Nghiên cứu bộ điều khiển mờ thích nghi với tải thay đổi cho động cơ PMSM: luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện

Trình bày chi tiết giải thuật điều khiển động cơ PMSM cho tải thay đổi sử dụng bộ điều khiển tốc độ Fuzzy thích nghi nhằm ổn định tốc độ Roto trong quá trình hoạt động của động cơ.. Thiế

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN VŨ QUỲNH

ĐỒNG NAI – NĂM 2018

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Lạc Hồng đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, trang thiết bị trong suốt thời gian tôi được tham gia học tập và nghiên cứu tại quý trường

Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Lạc Hồng đã tận tình truyền đạt, hướng dẫn, trang bị những kiến thức khọc học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá trình học cao học tại trường

Đặc biệt, xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Vũ Quỳnh - người đã tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu giúp tôi hoàn thiện luận văn này

Và cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, đồng nghiệp, bạn

bè đã giúp đỡ, tạo niềm tin cho tôi để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Biên Hòa, ngày 12 tháng 11 năm 2018

Người thực hiện

Tạ Quang Chung

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đều có sự xin phép, các trích dẫn đều có ghi rõ nguồn gốc và được trích dẫn từ các công trình nghiên cứu đã được công bố

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Biên Hòa, ngày 12 tháng 11 năm 2018

Người thực hiện

Tạ Quang Chung

Luận văn trình bày về phương pháp điều khiển tốc độ cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Trình bày chi tiết giải thuật điều khiển động cơ PMSM cho tải thay đổi sử dụng bộ điều khiển tốc độ Fuzzy thích nghi nhằm ổn định tốc độ Roto trong quá trình hoạt động của động cơ

Thiết kế các khâu của hệ thống điều khiển tốc độ, viết chương trình và thực hiện mô phỏng từng bộ phận trên Simulink/Matlab nhằm tìm ra các lỗi để khắc phục Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt, đáp ứng được yêu cầu về điều chỉnh tốc độ cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Cấu trúc luận văn gồm có 4 chương:

+ Chương 1: Tổng quan

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết

+ Chương 3: Xây dựng mô hình

+ Chương 4: Kết quả mô phỏng và kết luận

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Tóm tắt

Mục lục

Danh mục chữ viết tắt

Danh mục các hình

Danh mục các bảng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.4 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 3

1.4.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 3

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 3

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Động cơ xoay chiều 4

2.1.1 Giới thiệu chung 4

2.1.2 Mô hình toán học động cơ PMSM 4

2.2 Bộ điều khiển PID 7

2.2.1 Định nghĩa 7

2.2.2 Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển PID 8

2.2.3 Các đặc trưng của bộ điều khiển PID 8

2.2.4 Các quy luật điều khiển trong bộ PID 10

2.2.5 Điều khiển tỷ lệ (P) 10

2.2.6 Điều khiển tích phân (I) 11

2.2.8 Điều khiển vi phân (D) 14

2.2.9 Các phương pháp điều khiển PID cổ điển 15

Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế như hình 2.9 19

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH 21

3.1 Xây dựng mô hình điều khiển định hướng từ thông (Field Oriented Control- FOC)[6-16] 21

3.2 Thiết kế các bộ điều khiển dòng 22

3.3 Bộ điều chế vector không gian (space vector pule width modulation- SVPWM) 24

3.3.1 Giới thiệu chung 24

3.3.2 Sơ đồ sắp xếp các vector V0 V7 trên trục Va; Vb; Vc 26

 3.3.3 Giới thiệu vector V ref 28

3.3.4 Cách tính toán thời gian để tạo ra vector V ref 29

3.3.5 Giản đồ đóng ngắt các khóa để tạo ra Vector Vref trong từng sector 32

3.4 Xây dựng bộ điều khiển thích nghi: 33

3.4.1 Fuzzy processor 1 35

3.4.2 Fuzzy processor 2 36

CHƯƠNG 4: Kết Quả Mô Phỏng và Kết Luận 38

4.1 Tham số mô hình 38

4.2 Đáp ứng của mô hình: 39

4.3 Kết Luận: 42 Tài liệu tham khảo

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID. 7

Hình 2.2 Hệ thống điều khiển vòng kín. 8

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển đối tượng bằng bộ PID 8

Hình 2.4 Điều khiển tỷ lệ với các hệ số Kp khác nhau. 11

Hình 2.5 Các quá trình quá độ điều chỉnh của khâu điều khiển PI. 13

Hình 2.6 Sơ đồ khối của một hệ hở. 15

Hình 2.7 Đáp ứng của hệ hở 16

Hình 2.8 Đồ thị biểu diễn độ vọt lố tối đa 25% 17

Hình 2.9: Bộ điều khiển mờ cơ bản. 18

Hình 2.10 Bộ điều khiển mờ động 18

Hình 2.11 Hệ kín phản hồi âm với sự tham gia của bộ điều khiển mờ. 19

Hình 3.1 Mô hình điều khiển FOC 22

Hình 3.2 Dòng điện qua bộ biến đổi Clark 23

Hình 3.3 bộ biến đổi Park. 23

Hình 3.4 Dòng điện được biến đổi thông qua bộ biến đổi Park-1. 23

Hình 3.5 Dòng điện được biến đổi thông qua bộ biến đổi Clark-1 24

Hình 3.6 Mối liên hệ của các khối điều khiển dòng. 24

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý đồ bộ nghịch lưu 3 pha 25

Hình 3.8 Trạng thái đóng ngắt các khóa bộ nghịch lưu. 26

Hình 3.9: Bộ nghịch lưu ở trạng thái V1 27

Hình 3.10 V7 & V0. 27

 Hình 3.11 Các vector cơ sở và các sector và V ref trên hệ trục α β 28

Hình 3.12 Một phần sáu hình lục giác trong phương pháp SVPWM. 29

Hình 3.14 Sơ đồ khối mô hình điều khiển Fuzzy PI 34

Hình 3.15 Sơ đồ khối bộ điều khiển Fuzzy PI 35

Hình 3.16 Hàm liên thuộc ngõ vào Fuzzy processor 1 36

Hình 3.17 Hàm liên thuộc ngõ ra Fuzzy processor 1 36

Hình 3.18 Hàm liên thuộc ngõ vào Fuzzy processor 2 37

Hình 3.19 Hàm liên thuộc ngõ ra Fuzzy processor 2 37

Hình 4.1 mô hình điều khiển thực hiện trên Matlab 38

Hình 4.2 đáp ứng tốc độ. 39

Hình 4.3 monent trên trục động cơ 39

Hình 4.4 (a) so sánh đáp ứng giữa các bộ điều khiển 40

Hình 4.4 (b) tỉ lệ độ biến tốc độ 40

Hình 4.5(a) đòng điện đo trên cuộn Sato 41

Hình 4.5(b) góc theta của Roto động cơ. 41

Hình 4.5(c) quá trình biến đổi góc theta khi đảo chiều 41

Bảng 2.1 Bảng tính các thông số PID của phương pháp Ziegler-Nichols1 16

Bảng 2.2 Bảng tính các thông số PID theo Ziegler-Nichols 2 16

Bảng 3.1: Tám trạng thái các khóa và điện áp ngõ ra tương ứng 25

Bảng 3.2 Thời gian chuyển mạch các khóa bán dần của các sector 33

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt

D Derivative Bộ điều khiển vi phân

FOC Field Oriented Control Mô hình điều khiển định hướng từ

thông

I Integral controller Bộ điều khiển tích phân

P Proportional controller Bộ điều khiển tỉ lệ

PI Proportional-integral Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

Width Modulation

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Mục tiêu đặt ra của nước ta là trở thành một nước công nghiệp hóa và cách mạng công nghiệp 4.0 đang dần định hình và phát triển với xu hướng tự động hóa cao, giúp tăng năng suất lao động, con người không còn phải làm việc trong môi trường độc hại[3,4] Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu(PMSM) được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo như máy cắt gọt kim loại, máy đóng gói, máy gia công chính xác, robot; vì vậy bộ điều khiển của động cơ đóng một vai trò rất quan trọng Hiện nay với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, rất nhiều các hệ điều khiển đã sử dụng PMSM như một đối tượng điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội Chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng đạt được độ ổn định cao và hệ có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh.Tất cả những điều này thực sự đã đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự động

Để giải quyết những vấn đề trên, đã có nhiều nghiên cứu và áp dụng nhiều lý thuyết điều khiển vào quá trình điều khiển động cơ PMSM, mỗi một phương pháp đều có những

ưu điểm, nhược điểm riêng nhưng nhìn chung ở mỗi hệ thống khi đã lựa chọn phương án điều khiển nào thì người thiết kế đều đạt được những kết quả nhất định cho mục đích của mình

Hiện nay, để điều khiển các hệ truyền động điện người ta đã áp dụng một số các lý thuyết tiêu biểu như: Phương pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo, hệ mờ (Fuzzy)… và một số hệ điều khiển lai Đặc biệt những nghiên cứu gần đây đã cho thấy những ưu điểm vượt trội so với các bộ điều khiển cổ điển Do đó, tác giả

đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu bộ điều khiển mờ thích nghi với tải thay đổi cho

động cơ PMSM”

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ở trong nước cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha Tiêu biểu đó là công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm

Thượng Cát, Lê Minh Hùng, Phạm Minh Tuấn “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng Mạng Neural Nhân Tạo” Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ

của động cơ khi sử dụng mạng nơron bám sát tốc độ đặt Tại thời điểm tải thay đổi đột biến tốc độ có quá trình quá độ nhất định nhưng chỉ sau một khoảng thời gian ngắn mạng nơron tự học và tác động đưa tốc độ động cơ về với tốc độ yêu cầu, sai số trung bình 10-3[1]

Ngoài ra còn có công trình nghiên cứu của Phạm Văn Lực, thuộc Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha” Kết

quả mô phỏng cho thấy phương pháp PID - Fuzzy tốt hơn so với phương pháp PID thông thường như dòng điện khởi động nhỏ, tốc độ động cơ bám sát tốc độ đặt với sai số nhỏ[2]

Ở nước ngoài có công trình nghiên cứu của nhóm tác giả M.T Benchouia, S.E

Zolizou, A.Golea, A.Ghamri “Modeling and Simulation of Variable Speed Drive System with Adaptive Fuzzy Controller Application to PMSM”, Đã đề xuất mô hình điều khiển

động cơ PMSM sử dụng bộ điều khiền mờ với luật mờ được xác định bởi mô hình quan sát Kết qủa mô phỏng cho thấy đáp ứng của tốc độ khá nhanh nhưng vẫn còn vọt lố[11]

Công trình nghiên cứ của tác giả Amit Vilas Sant và K R Rajagopal, “PM Synchronous Motor Speed Control Using Hybrid Fuzzy-PI With Novel Switching Functions”, đã đề xuất phuong pháp bộ điều khiển lai điều khiển tốc độ động cơ PMSM

Nhờ đó tốc độ động cơ được ổn định, thời gian đáp ứng nhanh[12]

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài này giúp cải thiện độ vọt lố của đáp ứng tốc độ khi tải thay đổi trong các đề tài trước Trên cơ sở đó, những kiến thức có thể được áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có thể phát triển để ứng dụng trong đời sống cũng như trong công nghiệp và

sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành tự động hóa

1.4 Mục đích và đối tượng nghiên cứu

Ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi điều khiển và ổn định tốc độ động cơ PMSM khi tải thay đổi

- Động cơ PMSM

- Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ định hướng theo từ thông rotor

(FOC)

- Bộ điều chế Vector không gian

- Bộ điều khiển Mờ thích nghi

- Bộ điều khiển PI trong khâu điều chỉnh tốc độ động cơ PMSM

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài

- Xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển cho động cơ PMSM

- Trình bày sơ đồ điều khiển FOC

- Xây dựng giải thuật mờ thích nghi, viết chương trình và mô phỏng bộ điều

khiển tốc độ khi tải thay đổi

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Xây dựng mô hình mô phỏng, thuật toán điều khiển và kiểm chứng kết quả bằng phần mềm Matlab-Simulink

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Động cơ xoay chiều

Động cơ xoay chiều ngày càng được áp dụng trong công nghiệp cũng như dân dụng nhờ các tính năng ưu việt như cấu trúc nhỏ gọn, công suất lớn cũng như hiệu quả kinh tế, thuận tiện trong quá trình thiết kế, điều khiển, bảo dưỡng Do đó, trong những thập kỷ gần đây động cơ xoay chiều đang đần thay thế động cơ một chiều

Động cơ xoay chiều được chia làm 2 loại: động cơ không đồng bộ và động cơ đồng

bộ Động cơ ba pha đồng bộ nam châm vĩnh cửu(PMSM) là dạng đặc biệt của động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ thông thường cuộn dây ở rotor đươc cấp nguồn một chiều qua chổi than và vành trượt Điều này làm tổn hao rotor, thường xuyên phải bảo dưỡng chổi than, làm giảm tuổi thọ động cơ Nhằm khắc phục những nhược điểm nêu trên, người ta thay cuộn kích từ, nguồn kích từ, chổi than – vành trượt bằng một thanh nam châm vĩnh cửu[6-8]

Động cơ PMSM có rất nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác đang sử dụng trong truyền động điện xoay chiều Ở động cơ dị bộ dòng stator vừa để tạo từ trường vừa

để tạo moment, khi sử dụng nam châm vĩnh cửu ở rotor, động cơ PMSM không cần cấp một dòng điện kích từ để tạo từ thông không đổi ở khe hở không khí, dòng stator chỉ cần

để tạo moment Như vậy, với cùng một đại lượng ra động cơ PMSM sẽ làm việc với hệ số

cos  lớn vì không cần dòng kích từ, do đó hiệu suất động cơ sẽ cao hơn Do đó, ở đề tài này chỉ khảo sát đối tượng là động cơ PMSM[5]

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên mô hình được xây dựng ở đây chủ yếu để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Để đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế trong phạm vi sai lệch cho phép ta giả thiết rằng:

- Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

- Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ

- Các giá trị điện trở, điện cảm coi là không đổi

Hệ phương trình cơ bản của động cơ PMSM được trình bày như bên dưới: [5,8,17]



(t )  R i (t)  d

dt



d (t)  (t )  R i (t)  sb U sb sb  s dt 

 (t )  R i (t)  dsc (t) U sc sc  s dt 

Với:  U sa (t),U sb (t),U sc (t): Điện áp trên 3 dây stator   i sa (t), i sb (t), i sc (t): Dòng điện trên ba dây stator   Ψ sa (t), Ψ sb (t), Ψ sc (t): Từ thông móc vòng của 3 cuộn dây stator   R s : Điện trở dây quấn stator Ta có thể biểu diễn phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

(t ) 2  (t )  U 0

U j 240 0  U U (t )e j 120 (t )e  s 3  sa sb

sc

Từ (2.1) ta được

s s ds s

U s  R s i s 

dt

Trong đó:

(t ) 2  i sa (t )  i sb (t )e 0  i sc (t )e j 240 0 

i s j 120 là vector dòng stator 3  

s (t)2   sb (t)e 0  sc (t )e j 240 0 

sa (t) j 120 là vector từ thông stator  

3 

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4) (2.5)

Chỉ số “s” chỉ hệ quy chiếu stator

Nếu quan sát trên hệ tọa độ rotor (d-q) có trục trùng với trục từ thông vĩnh cửu thì (2.1) trở thành

Chỉ số “f” chỉ hệ quy chiếu rotor

Vector từ thông stator s gồm hai thành phần: Một thành phần do dòng stator tự

2.2 Bộ điều khiển PID

Kp

Hình 2.1: Cấu trúc bộ điều khiển PID [9]

Điều khiển PID (Proportional integral derivative controller) là một kiểu điều khiển

có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tương ứng với sự thay đổi của giá trị đo Người ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay PID[9]

Công thức toán của bộ điều khiển PID:

 Td = Kd/Kp: thời gian khâu tích phân

(2.11)

2.2.2 Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển PID

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển vòng kín[9]

Bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau

đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp

Hàm truyền của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:

Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển PID:

U (s)  K E(s)  K E(s)  K S.E(s)

PV

Cảm biến đo lường

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển đối tượng bằng bộ PID[9]

Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Để đạt kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống, nói cách khác các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống

Trong hệ thống điều khiển bằng bộ PID, giá trị có được từ cảm biến hay đo lường trong xử lý gọi là biến quá trình và ký hiệu là PV Đại lượng đầu ra mong muốn gọi là điểm đặt SP Biến đầu vào của đối tượng điều khiển là MV Sai lệch giữa biến quá trình

PV và điểm đặt SP là e Sau khi đo lường giá trị PV và tính toán sai số e, bộ điều khiển quyết định tăng giảm giá trị điều khiển MV bằng bao nhiêu, đây chính là điều khiển tỉ lệ

P Trong trường hợp cần đẩy nhanh quá trình xác lập giá trị SP mong muốn thì bộ điều khiển tăng tốc độ của chu trình điều khiển, đây chính là điều khiển tích phân I Để đạt được sự hội tụ tăng dần đến giá trị mong muốn SP, bộ điều khiển cần phải làm tắt dần dao động dự đoán trong tương lai, điều này được thực hiện bởi phương pháp điều khiển vi phân

Giá trị thay đổi ở ngõ ra có thể quá lớn khi sai số tương ứng là nhỏ đối với bộ điều khiển có độ lợi lớn và sẽ dẫn đến vọt lố Nếu bộ điều khiển lặp lại nhiều lần sự thay đổi này dẫn đến thường xuyên xảy ra vọt lố, đầu ra sẽ dao động quanh điểm đặt, tăng hoặc giảm theo hình sin cố định Nếu dao động tăng theo thời gian thì hệ thống không ổn định, ngược lại nếu dao động giảm theo thời gian thì hệ thống đó ổn định Nếu dao động duy trì tại một biên độ cố định thì hệ thống là ổn định biên độ Bộ điều khiển PID đơn giản không

có khả năng tự giảm dao động và phải được thiết đặt phù hợp Việc chọn độ lợi hợp lý để điều khiển hiệu quả gọi là điều chỉnh bộ điều khiển Phần này sẽ được đề cập trong mục các thuật toán tối ưu hóa tham số PID

Bộ điều khiển đạt được trạng thái ổn định tại điểm sai số bằng 0 (PV=SP), thì những thay đổi sau đó bởi bộ điều khiển sẽ phụ thuộc vào những thay đổi trong tín hiệu

đầu vào đo được hoặc không đo được khác tác động vào quá trình điều khiển và ảnh hưởng tới đầu ra PV Các biến tác động vào quá trình khác với MV được gọi là nhiễu Các

bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ nhiễu hoặc bổ xung những thay đổi điểm đặt

2.2.4 Các quy luật điều khiển trong bộ PID

Ngõ ra của bộ điều khiển PID có dạng[9,13]:

MV = U = P + I + D (2.14) Trong đó P, I, D lần lượt là ngõ ra của ba khâu điều khiển tỉ lệ, tích phân và vi

Trong công nghiệp, điều chỉnh tỷ lệ thường được sử dụng cho những quy trình điều khiển cho phép có sai lệch dư Để giảm sai lệch dư, quy luật tỷ lệ thường được hình thành theo biểu thức:

Kp là điểm làm việc của hệ thống Tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị này khi xuất hiện tín hiệu sai lệch

Hình 2.4 Điều khiển tỷ lệ với các hệ số Kp khác nhau

Điều chỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho

độ lệch giảm tới 0 Phân phối của khâu tích phân (còn gọi là reset) tỷ lệ thuận với cả biên

độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki

Đáp ứng đầu ra của khâu tích phân:

t

I  K i * e(  )d

Trong đó là một biến tích phân trung gian , t là thời gian tức thời

Hàm truyền đạt của khâu tích phân có dạng:

W (s)  K i  K p * 1

Vậy ưu điểm của điều khiển tích phân là triệt tiêu được ra

(2.20) sai lệch dư Nhưng tín hiệu

2.2.7 Điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI)

Để vừa tác động nhanh, vừa triệt tiêu được sai lệch dư người ta kết hợp điều khiển

tỷ lệ với điều khiển tích phân tạo nên phương pháp điều khiển PI Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức

U  K p * e  K i * e.dt  K p (e  T 1 * e.dt)

hiệu vào một góc trong khoảng -  / 2 đến 0 phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti và tần số 

của tín hiệu vào Về tác động, điều khiển PI chậm hơn điều khiển tỷ lệ và nhanh hơn điều khiển tích phân Hình 2.5 mô tả các quá trình quá độ của hệ thống điều chỉnh tự động sử

dụng quy luật PI với các quá trình quá độ của hệ thống điều chỉnh tự động với các tham số

2.2.8 Điều khiển vi phân (D)

Tốc độ thay đổi sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi vi

e(t) dt (2.26) Khâu vi phân làm chậm

tốc độ thay đổi đầu ra của bộ điều khiển và đặc tính này đáng chú ý nhất để đạt tới điểm

đặt của bộ điều khiển Trong khâu điều khiển hỗn hợp

PID, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố do khâu tích phân tạo ra và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển

Nhược điểm của khâu vi phân là phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuyếch đại nhiễu do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số và có thể khiến cho quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đó một xấp xỉ của

bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn như mạch bù sớm pha

số càng lớn Một giá trị độ lợi tỷ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao

nhanh, độ vọt lố càng lớn Để giảm độ vọt lố thì sử dụng phương pháp điều khiển vi

mất ổn định do khuyếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

Trong luận văn này, tác giả sử dụng khâu điều khiển PI để điều khiển tốc độ của động cơ PMSM khi xây dựng mô hình mô phỏng và kết hợp phương pháp điều khiển ghép tầng ghép tầng Thay vì sử dụng khâu điều khiển vi phân dễ phát sinh nhiễu làm hệ thống mất ổn định, ta sử dụng phương pháp ghép tầng Trong phương pháp này hai bộ điều khiển PI được ghép nối tiếp, bộ này điều khiển điểm đặt của bộ kia Một bộ đóng vai trò như bộ điều khiển vòng ngoài sẽ điều khiển thông số vật lý chính là vận tốc Bộ điều khiển kia làm việc như bộ điều khiển vòng trong, nó sẽ đọc thông số đầu ra của bộ điều khiển vòng ngoài như là điểm đặt vận tốc thay đổi nhanh hơn Tần số làm việc của bộ điều khiển

được tăng và hằng số thời gian của đối tượng được giảm bớt khi sử dụng bộ điều khiển PI ghép tầng

2.2.9.1 Phương pháp điều khiển thủ công

Khi các hệ thống mới được xây dựng người ta đặt thông số theo các hệ thống tương

tự đã biết và hiệu chỉnh phù hợp với yêu cầu vận hành Nếu không có kinh nghiệm thì có thể sử dụng phương pháp thử sai Hiệu chỉnh tham số PID như vậy thường tốn nhiều thời gian và đáp ứng của hệ thống không ổn định khi hệ thống ở trạng thái bất định Do đó bộ PID không đảm bảo chất lượng tại mọi điểm làm việc của hệ thống

2.2.9.2 Phương pháp Ziegler – Nichols

Phương pháp này đưa ra bởi John G Ziegler và Nathaniel B vào năm 1940 Ziegler

và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID Phương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất của đối tượng điều khiển Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ áp dụng cho một

số lớp đối tượng nhất định

2.2.9.3 Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất

Xác định thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ hở:

Hình 2.6: Sơ đồ khối của một hệ hở[9,13]

Bảng 2.2 Bảng tính các thông số PID theo Ziegler-Nichols 2

Trong cả hai phương pháp, độ vọt lố tối đa là 25%

Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn độ vọt lố tối đa 25%

2.3 Điều khiển mờ

2.3.1 Giới thiệu

Điều khiển mờ ([3]) chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển kỹ thuật hiện đại Ngày nay từ buổi đầu điều khiển mờ đã đem lại sự ngạc nhiên đáng kể rằng hoàn toàn trái với tên gọi của nó, kỹ thuật điều khiển này đồng nghĩa với độ chính xác và khả năng thực hiện Tuy là ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ nhưng những ứng dụng trong công nghiệp điều khiển mờ thật rộng rãi như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong các lĩnh vực hàng hóa dân dụng…

Trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, sự thường xuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng…, hoặc giả sử nếu có thể tổng hợp được trong phạm vi lý thuyết thì khi thực hiện gặp không ít khó khăn về giá thành và độ tin cậy trong sản phẩm Những khó khăn đó không còn là những vấn đề nan giải khi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ và càng đơn giản hơn trong việc thực hiện giải pháp này