôi<br />
lựa chọn sơ đồ cấu trúc hệ bám vị trí sử dụng<br />
biến tần điều khiển véctơ ĐCKĐB roto lồng<br />
sóc như sau:<br />
Trong sơ đồ trên mạch vòng tốc độ và mạch<br />
vòng dòng điện sẽ được cài đặt trong biến tần.<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
Thiết kế bộ điều khiển mờ:<br />
<br />
ia<br />
ib<br />
ic<br />
<br />
ψr<br />
<br />
∗<br />
sd<br />
<br />
i<br />
<br />
∗<br />
<br />
ib∗<br />
<br />
ic∗<br />
<br />
i s∗q<br />
<br />
ψr<br />
<br />
υs<br />
<br />
i s∗q<br />
M<br />
<br />
ia∗<br />
<br />
∗<br />
isd<br />
<br />
υs<br />
<br />
ω<br />
<br />
∗<br />
<br />
isd<br />
<br />
isq<br />
<br />
ω<br />
<br />
ω<br />
<br />
∗<br />
<br />
ϕ<br />
ϕ∗<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám vị trí<br />
<br />
76<br />
<br />
102(02): 75 - 79<br />
<br />
DHVT<br />
<br />
Trần Xuân Tình và Đtg<br />
<br />
GN<br />
GV<br />
K<br />
TV<br />
TN<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
Bảng 1: Luật hợp thành mờ<br />
VT<br />
AL<br />
AV<br />
K<br />
NL<br />
NL<br />
NV<br />
NL<br />
AV<br />
NV<br />
NL<br />
NV<br />
K<br />
NV<br />
K<br />
TV<br />
NV<br />
K<br />
TV<br />
<br />
102(02): 75 - 79<br />
<br />
DV<br />
K<br />
K<br />
TV<br />
TV<br />
TL<br />
<br />
DL<br />
TV<br />
TV<br />
TL<br />
TL<br />
TL<br />
<br />
Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển mờ trên phần mềm Matlab-Simulink như sau:<br />
<br />
Hình 2. Xây dựng bộ điều khiển mờ trong Matlab<br />
<br />
Hình 3. Mặt truyền đạt vào ra của bộ điều khiển mờ<br />
<br />
Mô hình hóa hệ thống bằng phần mềm Matlab-Simulink:<br />
<br />
Hình 4. Mô phỏng hệ truyền động bám vị trí bằng bộ điều khiển mờ<br />
<br />
77<br />
<br />
Trần Xuân Tình và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
102(02): 75 - 79<br />
<br />
Kết quả mô phỏng được so sánh giữa hệ truyền động bám sử dụng bộ điều khiển mờ và sử dụng<br />
PID truyền thống.<br />
<br />
Hình 5. Tín hiệu bám với đầu vào là hàm bậc thang<br />
<br />
Hình 6. Tín hiệu bám với đầu vào thay đổi 50→-50→100→200<br />
<br />
Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy tính<br />
tác động nhanh, sai lệch bám của hệ truyền<br />
động được đảm bảm tốt khi sử dụng bộ điều<br />
khiển mờ. So với bộ điều khiển PID, bộ điều<br />
khiển mờ giúp tín hiệu bám gần như không có<br />
độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ ngắn, sai<br />
lệch nhỏ. Khi có sự thay đổi tải bên ngoài thì<br />
với bộ điều khiển mờ hệ thống vẫn ổn định<br />
với sai số 2%, trong khi đó với bộ điều khiển<br />
PID thì sai lệch lên tới 40%.<br />
KẾT LUẬN<br />
Bài báo đã đưa ra được mô tả toán học<br />
ĐCKĐB ba pha, xây dựng bộ điều khiển mờ<br />
cho hệ truyền động bám vị trí và tiến hành<br />
khảo sát trên phần mềm Matlab-Simulink.<br />
Qua khảo sát cho thấy tính tác động nhanh và<br />
sai lệch bám của hệ thống được đảm bảo. Các<br />
<br />
78<br />
<br />
chỉ tiêu chất lượng của hệ bám khi sử dụng bộ<br />
điều khiển mờ tốt hơn hẳn so với khi sử dụng<br />
bộ điều khiển PID.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm<br />
Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động<br />
truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ<br />
thuật, Hà Nội-2004.<br />
[2]. Phạm Tuấn Thành, Mô phỏng các hệ điện cơ,<br />
Nhà xuất bản quân đội nhân dân, Hà Nội-2011.<br />
[3]. Phạm Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý<br />
thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và<br />
Kỹ thuật, Hà Nội-2002.<br />
[4]. Marco Russo, Fuzzy Theory Systems,<br />
Techniques and Applications, vol4, Academic<br />
Press. Emeritus, University of Caklifonia, 2000.<br />
<br />
Trần Xuân Tình và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
102(02): 75 - 79<br />
<br />
SUMMARY<br />
RESEARCH AND APPLICATION OF FUZZY CONTROL<br />
IN THE TRANSMISSION STICK POSITION<br />
Tran Xuan Tinh1, Pham Tuan Thanh1,<br />
Do Huy Khoi2*, Nguyen Tung Linh3<br />
1<br />
<br />
2<br />
<br />
Học viện Kỹ thuật Quân sự,<br />
College of Information Technology and Communication – TNU,<br />
3<br />
University of Electricity<br />
<br />
This paper presents the method of three-phase asynchronous motor control inverter using vector<br />
fuzzy controllers. Given the mathematica description, simulation architecture closed asynchronous<br />
motor control, construction of fuzzy controller, the simulation in the Matlab-Simulink software.<br />
The simulation results are compared with the PID controller shows the incorrect location of the<br />
system is guaranteed.<br />
Keywords: motor control, three-phase asynchronous motor, fuzzy controllers, PID.<br />
<br />
Ngày nhận bài:30/11/2012, ngày phản biện:27/12/2012, ngày duyệt đăng:26/3/2013<br />
*<br />
<br />
Tel:<br />
<br />
79<br />
<br />