Tổng hợp bộ điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ

Đây là luận văn cao học kỹ thuật về tự động hóa: Ứng dụng lý thuyết mờ để tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi cho bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển véc tơ, gồm 3 chương:Chương 1: Hệ TDD động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển véc tơChương 2: Bộ điều khiển mờChương 3: Nghiên cứu hệ truyền động động cơ KĐB ba pha điều khiển véc tơ với bộ điều khiển mờ thích nghi

Tổng hợp bộ điều khiển véctơ động cơ không đồng bộ

ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mở ĐầU

Bên cạnh các dạng truyền động dùng thủy lực, khí nén, truyền động điện

đợc sử dụng vô cùng rộng rãi và đã trở thành một khâu chấp hành không thểthiếu trong mọi quá trình tự động hóa Với sự phát triển mạnh mẽ của khoahọc kỹ thuật, những u thế trong việc điều khiển truyền động điện một chiều sovới truyền động điện xoay chiều đã không còn là vấn đề quan trọng nữa Tuynhiên đứng trên góc độ kỹ thuật điều khiển, động cơ xoay chiều là một đối t-ợng có các mối quan hệ phi tuyến nên việc điều khiển gặp nhiều khó khăn hơn

so với động cơ điện một chiều, đòi hỏi phải xử lý nhiều thuật toán phức tạphơn liên quan đến việc thiết kế cấu trúc phần cứng

Với những thành công trong nghiên cứu và ứng dụng thuật toán điềukhiển véc tơ các loại động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) đã cho phépmô hình hóa các loại động cơ này về dạng mô hình động cơ điện một chiều

Điều đó cho phép nâng cao chất lợng động học của hệ thống với sự hỗ trợ củacác bộ vi xử lý tốc độ cao

Để nâng cao hơn nữa chất lợng điều khiển hệ truyền động điện xoaychiều, đặc biệt đối tợng điều khiển là động cơ không đồng bộ (KĐB) ba pharoto lồng sóc, ngoài các cấu trúc điều khiển kinh điển thì hiện nay đang ứngdụng ngày một rộng rãi các kỹ thuật điều khiển hiện đại, điều khiển thôngminh Một trong các kỹ thuật điều khiển thông minh đó là việc ứng dụng lýthuyết điều khiển mờ và mạng nơron để xây dựng thuật toán điều khiển vàthiết kế cấu trúc phần cứng Những kết quả ban đầu cho thấy chất lợng điềukhiển, điều chỉnh đã đợc cải thiện và nâng lên rõ rệt Tuy nhiên đây vẫn là mộtlĩnh vực khá mới mẻ ở nớc ta, đặc biệt đối với hệ truyền động sử dụng động cơKĐB ba pha Chính vì lý do đó, để góp phần bổ sung, củng cố cơ sở khoa học,khẳng định tính u việt của hệ điều khiển thông minh ứng dụng vào việc thiết

kế bộ điều khiển, tôi đã chọn đề tài “Tổng hợp bộ điều khiển véctơ động cơ

không đồng bộ ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ” Nội dung nghiên cứu

của đề tài là nghiên cứu cấu trúc và thuật toán xây dựng bộ điều khiển mờ kếthợp với lý thuyến điều khiển thích nghi để tổng hợp bộ điều khiển cho hệtruyền động điện xoay chiều sử dụng động cơ KĐB ba pha điều khiển véc tơ

Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, luận văn sử dụng phần mềmMatlab - Simulink để xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điềukhiển Đây là công cụ mạnh, khá đắc lực trong việc nghiên cứu ở nhiều lĩnh

vực khác nhau và có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệtruyền động động cơ xoay chiều.

Bố cục của luận văn đợc chia thành 3 chơng nh sau:

Chơng 1: Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ ba pha điều

khiển véc tơ

Trong chơng này trình bày cơ sở xây dựng các phơng trình mô tả động cơkhông đồng bộ ba pha, phơng pháp biểu diễn véctơ không gian trạng thái; xâydựng thuật toán, mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha trên các hệ tọa

độ không gian; các phép chuyển hệ tọa độ, trên cơ sở đó đa ra các kết luận vềtính u việt khi biểu diễn động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ tựa hớng từthông rotor dựa trên cơ sở các tài liệu [5], [6], [8], [9], [18]

Chơng 2: Bộ điều khiển mờ

Chơng này trình bày khái quát về lý thuyết điều khiển mờ, cấu trúc và môhình bộ điều khiển mờ, ứng dụng bộ điều khiển mờ để tổng hợp bộ điều khiểntruyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển véctơ dựavào lý thuyết điều khiển mờ và điều khiển thích nghi của các tài liệu [11],[12], [13], [15], [16], [20]

Chơng 3: Nghiên cứu động học hệ truyền động động cơ không đồng

bộ ba pha với bộ điều khiển mờ

Đề tài đa ra giải pháp ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ kết hợp với thuậttoán điều khiển thích nghi để xây dựng cấu trúc và tổng hợp bộ điều khiển mờthích nghi cho các cấu trúc động học của động cơ KĐB ba pha điều khiển véctơ Các cấu trúc này là cấu trúc mạch điều khiển ngoài đợc ghép nối với môhình động cơ điều khiển véc tơ không làm ảnh hởng tới cấu trúc và thuật toáncác mạch vòng điều chỉnh trong Điều này đợc lý giải nh sau:

- Điều khiển véc tơ là giải pháp xây dựng mô hình động cơ KĐB ba phadới dạng động cơ điện một chiều, có cấu trúc và thuật toán đơn giản, điềukhiển đạt chất lợng khá tốt Trong thực tế đang có xu hớng sử dụng hệ truyền

động động cơ KĐB ba pha điều khiển véctơ dùng biến tần để thay thế cho các

hệ truyền động điện một chiều

- Để đơn giản hóa cấu trúc phần cứng cũng nh thuật toán xây dựng màvẫn bảo đảm nâng cao chất lợng làm việc của các hệ thống truyền động sửdụng động cơ KĐB ba pha điều khiển véctơ, việc sử dụng các bộ điều khiển

mờ ở mạch điều chỉnh ngoài là một giải pháp có hiệu quả, tính kinh tế cao và

đây cũng là vấn đề khoa học có tính thực tiễn

Trên cơ sở đó, luận văn sử dụng phần mềm MatLab – Simulink để tổnghợp các bộ điều khiển các mạch vòng điều chỉnh từ thông rotor và vòng điềuchỉnh tốc độ đối với hệ truyền động động cơ KĐB ba pha So sánh kết quả thu

đợc và đánh giá tính thích nghi của bộ điều khiển mờ

Trong quá trình thực hiện luận văn, do điều kiện học tập từ xa, thời gianthực hiện ngắn, bên cạnh đó bản thân còn nhiều hạn chế về hiểu biết và kinhnghiệm vận hành hệ thống nên nội dung nghiên cứu đề ra có thể cha đợc giảiquyết triệt để và tối u

lý do nêu trên, trong toàn bộ nội dung của đề tài chỉ đề cập duy nhất đến loại

động cơ này Bên cạnh đó, dù cho động cơ KĐB ba pha với rotor lồng sóc hayrotor dây quấn thì khi nghiên cứu động học đều quy đổi về rotor dây quấn

đẳng trị, đồng thời quy đổi về mạch stator, số vòng dây quấn mỗi pha sau khichuyển đổi đều bằng nhau [18] Nh vậy, nhóm cuộn dây của động cơ thực tế

đợc đẳng trị thành mô hình vật lý động cơ KĐB ba pha nh biểu diễn trên hình1.1

U

u V

động cơ KĐB ba pha, các thông số của động cơ có quan hệ chặt chẽ với nhau.

Sự thay đổi của một thông số sẽ dẫn đến làm thay đổi các thông số khác.Chính vì lý do đó, mô hình toán học của động cơ KĐB là mô hình nhiều biến.Hay nói cách khác, động cơ KĐB ba pha đợc coi là phần tử phi tuyến đa thông

số với các quan hệ đợc biểu diễn nh trên hình 1.2

Các đại lợng điều khiển thờng chọn là u, i, f; Các đại lợng ra là Me, q, w,

s Các đại lợng Rs, Rr, Ls, Lr là tham số mô hình

Khi xây dựng mô hình động cơ KĐB, trong tài liệu [1], [2], [5], [6], [18]

đa ra các giả thiết sau:

- Các giá trị điện trở và điện cảm (Rs , Ls, Rr,Lr) đợc coi là không đổi

-Trục hình học của cuộn dây phân bố đều trên stator lệch nhau góckhông gian 2/ 3 (radian)

- Động cơ KĐB ba pha, cuộn dây rotor luôn tơng ứng với 3 pha Cáccuộn dây rotor lệch nhau góc hình học nh cuộn dây pha stator

- Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hoà của mạch từ

- Các tham số mạch rotor đợc qui đổi về stator

- Từ trờng phân bố dạng hàm sin theo không gian dọc theo chu vi khe hở

từ của động cơ

Từ cơ sở phân tích nh trên ta tiến hành xây dựng các phơng trình cơ bảncủa động cơ KĐB ba pha biểu diễn mối quan hệ điện từ trong máy

1.1.1 Phơng trình điện áp

ĐC KĐB

Me

q w s

Ta xây dựng phơng trình cân bằng điện áp các pha trong động cơ dựa trên

cơ sở sơ đồ nguyên lý tổng quát của động cơ KĐB ba pha nh biểu diễn trên

hình 1.1

Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha với biên độ Us, biến thiên với tần số fs

vào ba cuộn dây pha của stator động cơ thì tơng ứng trong dây quấn stator sẽ

có dòng điện Is với tần số fs và trong mạch cuộn dây rotor sẽ có dòng là Ir với

tần số fr chạy qua Các dòng điện này tơng ứng sẽ sinh ra các thành phần từ

tr-ờng chạy trong máy điện làm cảm ứng các sức điện động tơng ứng Dựa vào

định luật Kiêchôp ta thiết lập phơng trình cân bằng điện áp trên các cuộn dây

stato và rôto theo [18]

- Phơng trình cân bằng điện áp đối với dây quấn stato:

R u

d t dψ i

R u

dt dψ i

R u

sw

s w W

s w

sv

s v V

s v

s u

s u U

dψ i

R u

0 dt

dψ i

R u

0

d t dψ i

R u

rw rw

w rw

r v

r v v rv

r u

r u u ru

Trong các phơng trình (1.1a) và (1.1b) chứa các điện áp, dòng điện, từ

thông tức thời của stato và rôto cũng nh điện trở thuần của các cuộn dây Với

các giả thiết đã nêu thì ta có RU = RV = RW = Rs (Rs điện trở thuần của cuộn

dây stato), Ru= Rv = Rw = Rr (Rr điện trở thuần của cuộn dây rôto)

1.1.2 Phơng trình từ thông

Từ thông toàn phần trong các cuộn dây pha của động cơ KĐB ba pha đợc

hình thành do hiện tợng tự cảm và hỗ cảm trong mạch Thành phần từ thông tự

cảm do chính dòng điện chạy qua pha đó tạo thành, còn thành phần từ thông

hỗ cảm là do dòng điện trong các cuộn dây pha khác có quan hệ tơng hỗ với

nó tạo nên

Định luật Ampe biểu diễn mối liên hệ giữa từ thông tổng của các cuộn

dây với dòng điện chạy qua các cuộn dây

- Đối với stato:

Wv ru

Wu sw

WW sv

WV su

WU sw

rw Vw rv

Vv ru

Vu sw

V W sv

VV su

VU sv

rw

U w rv

Uv ru

Uu sw

UW

s v UV su

UU su

i L i

L i

L i

L i

L i

L ψ

i L i

L i

L i

L i

L i

L ψ

i L i

L i

L i

L i

L i

L ψ

(1.2a)

- Đối với rôto:

wv ru

wu sw

wW sv

wV su

wU rw

rw vw rv

vv ru

vu sw

vW sv

vV su

vU rv

rw uw rv

uv ru

uu

s w uW sv

uV

s u uU ru

i L i

L i

L i

L i

L i

L ψ

i L i

L i

L i

L i

L i

L ψ

i L i

L i

L i

L i

L i

L ψ

(1.2b)Trong các phơng trình trên, LUU, LVV, LWW, Luu, Lvv, Lww là điện cảm tự

cảm của các cuộn dây, còn lại là các điện cảm hỗ cảm giữa các cuộn dây pha

tơng ứng của mạch stator và rotor

Trong thực tế, từ thông toàn phần của động cơ gồm có từ thông rò và từ

thông hỗ cảm:

- Từ thông rò hay còn gọi là từ thông tản chỉ bao quanh một nhóm cuộn

dây pha mà không xuyên qua khe hở không khí giữa lõi thép stator và rotor

(khe hở từ) Thành phần từ thông rò này chỉ là thành phần thứ yếu Ta gọi điện

cảm tản tơng ứng với thành phần từ thông rò các pha của stator là Ls và các

pha của rotor là Lr (do tính chất đối xứng của các pha, nên điện cảm tản các

pha của chúng là bằng nhau) Độ lớn của từ thông rò hầu nh không đổi và nó

không phụ thuộc và hình dáng của khe hở từ

- Từ thông hỗ cảm hay còn gọi là thành phần từ thông chính (thành phần

chủ yếu) sẽ xuyên qua khe hở từ làm cảm ứng các sức điện động hỗ cảm Ta

gọi điện cảm chính tơng ứng với thành phần từ thông hỗ cảm phía các cuộn

dây stator là Lms và phía các cuộn dây rotor là Lmr Vì khi xây dựng các phơng

trình cần quy đổi mạch rotor về mạch stator theo nguyên tắc số vòng dây quấn

pha mạch rotor và stator phải bằng nhau và từ thông hỗ cảm giữa các cuộn dây

đều đi qua khe hở đều nhau với từ trở là nh nhau [1], [2], [18] nên ta có thể coi

Lms = Lmr = Lm

Nh vậy, trên mỗi cuộn dây pha ta có:

- Hệ số tự cảm các cuộn dây pha:

+ Mạch pha stator: L UU  L VV  L WW  L s  L m  Ls (1.3a)

+ Mạch pha rotor: L uu  L vv  L ww  L r  L m  Lr (1.3b)

- Hệ số hỗ cảm các cuộn dây pha:

+ Hỗ cảm nội bộ giữa các cuộn dây pha stator hoặc rotor:

m 0

m WU WV VU UW VW

2

1 ) 120 cos(

L L L L L L

m 0

m wu wv vu uw vw

2

1 ) 120 cos(

L L L L L L

) 120 cos(

L L L L L L

m Uw Wu Wv Vw vU

) 120 cos(

L L L L L L

m Uw wU Wv vW Vu

1.1.3 Phơng trình mômen

Định luật II Niutơn biểu diễn sự cân bằng mômen trên trục động cơ:

M M dt

d

p

J

c c



 w

(1.6) Trong đó: J (Kg.m2) là mômen quán tính trên trục động cơ có tính đếnquán tính của bản thân động cơ cũng nh quán tính của cơ cấu làm việc và hộpgiảm tốc quy đổi về trục động cơ;

ω (rad/s) là vận tốc góc điện của động cơ;

2

3 ) i ψ ( p 2

3

r r c s

s c

ơng trình trong các hệ phơng trình đã đa ra ở trên, đồng thời phơng pháp cũngcho phép các phơng trình (1.1) đến (1.7) nằm trong một hệ thống nhất với cácvéc tơ biến trạng thái Bản chất của phơng pháp này là: Các giá trị tức thời củabiến trạng thái ba pha đối xứng (điện áp, dòng điện, từ thông tổng) có thể biến

đổi toán học sao cho chúng biểu diễn bằng một véc tơ không gian

Xét biểu diễn véc tơ không gian đối với đại lợng là dòng điện stator:

Ba dòng điện hình sin phía mạch stator isu, isv, isw của động cơ KĐB bapha đấu theo kiểu hình Y và không có dây trung tính theo [5], [6], [8], [9] cóquan hệ:

Trong đó từng dòng điện thoả mãn các công thức sau:

isu(t) = ỗis ờ cos (wst)

isv(t) = ỗis ờ cos (wst + 1200)

isw(t) = ỗis ờ cos (wst+ 2400) (1.9)

Về phơng diện mặt phẳng cơ học, động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP)

có ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một

hệ toạ độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây U của động cơ, ta có thể xâydựng véc tơ không gian sau đây:

0 0

s 240 j sw 120 j sv su

3

2 ) t (

W

0

120 j

e

0

240 j

e

su

i 3 2

0

120 j

sv e i 3 2

0

240 j

sw e i 3 2 Im

Re

Hình 1.3 Thiết lập véc tơ không gian các đại lợng 3 phaTheo công thức (1.10) véctơ is(t) là một véctơ có môdul không đổi quaytrên mặt phẳng phức với tốc độ góc ws = 2fs và tạo với trục thực (đi qua cuộndây pha U) đợc mô tả theo ( hình 1.3)

Qua hình (1.3) ta dễ dàng thấy rằng các dòng điện của từng pha chính làhình chiếu của véc tơ mới thu đợc lên trục của cuộn dây pha tơng ứng Đối vớicác đại lợng khác của động cơ nh: điện áp, dòng rotor, từ thông stator hoặc từthông rotor, ta đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tơng ứng nh đối vớidòng điện kể trên

0 0

s 240 j sw 120 j sv su

3

2 ) t (

s 240

j sw 120

j sv su

3

2 ) t

1.2.2 Phép chuyển đổi hệ tọa độ

Do mối quan hệ ràng buộc của điện cảm nên mô hình toán học động cơKĐB khá phức tạp, ảnh hởng đến quá trình phân tích mạch Để đơn giản hóa

mô hình, ngời ta tìm cách chuẩn hóa nó về mô hình của động cơ điện mộtchiều.

Nh chúng ta đã biết, nhóm cuộn dây tĩnh stator đối xứng của động cơxoay chiều ba pha (ĐCXCBP) U, V, W có dòng điện hình sin cân bằng ba pha

isu, isv, isw, sức từ động tổng hợp tạo ra là sức từ động quay F phân bố hình sintrong không gian và quay với vận tốc góc đồng bộ ws theo thứ tự pha U – V –

W Tuy nhiên sức từ động quay đợc tạo ra không nhất thiết phải từ hệ thống

ba pha, mà có thể từ hai pha hoặc nhiều pha hơn nữa với cấu trúc các pha đốixứng nhau (trừ một pha vì nó tạo ra sức từ động đập mạch) [18] Và đơngnhiên, với hai pha sẽ cho chúng ta một cấu trúc đơn giản nhất Đây chính là lý

do đợc chọn làm căn cứ để xây dựng mô hình toán học của ĐCXCBP

Để làm rõ vấn đề này ta hãy quan sát các mô hình vật lý của ĐCXCBP

nh biểu diễn trên hình 1.4 sau đây:

U V

d q

Trong hình 1.4a với cấu trúc gồm ba cuộn dây nh nhau đặt lệch nhautrong không gian một góc 1200, có dòng điện hình sin lệch pha nhau về thờigian một góc 1200 chạy qua tạo ra sức từ động tổng của ba pha là F Xét trênhình 1.4b với hai nhóm cuộn dây đứng yên là α và b lệch nhau một góc 900trong không gian, có dòng điện cân bằng hai pha biến thiên hình sin và lệchnhau một góc 900 về thời gian, cũng sinh ra sức từ động tổng là F Các sức từ

động này đều là sức từ động quay Khi độ lớn của chúng bằng nhau, có thể coicuộn dây hai pha trên hình 1.4b tơng đơng với cuộn dây ba pha trên hình 1.4a.Cũng tơng tự, xét với cấu trúc nh trên hình 1.4c có hai nhóm cuộn dây

nh nhau d và q bố trí vuông góc với nhau Dòng điện chạy qua hai cuộn tơngứng là id và iq là dòng điện một chiều, sức từ động tổng do hai dòng điện nàytạo ra là F Vị trí của F là cố định so với hai cuộn dây d và q Nếu cho toàn bộlõi sắt chứa trong hai nhóm cuộn dây đều quay với tốc độ góc ws thì sức từ

động F tự nhiên cũng quay theo nó, tạo thành sức từ động quay, với độ lớn vàtốc độ giống nh các trờng hợp ở hình 1.4a và hình 1.4b

Nh vậy từ các trờng hợp vừa xét ta thấy, nếu ngời quan sát đứng trên lõisắt từ và cùng quay với nó, d và q là hai nhóm cuộn dây đứng yên so với ngờiquan sát và vuông góc với nhau, có dòng điện một chiều chạy qua Nếu điềukhiển vị trí từ thông F trên trục d thì mô hình vật lý ĐCXCBP cũng chính làmô hình động cơ điện một chiều, [18]

1.2.3 Các hệ tọa độ cơ bản

Thông qua các hệ tọa độ đã xây dựng, chúng ta có thể biểu diễn

ĐCXCBP trên các hệ tọa độ cơ bản sau đây:

- Hệ tọa độ cố định trên stator: Đó chính là hệ tọa độ tĩnh αb nêu trên

- Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor: Là hệ tọa độ quay dq nêu trên

- Hệ tọa độ tựa theo từ thông stator

1.2.3.1 Phép chuyển đổi ba pha sang hai pha (phép chuyển đổi 3/2)

Để chuyển đổi từ hệ tọa độ tĩnh ba pha U-V-W sang hệ tọa độ tĩnh haipha αb ta phải thực hiện phép chuyển đổi 3/2 Theo [18], điều kiện của việcchuyển đổi là phải bảo đảm công suất của động cơ đợc bảo toàn

Để thuận lợi khi biểu diễn ta coi trục α luôn trùng với trục cuộn dây củapha U Gọi số vòng dây có ích quấn trên cuộn dây mỗi pha của hệ thống ba

pha là N3, số vòng dây có ích quấn trên cuộn dây mỗi pha của hệ thống haipha là N2

b

αU V

) i 2

1 i 2

1 i ( N 60 cos i N 60 cos i N i N i

sw 3 0 sv

3 su 3 s

2       

) i i ( N 2

3 30 cos i N 30 cos i N i

sw 3 0 sv

3 s

3

i

i N

su 2 3 s

su

s

(1.15)1.2.3.2 Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ tĩnh αb sang hệ tọa độ quay dqPhép chuyển từ hệ tọa độ tĩnh hai pha αb sang hệ tọa độ quay hai pha dq

đợc gọi là phép chuyển đổi quay hai pha - hai pha và gọi tắt là phép chuyển

đổi αb/dq hoặc 2s/2f, trong đó s biểu thị hệ tọa độ đứng yên αb còn f biểu thị

trên hệ tọa độ quay dq Vẽ hai hệ tọa độ vào một hình nh hình 1.6 trong đó haidòng điện xoay chiều isα, isb lần lợt nằm trên trục hoành và trục tung của hệ tọa

độ cố định, còn hai dòng điện một chiều isd, isq lần lợt nằm trên trục hoành vàtrục tung của hệ tọa độ quay, tạo ra sức từ động tổng F cùng quay với tốc độ

đồng bộ ws Bởi vì số vòng dây quấn của các nhóm cuộn dây bằng nhau nên ta

có thể biểu diễn thành phần sức từ động các pha thông qua dòng điện chạytrên pha đó [18] Nh vậy, véctơ is sẽ quay đồng bộ với hệ tọa độ dq với tốc độ

ws Tọa độ của is chiếu lên các trục của hệ tọa độ dq sẽ không đổi nếu giá trịcủa véc tơ is không đổi Nh vậy, isd và isq là các thành phần một chiều nên độdài của chúng là không đổi, còn độ dài của isα, isb sẽ thay đổi

s sq s sd s

cos i sin i i

sin i cos i i

q

 q



q

 q



b



(1.16)Khi đó, véctơ is đợc viết trên hệ tọa độ cố định αb sẽ là:

) cos i sin i ( j sin i cos i ji i

i s s s sd s sq s sd s sq s

s s s

 q

s s s s

sd

cos i sin i i

sin i cos i i

q

 q





q

 q

) sin i cos i ( j sin i cos i ji i

i f sd sq s s s s s s s s

s s s

 q



Từ các công thức chuyển đổi hệ tọa độ hai pha ta có kết luận sau:

s

s s j

s

f s j f s

1.2.3.3 Biểu diễn các véc tơ dòng trên hệ tọa độ từ thông rotor

Khác với động cơ đồng bộ, trong động cơ KĐB ba pha tốc độ quay củarotor w luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trờng quay ws Véctơ từ thông rotor rquay với tốc độ góc ws = dqs/dt = 2fs, với fs là tần số của mạch stator sẽ lậpvới trục chuẩn của pha U một góc qs không trùng với trục của rotor Tốc độgóc của dòng điện trong mạch rotor bằng wr = ws - w = 2fr với fr là tần số biếnthiên của mạch rotor (giả thiết số đôi cực pc = 1) (hình 1.7)

jq

α

Pha U Pha V

Pha W

Trục rotor Trục từ thụng rotor

Hình 1.7 Biểu diễn véctơ không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Nh vậy, nếu ta xây dựng một hệ tọa độ với trục thực có hớng trùng với ớng của véctơ r và gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ của hệ tọa độ tĩnh b thì

h-đây chính là hệ tọa độ dq quay đồng bộ với tốc độ góc ws nh đã xét ở phầntrên Vì vậy, hệ tọa độ quay dq đợc gọi là hệ tọa độ tựa hớng từ thông rotor vàgọi tắt là hệ tọa độ từ thông rotor Để nhận biết xem véctơ đang đợc quan sátbiểu diễn trên hệ tọa độ nào, ta quy ớc thêm hai chỉ số mới đợc viết bên tay

phải trên cao là: f (thay cho field coordinates hoặc hệ tọa độ dq) và s (thay cho stator coordinates hoặc hệ tọa độ b).

Nh vậy, các véctơ trạng thái sẽ đợc lần lợt biểu diễn trên hệ tọa độ dq nhsau:

sq sd f

f

ji i

rd rq rd f

sq sd f

độ cố định hai pha isα, isb; sau đó lại thông qua phép chuyển đổi quay theo địnhhớng từ thông rotor (CTĐ), có thể chuyển đổi thành dòng điện một chiều tơng

đơng isd, isq trên hệ tọa độ quay đồng bộ Nếu ngời quan sát đứng trên lõi sắt từ

và cùng quay với hệ tọa độ, thì ngời quan sát sẽ thấy đó nh là một động cơmột chiều, tổng từ thông của rotor động cơ xoay chiều ban đầu chính là từthông động cơ điện một chiều tơng đơng Cuộn dây d tơng đơng với cuộn kích

từ của động cơ một chiều, isd tơng đơng với dòng điện kích từ, cuộn dây q tơng

đơng với cuộn dây phần ứng giả định cố định, isq tơng đơng với dòng điệnphần ứng tỉ lệ thuận với mômen [18]

3/2 CTĐ Mụ hỡnh động cơ một chiều tương

1.3 Mô hình hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha định hớng từ thông rotor

1.3.1 Ưu thế của mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ tạ theo

từ thông rotor

Nhiều các nghiên cứu đã đa ra kết luận về những u thế của việc điềukhiển tựa theo từ thông rotor [1], [2], [5], [6], [8], [9], [18] Ưu điểm nổi bậtcủa phơng pháp này là có thể xây dựng thuật toán điều khiển động cơ KĐBgiống nh mô hình của động cơ điện một chiều Các phơng trình cân bằng từthông rotor và mômen quay của động cơ KĐB biểu diễn trên hệ tọa độ từthông rotor có dạng:

sd r

m

rd i

pT 1

m

e p i L

2

L 3

Trong đó:

rd : Thành phần véc tơ từ thông rotor dọc theo trục d;

Tr = Lr/Rr : Hằng số thời gian của rotor;

Me : Mômen quay của động cơ;

kt 1 i.

k M

i k

điện là quan hệ tuyến tính, các thành phần dòng điện kích từ và dòng điệnphần ứng là độc lập nhau nên việc điều khiển chúng là hoàn toàn cách ly Còn

ở động cơ KĐB thì quan hệ này là quan hệ trễ, các thành phần dòng isd và isq

có quan hệ ràng buộc nhau (do chúng đợc cấp từ một nguồn điện chung) Vìvậy nguyên tắc cho việc mô hình hóa động cơ KĐB trên hệ tọa độ từ thôngrotor là phải áp đặt nhanh và chính xác các thành phần dòng isd và isq thì khi

đó, thành phần dòng isd đợc coi nh dòng điện kích từ ikt là đại lợng điều khiển

từ thông rotor còn thành phần isq đợc coi nh dòng điện phần ứng i là đại lợng

điều khiển mômen quay của động cơ giống nh trong động cơ điện một chiều

Và thực tế, với kỹ thuật hiện đại việc áp đặt nhanh và chính xác các thànhphần dòng isd và isq đã thực hiện đợc Trong hệ tọa độ dq, dòng isd đợc gọi làdòng tạo từ thông (dòng phản kháng) còn dòng isq đợc gọi là dòng tạo mômenquay (dòng tác dụng).

Ngoài ra, một nhợc điểm nữa của phơng pháp điều khiển tựa theo từthông rotor là ở việc phải xác định góc qs đợc tính từ công thức ws  d qs/ dt

trong đó w s  w  w r, với w là tốc độ góc điện của rotor có thể đo đợc còn wr =2fr là đại lợng không đo đợc và cha biết

Mục đích của phơng pháp tựa theo từ thông rotor là tạo ra một công cụcho phép xác định đợc thành phần dòng tạo từ thông và thành phần dòng tạomômen quay từ dòng điện xoay chiều trong cuộn dây ba pha của động cơ.Nhờ thực hiện thuật toán điều khiển trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotorquá trình điều khiển điện áp - tần số hoặc dòng điện - tần số thực hiện với sựtách biệt hai dòng từ thông isd và dòng sinh mô men isq nh ở động cơ điện một

chiều Với các bộ vi xử lý tốc độ cao, những thành tựu của công nghệ chế tạo

bán dẫn công suất, phơng pháp điều khiển trong hệ toạ độ quay tựa theo từ ờng rotor đã điều khiển đợc ĐCĐXCBP nh động cơ điện một chiều [6], [7],[8]

tr-1.3.2 Cấu trúc hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha điều khiểntựa theo từ thông rotor

Căn cứ vào các phơng trình cơ bản của động cơ KĐB ba pha và các kếtquả cuối cùng trong tài liệu [6], [7], [8] ta có hệ phơng trình mô tả động cơKĐB ba pha trên hệ tọa độ dq viết dới dạng véctơ nh sau:

f s s

f s f s s

f

dt

d i R

f r r

f r f r

r j dt

d i R

m

f r s

f s f

r

f r m

f s f

Tách từ các phơng trình (1.28c) và (1.28d) hai véc tơ phụ thuộc ifr và sf

để rút bớt số biến trạng thái cần kiểm soát trong quá trình điều khiển:

) L i ( L

1

i f m

s

f r r f

f s f r r

m m

f s f r r

m s

f s f

L

L ) L i ( L

L L

f r f 0 f

r f s m f

- Tõ th«ng t¶n m¹ch stator vµ rotor:

f s s f

f r r f

e

L

LL

r sq s sd r s

L

1 1

T

1 i i T

1 T

1 dt







 çç

r sd s sq r s

L

1 1

T

1 i i T

1 T

1 dt







 çç

r

sd r

rd

T

1 i T

1 dt

d



w

 w

sq r

rq

T

1 i T

1 dt

d



w

 w

sq rd c r

2 m

e p i

L

L 2

3

dt

d p

J M

M

c c e

2 m

L L

sd rd r

m sq e s sd s sd

dt

d L

L i L i

R dt

di

sq rd r

m sd e s sq s sq

L

L i L ( i

R dt

di

rd r

sd r

m rd

T

1 i T

L dt

3

dt

d J M

Me c  w (1.34e)

Hệ phơng trình (1.34) là mô hình động học của động cơ KĐB biểu diễn

trong hệ toạ độ từ thông rotor d,q Ta rút ra nhận xét sau:

- Thành phần dọc trục isd của véc tơ dòng stator xác định trạng thái từ củamáy, đặc trng bằng giá trị r , gọi là dòng từ hóa (thành phần phản kháng)

Điều khiển nó tác dụng nh điều khiển dòng kích từ ở máy một chiều kích từ

độc lập Điều khiển dòng này với mục đích bảo đảm chế độ làm việc hợp lýcủa quá trình biến đổi năng lợng điện cơ

- Thành phần ngang trục isq của véctơ dòng stator xác định giá trị mômen

điện từ, gọi là dòng mômen (thành phần tác dụng) Tác dụng của nó nh dòngphần ứng ở động cơ một chiều Điều khiển nó sẽ thay đổi tốc độ và vị trí của

hệ truyền động điện

Trong hệ toạ độ quay tựa từ thông rotor, hai thành phần dòng isd, isq đợc

điều khiển bằng hai thành phần đặt một chiều i*

sd, i*

sq (hoặc u*

sd, u*

sq)

Xét hai phơng trình đầu của (1.34), ta thấy có thành phần tác động chéogiữa hai kênh, hay nói cách khác, hai kênh dòng từ thông và dòng mômenkhông hoàn toàn cách ly độc lập nh trong máy điện một chiều kích từ độc lập.Nếu đại lợng điều khiển chọn là usd, usq, ta có thuật toán điều khiển tầnsố- điện áp với biến tần nguồn áp Nếu đại lợng điều khiển chọn là isd, isq ta cóthuật toán điều khiển tần số - dòng điện với biến tần nguồn dòng Hai thànhphần một chiều trong hệ toạ độ quay (d,q) qua phép chuyển toạ độ sẽ điềukhiển biến tần tạo nên sự thay đổi biên độ dòng điện pha (hoặc điện áp pha) vàtần số đặt vào cuộn dây máy điện

Một mô hình cấu trúc điển hình của hệ truyền động điện động cơ KĐB

điều khiển tựa theo từ thông rotor nh hình 1.9

i

b s

u

b s

-ĐCTT

ĐCD1 ĐCD2

MHTT

ĐCTĐ

3 2 CTĐ T

CTĐ N

ĐCVTKG

ĐC KĐB

Mỏy đo tốc độ quay

BT ĐCD

Hình 1.9 Cấu trúc hệ TĐĐ động cơ KĐB ba pha điều khiển T4RTheo mô hình, cấu trúc của hệ truyền động động cơ KĐB ba pha điềukhiển tựa theo từ thông rotor gồm các khối cơ bản sau:

1- Khối tính chuyển tọa độ thuận CTĐT: Khối này thực hiện thuật toánchuyển tọa độ thuận từ 3 pha (U, V, W)  2 pha (, b)  tọa độ quay (d,q) 2- Khối điều chỉnh dòng ĐCD: Khối điều chỉnh này thực hiện thuật toán điềuchỉnh độc lập dòng isd (kênh điều chỉnh từ thông) và dòng isq (kênh điều chỉnh dòngmô men)

3- Khối chuyển tọa độ ngợc CTĐN: Khối này thực hiện phép chuyển tọa độngợc từ tọa độ quay (d,q) về tọa độ tĩnh (, b) Tín hiện điều khiển isd, isq đầu ra bộ

điều chỉnh dòng tính trong hệ tọa độ quay đợc chuyển sang hệ tọa độ tĩnh (, b).4- Khối điều chế véctơ không gian (ĐCVTKG): Khối này thực hiện phépchuyển tọa độ từ hai pha (, b) sang 3 pha (U, V, W) để điều khiển biến tần.5- Khối BT-ĐC: Là phần tử công suất, cấp năng lợng cho cơ cấu công táctheo qui luật điều khiển tần số - dòng điện hoặc tần số -điện áp

6- Bộ điều chỉnh tốc độ quay (ĐCTĐ): Cấp giá trị cần của dòng mômentheo một quy luật xác định phụ thuộc vào chế độ làm việc của máy công tác.7- Bộ điều chỉnh từ thông (ĐCTT): Cấp giá trị cần của dòng từ hoá xác địnhgiá trị từ thông trong máy theo quy luật điều khiển mômen và tốc độ động cơ

8- Mô hình từ thông MHTT: Nhận dạng từ thông rotor (Giá trị r và tốc

độ từ thông w) bằng mô hình tính

Mô hình vật lý động cơ KĐB ba pha với bộ điều điều khiển véc tơ xác

định rõ các cổng đầu vào hệ là từ thông rotor và tốc độ quay của động cơ(hoặc vị trí dịch chuyển) Để tạo nên cấu trúc hệ truyền động bám, ta cầnghép thêm vào mô hình trên với các bộ điều chỉnh vòng ngoài (vòng điềuchỉnh từ thông rotor, vòng điều chỉnh tốc độ quay hay vòng điều chỉnh vị trí).1.3.3 Cấu trúc kênh điều chỉnh từ thông

Xây dựng sơ đồ cấu trúc các kênh điều chỉnh đợc thực hiện trên các giảthiết sau [5], [6], [8], [9], [18]:

+ Bỏ qua tính phi tuyến của các phần tử

+ Các bộ điều chỉnh vòng trong thỏa mãn điều kiện điều khiển cách lyhai kênh dòng từ thông và dòng mômen

+ Bỏ qua tính biến dạng của khớp nối đàn hồi khi ghép động cơ với hệcơ học

Hai phơng trình 1.34 (a,c) tạo nên kênh điều chỉnh từ thông:

sd rd r

m sq e s sd s sd

dt

d L

L i L i

R dt

di

rd r

sd r

m rd

T

1 i T

L dt

động lên kênh điều chỉnh từ thông Ký hiệu các hệ số của phơng trình:

5 e r

m 4 e

s 3 r

m 2 r

1

L

1 a

; L L

L a

; L

R a

; T

L a

m sq s sd e

L

1 p

L L

L i i

) L

R p

sd r

m rd r

i T

L )

T

1 p

hoặc thay các ký hiệu vào:

sd 5 rd 4 sq s sd

3 ) i i a p a u a

p (   w   

sd 2 rd

a p

Chọn đại lợng điều khiển là usd hoặc usq ta có loại biến tần nguồn áp vớicác biến trạng thái là dòng isd và từ thông rotor  rd Sơ đồ cấu trúc kênh điềukhiển từ thông với biến tần nguồn áp ở hình 1.10 Nó gồm hai khâu quán tính

a



3

a p

1 2

a p

còn thay đổi theo thời gian làm việc Giá trị các tham số thay đổi ngẫu nhiên,tốc độ thay đổi chậm, giới hạn thay đổi của các tham số là có thể biết đợc Bởivậy, tuy mô hình đối tợng đơn giản, nhng xét đủ các yếu tố trên, thì mô hìnhmạch điều chỉnh từ thông là mô hình phi tuyến với tham số thay đổi

1.3.4 Cấu trúc kênh điều chỉnh mômen

Cũng tơng tự, từ hai phơng trình (1.34b, d) ta có thể xây dựng cấu trúckênh điều chỉnh mômen nh sau:

sq rd r

m sd e s sq s sq

L

L i L ( i

R dt

di

sq M sq rd c r

m

L

L 2

3

trong đó, đặt c rd

3

k   Nếu từ thông rotor không đổi thì kM là hằng

số còn khi từ thông thay đổi theo một quy luật nhất định nào đó thì kM sẽ biếnthiên trong một phạm vi nhất định Trong thực tế, chế độ làm việc tối u của

động cơ điện là chế độ luôn bảo đảm từ thông không đổi với mọi phạm vi thay

đổi của tải:  = đm = const Vì vậy, chế độ khai thác chủ yếu của động cơứng với trờng hợp kM = const

Trong phơng trình trên, đại lợng )

L

L i L (

~ )

r

m sd e

Với các kỹ thuật hiện đại, đó là việc sử dụng các bộ vi xử lý với tốc độtính toán cao (DSP) và sử dụng loại biến tần nguồn dòng trong điều khiển, cácvấn đề nêu trên đã đợc giải quyết một cách hiệu quả ngay từ khâu thiết kế hệthống Vì vậy ở đây, để đơn giản khi nghiên cứu cấu trúc các kênh động học

ta bỏ qua các thành phần nhiễu này

Nếu chọn đại lợng điều khiển là usq đại lợng đầu ra là isd thì ta có cấu trúckênh điều chỉnh mômen quay với biến tần nguồn áp chính là khâu quán tính

có hàm số truyền là W =

e s

e

L / R p

L / 1

 (hình 1.12)

sq

u

e s

e L / R p

L / 1

M k

Hình 1.13 Cấu trúc kênh điều chỉnh mômen với biến tần nguồn dòng

Từ cấu trúc kênh điều chỉnh mômen động cơ, kết hợp với phơng trìnhchuyển động của hệ cơ học:

dt

d J M

Me c  w (với w là tốc độ gúc quay của động cơ – rad/s)

ta sẽ tìm đợc cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ nhbiểu diễn trên các hình 1.14 và 1.15

M k

-p.

J 1

e L / R p

L / 1



sq

i M

k Me

-p.

J 1

Mc

w

Hình 1.15 Cấu trúc vòng điều chỉnh tốc độ với biến tần nguồn ápCấu trúc các kênh điều chỉnh này là cơ sở để nghiên cứu đặc điểm, chất l-ợng động học của hệ truyền động, đặc biệt là các hệ truyền động bám sử dụng

động cơ KĐB ba pha điều khiển véc tơ Khi nghiên cứu hệ thống, đề tài thừanhận những kết quả nghiên cứu thành công về thuật toán điều khiển véc tơ

trong việc xây dựng cấu trúc các mạch vòng điều chỉnh trong của hệ thống ở

đây chỉ nghiên cứu, đề xuất phơng án thiết kế cấu trúc các mạch vòng điềuchỉnh ngoài ứng dụng cho các hệ thống truyền động bám sử dụng động cơKĐB ba pha điều khiển véctơ trên cơ sở các phơng pháp điều khiển hiện đại

KếT LUậN CHƯƠNG 1

Trong các hệ truyền động điện, động cơ thừa hành là phần tử cơ bản nhấtcủa hệ thống Đối với các hệ truyền động yêu cầu chất lợng điều chỉnh cao,hiện tại vẫn đang sử dụng chủ yếu là loại động cơ điện một chiều Tuy nhiênloại động cơ này có nhiều nhợc điểm về cấu tạo nh kết cấu phức tạp; kích thớctrọng lợng lớn; làm việc kém tin cậy do tồn tại tiếp xúc quay; chịu tác độngnhiều của môi trờng; chi phí vận hành, bảo dỡng cao; gây nhiễu vô tuyến vàkhông làm việc đợc trong các môi trờng cháy nổ Ngợc lại với động cơ điệnmột chiều, động cơ KĐB lại có u điểm lớn về mặt cấu tạo nhng lại tồn tại yếu

điểm về chất lợng điều chỉnh Đối với các phơng pháp điều khiển kinh điển,thuật toán điều khiển cơ bản vẫn dựa trên cơ sở điều chỉnh trực tiếp các thông

số động cơ trong toạ độ cuộn dây ba pha nh phơng pháp điều chỉnh điện áphoặc dòng điện đặt vào stator; phơng pháp điều chỉnh điện trở rotor (đối với

động cơ rotor dây quấn); phơng pháp điều chỉnh tần số trợt Các phơng phápnày đều có dải điều chỉnh hẹp; đặc tính cơ có dạng phi tuyến và đặc biệt có

đoạn không ổn định khi hệ số trợt s> sth Để nâng cao tính điều khiển của

động cơ KĐB, ngời ta đã nghiên cứu phơng pháp điều khiển tần số bảo đảm từthông không đổi theo quy luật U/f bằng hằng số Với phơng pháp điều khiểntần số, đặc tính mômen của động cơ đợc cải thiện; dải tốc độ điều chỉnh đợc

mở rộng Tuy nhiên, khi muốn đổi chiều động cơ, vẫn phải sử dụng biện pháp

đổi pha mạch động lực sau biến tần Chính vì lý do đó đã làm hạn chế việc sửdụng động cơ KĐB ba pha trong các hệ truyền động yêu cầu chất lợng điềuchỉnh cao (đặc biệt là các hệ truyền động điện của hệ thống vũ khí)

Lý do dẫn đến chất lợng điều chỉnh tốt của loại động cơ điện một chiều(động cơ điện một chiều kích từ độc lập) đó là khả năng điều khiển cách lyhoàn toàn giữa hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng điện kích từ) và thànhphần dòng tạo mômen quay (dòng điện phần ứng) Trong động cơ điện xoaychiều ba pha, không tồn tại quan hệ minh bạch đó Đã có nhiều công trìnhnghiên cứu, xây dựng thành công mô hình động cơ điện xoay chiều ba pha dớidạng động cơ điện một chiều và đó chính là cơ sở của phơng pháp điều khiểnvéc tơ hiện đại Các phơng pháp điều khiển véc tơ động cơ điện xoay chiều bapha bao gồm: phơng pháp tựa theo từ thông rotor (T4R), phơng pháp tựa theo

từ thông stator SFO (Stator field Orientation), phơng pháp tựa hớng trờng tựnhiên NFO (Natural Field Orientation); phơng pháp tự chỉnh trực tiếp DSC

(Direct Self-Control); phơng pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (DirectTouque Control) [5], [8], [9] Tuy vậy, duy nhất phơng pháp điều khiển tựatheo từ thông rotor đợc quan tâm nhất, đạt hiệu quả cao nhất và đợc dùng chủyếu hiện nay.

Bản chất của phơng pháp điều khiển véc tơ là quá trình điều khiển biên

độ và vị trí pha của véc tơ không gian của các đại lợng điện từ của ĐCXCBPtrong một hệ toạ độ bất kỳ Hệ toạ độ nghiên cứu là hệ toạ độ tựa theo từthông rotor, quay với tốc độ đồng bộ ws Yêu cầu đối với hệ điều khiển véc tơ

động cơ KĐB ba pha đó là:

- Phải bảo đảm cách ly tuyệt đối hai thành phần dòng từ thông (isd) vàthành phần dòng momen (isq)

- Bảo đảm khả năng áp đặt nhanh dòng điện stator (thời gian đáp ứng của bộ

điều chỉnh dòng gần nh bằng không, có thể bỏ qua hoặc tính nh một khâu trễ thờigian nhỏ)

Yêu cầu thứ nhất đợc giải quyết bằng bộ điều chỉnh nhiều chiều với sựtham gia của các bộ vi xử lý tốc độ cao (DSP) Bộ điều chỉnh dòng đợc thiết

kế để khử tác động ngang của hai kênh lên nhau Điều quan trọng là phải nhậndạng chính xác vị trí từ thông rotor để hệ toạ độ dq luôn gắn chặt với vec tơ từthông rotor Yêu cầu thứ hai đợc thực hiện bằng giải pháp sử dụng biến tầnnguồn dòng Do đó, vấn đề cách ly và áp đặt nhanh hai thành phần dòng điện

có thể giải quyết đợc ngay từ khâu thiết kế hệ thống [5], [6], [8], [9]

Với các kết luận nêu trên, chúng ta hoàn toàn có cơ sở khoa học khẳng

định việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống truyền động điện chất lợngcao sử dụng động cơ KĐB ba pha điều khiển véc tơ là hoàn toàn khả thi và cótính thực tiễn cao Vì vậy trong toàn bộ nội dung của chơng này đi sâu vàonghiên cứu thuật toán xây dựng; phơng pháp biểu diễn và xây dựng mô hìnhvật lý của động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor; nghiêncứu cấu trúc động học các kênh điều chỉnh động cơ nhằm thiết kế, cải thiện vànâng cao chất lợng điều chỉnh hệ truyền động điện

do ý nghĩa (fuzzy-mờ) cho nên trong những năm đầu ra đời, fuzzy logic đãkhông đợc chú ý nhiều ở tại đất nớc đã khai sinh ra nó Mãi đến những nămcuối thập kỷ 90 của thế kỷ XX, lý thuyết này mới thực sự đợc quan tâmnghiên cứu và nhanh chóng đợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết mọi lĩnh vực.

Ưu điểm của logic mờ là nó cho phép điều khiển đối tợng dựa vào các thông tincảm nhận phát biểu dới dạng ngôn ngữ, mà không đòi hỏi sự hiểu biết đầy đủ vàchính xác về mô hình đối tợng Những ứng dụng gần đây về hệ điều khiển mờ

đã mang lại nhiều hiệu quả đáng kể trong các hệ điều khiển hiện đại, nó đãgiải quyết đợc nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trớc đây cha thể giảiquyết hoặc giải quyết cha trọn vẹn bằng phơng pháp kinh điển Hệ điều khiển

mờ sử dụng đợc các kinh nghiệm vận hành đối tợng và các xử lý điều khiểncủa chuyên gia trong thuật toán điều khiển, do vậy hệ điều khiển mờ là một b-

ớc tiến gần tới t duy con ngời

Điều khiển mờ thờng đợc sử dụng trong các hệ thống sau đây:

- Hệ thống điều khiển phi tuyến;

- Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào hoặc đầu ra là không đầy

đủ, không xác định đợc chính xác;

- Hệ thống điều khiển không xác định đợc tham số hoặc mô hình đối ợng

Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng

t-ơng tự nh các hệ điều khiển truyền thống, điểm khác biệt duy nhất ở đây là sửdụng bộ điều khiển mờ

Các nguyên lý điều khiển mờ tuy chúng có thể khác nhau về các mệnh

đề điều kiện, nhng đều có một cấu trúc:

“NếU THì ” theo một hay nhiều điều kiện

Vậy bản chất nguyên lý điều khiển mờ là xây dựng mô hình, xây dựngthuật toán để điều khiển theo nguyên lý điều khiển mờ, nói cách khác là làmcách nào để có thể tổng quát hóa chúng thành một nguyên lý điều khiển mờchung và từ đó áp dụng cho các quá trình tơng tự.

Điều khiển mờ chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹthuật hiện đại Kỹ thuật điều khiển này đồng nghĩa với độ chính xác và khảnăng thực hiện Những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ rộngrãi nh: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trongcông nghiệp và dân dụng Trong thực tế, bộ điều khiển kinh điển thờng bị bếtắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp cao, thờng xuyên thay đổi trạngthái, cấu trúc và tham số của đối tợng Bộ điều khiển đợc thiết kế dựa trêncơ sở logic mờ giải quyết đợc vấn đề trên và càng đơn giản hơn trong việcthực hiện giải pháp này

So với các giải pháp kỹ thuật đợc áp dụng để tổng hợp các hệ thống điềukhiển từ trớc đến nay thì phơng pháp tổng hợp hệ thống bằng bộ điều khiển

mờ có những u điểm rõ rệt sau đây [5], [13], [15]:

- Khối lợng công việc thiết kế đợc giảm đi nhiều do không cần phải sửdụng mô hình đối tợng trong việc tổng hợp hệ thống Với các bài toán thiết kế

hệ thống điều khiển có độ phức tạp cao thì giải pháp sử dụng bộ điều khiển

mờ sẽ cho phép giảm khối lợng tính toán và giá thành sản phẩm

- Điều khiển mờ thích hợp để điều khiển những đối tợng có tính phituyến; điều khiển các đối tợng có tham số biến thiên, có hằng số thời gian trễlớn và có tham số rải

- Bộ ĐKM đợc xây dựng dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia

- Có thể kết hợp ĐKM với nhiều kỹ thuật điều khiển thích hợp khác

- Bộ điều khiển mờ đợc xây dựng dựa trên ngôn ngữ tự nhiên, vì vậy rấtgần gũi với cuộc sống hàng ngày

- Bộ ĐKM dễ hiểu và dễ thay đổi hơn so với các bộ điều khiển khác

- Trong nhiều trờng hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bềnvững hơn và có chất lợng cao hơn

- Bộ điều khiển mờ còn có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dớidạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng có khả năng điều khiển

đối tợng một cách "rõ ràng" và "chính xác"

ứng dụng lý thuyết mờ trong điều khiển truyền động điện là một xu thếbởi tính xấp xỉ vạn năng của nó Trong nhiều thập niên vừa qua, đã có nhiềucông trình nghiên cứu trong và ngoài nớc đợc công bố và áp dụng vào điềukhiển các hệ thống trong thực tế đạt đợc chất lợng cao, chủ yếu ở lĩnh vực

điều khiển truyền động điện Với những nghiên cứu và kết luận cho thấy, hệtruyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha có đầy đủ nhữngtính năng thích ứng với mô hình bộ điều khiển mờ

Trong thực tế, các hệ truyền động điện xoay chiều đang đợc nghiên cứu,hoàn thiện thuật toán điều khiển để thay thế các hệ truyền động điện mộtchiều vốn không còn là thế mạnh trong lĩnh vực điều khiển Việc ứng dụngcác kỹ thuật điều khiển hiện đại vào hệ thống này là một vấn đề khoa học và

có tính thực tiễn cao

2.2 Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ

2.2.1 Khái niệm về tập mờ:

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của

nó là một cặp các giá trị (x, F(x)) trong đó x  M và F là ánh xạ:

F: M  [0, 1]

ánh xạ F đợc gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F.Tập kinh điển M đợc gọi là cơ sở của tập mờ F

Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào

đó có hai cách: tính trực tiếp (nếu F(x) ở dạng công thức tờng minh) hoặc trabảng (nếu F(x) ở dạng bảng)

Các hàm liên thuộc F(x) có dạng “trơn” đợc gọi là hàm liên thuộc kiểu

S Đối với hàm liên thuộc kiểu S, do các công thức biểu diễn F(x) có độ phứctạp lớn nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu Trong kỹ thuật

điều khiển mờ thông thờng, các hàm liên thuộc kiểu S thờng đợc thay gần

2.2.2 Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ:

- Độ cao của một tập mờ F (trên cơ sở M) là giá trị:

) x ( sup

M x





Một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 đợc gọi là tập

mờ chính tắc tức là H = 1, ngợc lại một tập mờ F với H < 1 đợc gọi là tập mờkhông chính tắc

- Miền xác định của tập mờ F (trên cơ sở M), đợc ký hiệu bởi S là tập concủa M thỏa mãn:

- chậm, to - nhỏ, âm - dơng,… Những phát biểu nh vậy gọi là biến ngôn ngữcủa tập mờ

Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau:

Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy:

- Rất nhanh (VF)

Gọi x là giá trị của biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h Hàm thuộc

tơng ứng của các biến ngôn ngữ trên đợc ký hiệu là: VS (x), S (x), M (x), F (x),

) x ( ) x (

) x ( x

VF F M S VS



Cách biểu diễn trên đợc gọi là quá trình mờ hóa giá trị rõ x

2.2.4 Một vài dạng hàm liên thuộc thờng đợc sử dụng

Một số hàm liên thuộc thờng đợc sử dụng khi nghiên cứu, tổng hợp các

bộ điều khiển mờ gồm:

- Hàm liên thuộc đợc xây dựng dựa trên các đờng thẳng: Dạng này có u

điểm là đơn giản Chúng gồm hai dạng chính là: tam giác và hình thang;

- Hàm liên thuộc đợc xây dựng dựa trên đờng cong phân bố Gauss: kiểuthứ nhất là đờng cong Gauss dạng đơn giản và kiểu thứ hai là sự kết hợp hai đ-ờng cong Gauss khác nhau ở hai phía Cả hai đờng cong này đều có u điểm làtrơn và không gẫy ở mọi điểm nên chúng là phơng pháp phổ biến để xác địnhtập mờ;

- Ngoài ra, hàm liên thuộc còn có thể có một số dạng ít phổ biến (chỉ đợc

sử dụng trong một số ứng dụng nhất định) Đó là các dạng sigma và các dạng

đờng cong Z, Pi và S

0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Hình 2.3 Các dạng hàm liên thuộc thờng gặp2.2.5 Các phép toán trên tập mờ

Cho X,Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tơng ứng

là X, Y , khi đó:

- Phép hợp hai tập mờ: XY

+ Theo luật Max: XY(b) = Max{ X(b), Y(b)} (2.4) + Theo luật Sum: XY(b) = Min{ 1, X(b) + Y(b)} (2.5)

+ Tổng trực tiếp: XY(b) = X(b) + Y(b) - X(b).Y(b) (2.6)

- Phép giao hai tập mờ: XY

+ Theo luật Min: XY(b) = Min{ X(b), Y(b)} (2.7)

+ Theo luật Lukasiewicz: XY(b) = Max{0, X(b)+Y(b)-1} (2.8)

+ Theo luật Prod: XY(b) = X(b).Y(b) (2.0)

- Phép bù tập mờ:  c (b) = 1- X(b) (2.10)

2.2.6 Luật hợp thành

2.2.6.1 Mệnh đề hợp thành

Cho hai biến ngôn ngữ  và  Nếu biến  nhận giá trị (mờ) A với hàmliên thuộc A(x) và  nhận giá trị (mờ) B với hàm liên thuộc B(y) thì biểuthức:  = A đợc gọi là mệnh đề điều kiện và  = B đợc gọi là mệnh đề kếtluận

Nếu ký hiệu mệnh đề  = A là p và mệnh đề  = B là q thì mệnh đề hợpthành p  q (từ p suy ra q) hoàn toàn tơng đơng với luật điều khiển:

Nếu  = A thì  = BMệnh đề hợp thành trên là một ví dụ đơn giản về bộ điều khiển mờ Nócho phép từ một giá trị đầu vào x0 hay cụ thể hơn là từ độ phụ thuộc A(x0) đốivới tập mờ A của giá trị đầu vào x0 xác định đợc hệ số thỏa mãn mệnh đề kếtluận q của giá trị đầu ra y Biểu diễn hệ số thỏa mãn mệnh đề q của y nh mộttập mờ B’ cùng cơ sở với B thì mệnh đề hợp thành chính là ánh xạ:

A(x0)  B(y)

2.2.6.2 Nguyên tắc xây dựng hàm liên thuộc cho mệnh đề hợp thành

Có nhiều nguyên tắc xây dựng hàm liên thuộc A B (x, y) cho mệnh đề

hợp thành A  B, thông thờng hay sử dụng các công thức sau đây:

1 AB(x, y) = MAX{MIN{A(x), B(y)},1 - A(x)} công thức Zadeh,

2 AB(x, y) = MIN{1, 1 - A(x) + B(y)} công thức Lukasiewicz,

3 AB(x, y) = MAX{1 - A(x), B(y)} công thức Kleene-Dienes,Một trong những nguyên tắc đợc sử dụng nhiều nhất và có tính thuyếtphục cao nhất hiện nay là nguyên tắc của Mamdani Nguyên tắc Mamdani

phát biểu nh sau: “Độ phụ thuộc của kết luận không đợc lớn hơn độ phụ thuộc

của điều kiện”, [13].

Biểu diễn nguyên tắc Mamdani dới dạng công thức ta đợc:

) , ( ) y ( )

x

Từ nguyên tắc của Mamdani có đợc các công thức xác định hàm liên

thuộc sau cho mệnh đề hợp thành A  B:

1 AB(x, y) = MIN{A(x), B(y)} công thức max-MIN,

2 AB(x, y) = A(x).B(y) công thức max-PROD,

Các công thức trên cho mệnh đề hợp thành A  B đợc gọi là quy tắc hợp

thành

2.2.6.3 Luật hợp thành mờ

Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiềuhàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành Các luật hợp thành cơ bảngồm có:

- Luật hợp thành max-PROD, nếu các hàm liên thuộc thành phần đợc xác

định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp giữa các mệnh đề hợp thành

đợc lấy theo luật max;

- Luật hợp thành max-MIN, nếu các hàm liên thuộc thành phần đợc xác

định theo quy tắc hợp thành MIN và phép hợp giữa các mệnh đề hợp thành

đ-ợc lấy theo luật max;

- Luật hợp thành sum-MIN, nếu các hàm liên thuộc thành phần đợc xác

định theo quy tắc hợp thành MIN và phép hợp đợc lấy theo công thứcLukasiewicz;

- Luật hợp thành sum-PROD, nếu các hàm liên thuộc thành phần đợc xác

định theo quy tắc hợp thành PROD và phép hợp đợc lấy theo công thứcLukasiewicz

Có thể khái quát các phép tính của các luật hợp thành đợc xây dựng dựatrên phần mềm Matlab - Simulink theo bảng 2.1 nh sau:

Bảng 2.1. Các luật hợp thành cơ bản

Luật hợp

thành

Phép tính AND OR Implication Aggregation

phơng pháp điểm trọng tâm, trong đó cơ sở của tập mờ B’ đợc ký hiệu thốngnhất là Y.

2.2.7.1 Phơng pháp cực đại

Giải mờ theo phơng pháp cực đại gồm hai bớc:

- Xác định miền chứa giá trị rõ y’: Giá trị rõ y’ là giá trị mà tại đó hàmliên thuộc đạt giá trị cực đại (độ cao H của tập mờ B’), tức là miền:

y 1  2

Nếu ký hiệu:

) y ( inf y

G y 1

dy ) y (

dy ) y ( y '

trong đó S là miền xác định của tập mờ B’

Công thức trên cho phép xác định giá trị y’ với sự tham gia của tất cả cáctập mờ đầu ra của một luật điều khiển một cách bình đẳng và chính xác, tuynhiên lại không để ý đợc tới độ thỏa mãn của luật điều khiển quyết định vàthời gian tính toán lâu [15] Ngoài ra một trong những nhợc điểm cơ bản củaphơng pháp điểm trọng tâm là có thể giá trị y’ xác định đợc lại có độ phụthuộc nhỏ nhất, thậm chí bằng 0 Bởi vậy để tránh những trờng hợp nh vậy,khi định nghĩa hàm liên thuộc cho từng giá trị mờ của một biến ngôn ngữ nên

để ý sao cho miền xác định của các giá trị đầu ra là một miền liên thông

* Phơng pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành sum-MIN:

Giả sử có q luật điều khiển đợc triển khai Vậy thì mỗi giá trị mờ B’ tại

đầu ra của bộ điều khiển thứ k với k = 1, 2, , q thì quy tắc sum-MIN, hàmliên thuộc B’(y) sẽ là:

' B '

q 1

q 1

S

q 1

k B'kS

q 1

k B'k

A

M dy

) y (

dy ) y ( y dy

) y (

dy ) y ( y

' y

k y ( y ) dy

M k và 

S ' B

) a m 3 b m 3 a b m 3 m 3 ( 6

H

1 2 2

) b a m 2 m 2 ( 2

H

Chú ý hai công thức trên có thể áp dụng cả cho luật max-MIN, [13]

* Phơng pháp độ cao (Singletơn):

Sử dụng công thức tính y’ trên cho cả hai loại luật hợp thành max - MIN

và sum - MIN với thêm một giả thiết là mỗi tập mờ B’k(y) đợc xấp xỉ bằngmột cặp giá trị (yk, Hk) duy nhất (singleton), trong đó Hk là độ cao của B’k(y)

và yk là một điểm mẫu trong miền giá trị của B’k(y) có: B’k(y) = Hk

H

Hy'

Công thức trên có tên gọi là công thức tính xấp xỉ y’ theo phơng pháp độcao và không chỉ áp dụng cho luật hợp thành max-MIN, sum-MIN mà còn cóthể cho cả những luật hợp thành khác nh max-PROD hay sum-PROD

2.2.8 Tối u hoá hệ thống

Sau khi bộ điều khiển mờ đã đợc tổng hợp, có thể ghép nối nó với đối ợng điều khiển thực hoặc với một đối tợng mô phỏng để thử nghiệm Trongquá trình thử nghiệm cần đặc biệt kiểm tra xem có tồn tại lỗ hổng nào trongquá trình làm việc hay không, tức là phải xác định xem tập các luật điều khiển

t-đợc xây dựng có đầy đủ hay không để khắc phục Nguyên nhân của hiện tợng

lỗ hổng có thể do việc thiết lập các nguyên tắc điều khiển chung quanh điểmlàm việc không phủ lên nhau hoàn toàn, hoặc là có một số kết quả sai sóttrong các nguyên tắc điều khiển đợc thiết lập Một nguyên nhân nữa có thểxảy ra là bộ điều khiển làm việc không ổn định, vì nó nằm quá xa điểm làmviệc Trong mọi trờng hợp trớc hết nên xem xét lại các luật điều khiển cơ sở.Sau khi đã đảm bảo đợc các bộ điều khiển làm việc ổn định và không có các

lỗ hổng, bớc tiếp theo là tối u trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khácnhau Chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này chủ yếu đợc thực hiệnthông qua việc hiệu chỉnh hàm liên thuộc và thiết lập thêm các nguyên tắc

điều khiển bổ sung hoặc sửa đổi lại các nguyên tắc điều khiển đã có Việcchỉnh định sẽ rất có kết quả nếu nh đợc thực hiện trên một hệ kín Khi xử lýcác kết quả chỉnh định cần đặc biệt để ý khi các hệ thống không phụ thuộc