Bản chất của ĐCKĐB là một đối tượng mang đặc điểm phi tuyến cả về cấu trúc lẫn tham số nên trong nhiều trường hợp vẫn có những vấn để nảy sinh ví dụ như khi điện trở rotor thay đổi theo
Trang 1
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NÀNG
NGUYÊN THẺ PHÚ
UNG DUNG DIEU KHIEN MO TRONG DIEU
KHIEN DONG CO KHONG DONG BO BA PHA
Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã so: 60.52.60
TOM TAT LUAN VAN THAC Si KY THUAT
Da Nang — Nam 2011
_2-
Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NĂNG
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Đoàn Quang Vinh
Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng châm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Năng vào ngày Ú7 thang 05 nam 2011
Có thé tìm hiểu luận văn tai :
- Trung tâm Thông tin — Học liệu, Đại học Da Nang
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Năng
Trang 2
_3-
MỞ ĐẦU
1 Cơ sở khoa hoc và thực tiễn của đề tài
Hiện nay trong các hệ truyền động hiện đại, động cơ điện
không đồng bộ ( ĐCKĐB ) đang được sử rộng rãi
Nguyên lý của điều khiển tựa theo từ trường là phương pháp
được áp dụng nhiều nhất trong các sản phẩm thương mại
Bản chất của ĐCKĐB là một đối tượng mang đặc điểm phi
tuyến cả về cấu trúc lẫn tham số nên trong nhiều trường hợp vẫn có
những vấn để nảy sinh (ví dụ như khi điện trở rotor thay đổi theo
nhiệt độ) thì việc sử dụng bộ điều chỉnh PID kinh điển sẽ không cho
kết quả tốt Điều khiển mờ được sử dụng trong điều khiển động cơ
không đồng bộ được cho là giải pháp phù hợp hơn
Đề tài “Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển động cơ điện
không đông bộ ” nhằm chỉnh định các tham số của bộ điều chỉnh PID
kinh điển mỗi khi tham số điện trở rotor của động cơ thay đổi, góp
phần giải quyết được vấn đề phức tạp trong cấu trúc truyền động phi
tuyến của ĐCKĐB
2 Ý nghĩa của đề tài
Hướng nghiên cứu về ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiến
ĐCKĐB rotor lồng sóc là phương pháp điều khiển mới, khắc phục
một vài nhược điểm của hệ thống thiết kế theo các phương pháp
tuyến tính kinh điển Phương pháp điều khiển mờ các tham số PID là
phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh có khả năng thay đổi được các
thông số điều chỉnh PID, từ đó giúp hệ thống ôn định trước sự thay
đổi của các tham số trong động cơ
3 Các mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ vào việc chỉnh định các
tham số bộ điều chỉnh PID trong trường hợp điện trở rotor thay đồi
_4-
- Xây dựng mô hình và mô phỏng trên Matlab-Simulink
4 Các nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu đối tượng ĐCKĐB Rotor lồng sóc, mô hình động
cơ KĐB Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ da
- Nghiên cứu biến tần và các phương pháp điều khiến biến tần
- Nghiên cứu cấu trúc của hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha điều khiển tựa theo tir thong rotor
- Nghiên cứu về điều khiển PID, điều khiển mờ và áp dụng điều
khiển mờ vào việc chỉnh định các tham số bộ điều chỉnh PID
5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng biến tần điều khiển theo nguyên tắc điều chế vector không gian
- Phạm vi nghiên cứu là áp dụng điều khiển mờ vào việc chỉnh định tham số PID trong cấu trúc điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc trong trường hợp điện trở rotor thay đối
6 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết
- Xây dựng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink
- Trên cơ sở các kết quả rút ra các kết luận
7 Cầu trúc luận văn
Mở đầu Chương 1: Mô hình hóa động cơ KĐB và biến tần
Chương 2: Điều khiển hệ thống dùng các bộ điều chỉnh PID Chương 3: Giới thiệu về điều khiển mờ
Chương 4: Điều khiến logic mờ PID động cơ không đồng bộ
Kết luận
Trang 3_5-
a _ CHUONG1 _
MO HINH HOA DONG CO KHONG DONG BO
VA BIEN TAN
1.1 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ
1.1.1 Mô tả động cơ không đồng bộ
1.1.2 Phép chuyển vị tuyến tính không gian vector và hệ
phương trình cơ bản của ĐCKĐB trong không gian vector
1.1.2.1 Pháp chuyển vị tuyến tính không gian vectơ:
1.1.2.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không
gian vector 1.13 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ œ8
Hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ œB:
~ a Pe FT Woalsp Wh sa
(( +-Ly ty 12? oy TT
Pp T sa of ra Oo r8 oL, sa
( pj = 10? py ply ,_,
4 P T, sở ơ rat oT r8 3 s8
(+ T,D)V a — loa -T,.OYW'
OFT PW pHi + TOV
-6-
Mô hình điện cơ của ĐCKĐB trên hệ tọa độ ơÿ:
Me
=e
Ớ
Us _ 1 | Vo
l+pT
l-ơø
l+pT
Oo
TL T; k
G l+pT Wp
Hình 1.7 Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định œ8 1.1.4 Phương trình trạng thái trên hệ tọa độ tựa theo từ
thông rotor dq
Hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ dq:
( 1 - oo, l-o_, l-o_, 1
Go PMs = O,1 4 + oT Man ca i
(—+ P)isg = Ooh a —— oy rd +— Uo
q + T, p)V ,„ — lg
1
T
o, =—
` y rd
M =F Pe Mi lg (1-24)
r
Trang 4_7-
Mô hình điện cơ của ĐCKĐB trén hé toa dé dq: Hinh 1.10
Mc
Usoy
-j Os
e
Hình I.10 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ quay dạ
1.1.5 Tính phi tuyến của mô hình ĐCKĐB
e - Cấu trúc phi tuyến: Do sự phụ thuộc vào œ,
e Tham sé phi tuyén: Do điện cam phụ thuộctừ thông rotor,
điện trở rotor thay đôi theo nhiệt độ
e Ngoài ra ĐCKĐB còn có đặc điểm phi tuyến rác: Cấu trúc
mạch từ của động cơ không liên tục, hiệu ứng mặt ngoài, dòng điện
Fucô
1.1.6 Mô phóng động cơ không đồng bộ
e©_ Nguồn xoay chiều ba pha đối xứng có U; = 220V, f =50 Hz
e©_ Động cơ KĐB ba pha với các thông số định mức:
- (Công suất định mức Pz„= 7500 (W)
- _ Tốc độ định mức nạ„= 930 (vòng/phút)
- _ Điện áp định mức Ưạ„ =380 (V)
- _ Tần số định mức fạ„ = 50 (Hz)
_8-
- Hệ số công suất định mức COSQam = 0.83
- Dong dién dinh mire I,am = 17.5 (A)
- Dién tro stator Ream = 0.9 (Q)
- Dién khang stator X, = 0.663 (Q)
- Dong dién rotor Tm = 13.6 (A)
- Dién tro rotor R, = 0.86 (Q)
- Dién khang rotor X, = 0.75 (Q)
- M6omen quan tinh J = 0.212 (kg.m2)
-_ Số đôi cực tir P, =3
e© - Tại thời điểm ban đầu khi mở máy động cơ M, = 0, sau thời
gian t = 0,5 (s) momen tải M, tăng lên bằng momen định
mức của động cơ: M, = Mạ„ = 77 (N.m)
a Mô phỏng động cơ trên hệ tọa do alpha — beta:
MO PHONG MO HINH DONG CO KDB BA PHÀ TREN HE TOA DO ALPHA - BETA
Tu thong
[ 1 Us_alpha }- -*Us_alpha tị Fir OO
Toc do
Tin hieu nguon labc oO) bapha abc >alpha,beta —
Momen
Momen tai Dien ap nguon
MO HINH DCKDB TREN HE ALPHA,BETA
Trang 5* Kết quả mô phóng:
— T00
5
#8 50 dap ung toc do theo tai
=
0 0.1 02 03 O04 O58 06 O7 O8 09
time (s) 1.5
a |
=
= 0.5- dap ung tu thong theo tai
0 0.1 02 03 O04 O58 06 O7 O8 09
time (s)
500
£ dap ung momen theo tai
<
=
0 0.1 02 03 O04 O58 06 O7 O8 09
time (s)
b M6 phong dong ca trén hé toa d6 dq:
Tin hieu nguon
ba pha
Me
MO PHONG MO HINH DONG CO KDB BA PHATREN HE TOADO dq
Tin hieu ap nguon
P| Us_beta
abc >alpha,beta
Usq
Pius
alpha, beta >dq
LT}:
Momen tai
a eee
MO HINH DCKDB TREN HE dq
->|
>|
>| Time
Volt Fir WAmp M
Tu thong
Toc 4
Dong dien
2S
-10-
* Két qua m6 phong:
— 100
„
8 50 dap ung toc do theo tai
=
0 0.1 02 03 04 05 06 07/7 08 049
time (s) 1.5
a |
=
<= 0.5L dap ung tu thong theo tai L_
0 0.1 02 03 O04 O58 06 O07 08 049
time (s)
500
E dap ung momen theo tai
<
=
0 0.1 02 03 04 05 06 07/7 08 049
time (s)
* Nhận xét các kết quả mô phỏng:
Từ các kết quả mô phỏng trên, tác giả nhận xét rằng cả hai mô hình xây dựng trên các hệ tọa độ œB và dq có cùng kết quả mô phỏng với mô hình động cơ có trong thư viện Simpower Systems 1.2 Thiết bị biến tần và các phương pháp điều khiến biến tần 1.2.1 Mô tả vẻ cau trúc bộ biển tân
1.2.1.1 Biên tân trực tiép
1.2.1.2 Biến tấn gián tiếp
1.2.2 Mô tả toán học bộ biến tân 1.2.3 Các phương pháp điều khiển biến tân 1.2.3.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 1.2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)
Trang 6-ll-
CHUONG 2 DIEU KHIEN HE THONG DUNG BO DIEU KHIEN PID
2.1 Xây dựng cau trúc điều khiến hệ biến tần - ĐCKĐB
4+, Ube DTT Ry Điều chế
Đo tốc độ
Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor
2.2 Tổng hợp các bộ điều chỉnh tuyến tính
2.2.1 Tuyến tính hóa mô hình ĐCKĐB
1/R, isa hy Vra -
1+T, p a 1+T,p | x ys, Pe
Jp
3L,,D
Os
‹Ầ©| Lam 4 Or
1/R,,, hạ Hình 2.5 Mô hình gan đúng của 1+T„.p ĐCKĐB trong hệ tọa độ da
-|12-
2.2.2 Các tiêu chuẩn tổng họp bộ điều chỉnh PID
- Hàm chuân theo tiêu chuân tôi ưu môđun:
1
1427 pt2T? p?
ch
- Hàm chuẩn tối ưu đối xứng:
_ 1+4T p
14+47, p+8T,’ p? +87, p’
2.2.3 Tổng hợp các bộ diéu chinh PID
Fy,
2.2.3.1 Tổng hợp hai bộ diéu chinh dong điện tách kênh
frực tiếp
] ] L L ]
"m=——-L,.(l+ )= ——+ ~ — 2.7,.K,.K, pr, 27,.K,, 2.7,.K,,7, p
L L 2.7,.K ,.K; pT.,, 2.K„U, 2,.K 1, „ P
— L,
° 2T K, ` OT.K, °
2.2.3.2 Tong hợp bộ điêu chỉnh từ thông 1+7 rP 1, + 1
— r
\ự _2KuL Tp 2K,LT 2KvLTp
2.2.3.3 Tong hợp bộ điêu chỉnh tốc độ
I+8fp _ 2J J
° 4K,K,—T,p 1 KK, 4K,K,T;p
Trang 7-13-
2.3 Mô phỏng hệ thống ding Matlab — Simulink
* Sơ đồ cầu trúc hệ thống trên Simulink:
e - Động cơ KĐB ba pha với các thông số định mức:
- Công suất định mức Pạ„= 7500 (W)
- _ Tốc độ định mức nạ„= 930 (vòng/phút)
- _ Điện áp định mức Ưạ„ =380 (V)
-_ Tần số định mức fạ„ = 50 (Hz)
- Hệ số công suất định mức COSQam = 0.83
- Dong dién stator định mức lam = 17.5 (A)
- Dong dién khong tai Ipon = 11.8 (A)
- PDién tré stator R, = 0.9 (Q)
- Dién khang stator X, = 0.663 (Q)
- Dong dién rotor lạm = 13.6 (A)
- - Điện trở rotor R;= 0.86 (©)
- Dién khang rotor X, = 0.75 (Q)
- Mômen quán tinh J = 0.212 (kg.m2)
- Số đôi cực từ P, =3
-14-
® Tải của động cơ có momen cản M, thay đổi như sau: Tại thời điểm ban đầu khi mở máy động cơ M, = 0, sau thời gian
t = 2 (s) momen tải M, tăng lên bằng momen định mức của
động cơ: M, = Mạm = 77 (N.m)
e_ Giá trị đặt cho bộ điều chỉnh từ thong: 0.8924 (wb)
e Giá trị đặt cho bộ điều chỉnh tốc độ: 97.3894 (rad/s)
* Kết quả mô phóng khi R, = 0.86 (Omh) như sau:
- Tốc độ quay rofor:
DAP UNG TOC DO DONG CO THEO TAI
120 -
—=—=—=—==: toc do dat toc do thuc
80 -
60 -
4oL
20- O ö o.5 1 1.5 2 25 3
time (s)
- Momen quay:
DAP UNG MOMEN DONG CO THEO TAI
300 -
250
200
time (s)
Trang 8-15-
- Từ thông:
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.3
0.25
0.1
oO
0.44
DAP UNG TU THONG ROTOR THEO TAI
tu thong thuc
oO O.5 1 1.5 2
time (s)
L 2.5
I
3
* Kết quả mô phóng khi điện trở rotor thay déi: R’r = 1.5*Rr
- Tốc dé quay rotor
120,
1007,
DAP UNG TOC DO DONG CO THEO TAI
————— toc do dat
60
40
20
Oo 0.5 1 1.5 2
time (s)
- Momen quay:
300
250
200
100
50
DAP UNG MOMEN DONG CO THEO TAI
momen dong co theo tai
time (s)
2.5
-16-
DAP UNG TU THONG ROTOR THEO TAI
- Từ thông
OBLỆỶ _TTT~~ tu thong dat
tu thong thuc
0.75 0.64 0.54
0.4 0.3 F 0.245 O.1E oO L L L L Ị J
time (s)
2.4 Nhận xét kết quả mô phồng
Từ các kết quả mô phỏng trên ta thấy rằng, trong cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor hệ biến tần — động cơ không đồng
bộ ba pha sử dụng các khâu điều chỉnh tuyến tính theo luật PL, khi điện trở mạch rotor thay đổi sẽ dẫn đến đáp ứng các thông số hệ thống như tốc độ, từ thông, momen cũng sẽ có sự thay đối, mà cụ thể
là đặc tính quá độ các thông số này không tốt Hơn nữa, tốc độ động
co dé mat 6n định hơn khi có sự thay đôi của tải, không đảm bảo chất
lượng điều khiển Điều này phản ánh rằng các khâu điều chỉnh PI chỉ thích hợp khi các tham số động cơ là hằng Thực tế, khi động cơ vận hành, các tham số động cơ cũng sẽ thay đối nên các khâu điều chỉnh
PI sẽ không còn phù hợp nữa, mà cần có một giải pháp điều chỉnh khác mang lại chất lượng và hiệu quả hơn
Trang 9-17- -18-
CHƯƠNG 3
GIOI THIEU VE DIEU KHIEN MO 3.1 Tổng quan về điều khiến mò
CHƯƠNG 4
DIEU KHIEN LOGIC MO PID DCKDB 4.1.Sơ đồ cấu trúc của hệ thống có điều khiến mờ chỉnh định
3.1.1 Định nghĩa tập mờ tham số PI
3.1.2 Một vài dụng hàm liền thuộc thường được sử dụng >| BOCHINH
3.1.3 M6 hinh mo Mamdani > ĐỊNH MỞ
(fuzzifiers)
mờ
Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ
3.2 Cấu trúc bộ điều khiến mò
Hình 4.l Sơ đồ cáu trúc của bộ điêu khiên mờ chính định Các tham sô của bộ điêu chỉnh cân chỉnh định mờ gém: K,y,
c Kba, Kio, Kp
Luat diéu
khién 1 Điêu chê ` ,„ + Upc
| Giao diện H- Thiet bi hop > Giao dién |
dau vao thanh dau ra
X e Bộ điều u Đối tượng y
khién diéu khién
Thiét bido |,
lường
Hình 3.8 Câu trúc của bộ điêu khiên mờ cơ bản
re
Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thông sử dụng các khâu chỉnh
3.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ
Ðo tốc độ qua
Trang 10-10-
4.2 Xác định các tín hiệu vào/ra của khâu chỉnh định mờ
4.2.1 Đối với khâu chỉnh định mò của bộ điều chỉnh từ thông
Ry
+ Tín hiệu đầu vào: Đầu vào thứ nhất là sai lệch tir thong ey,
đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên sai lệch từ thông
+ Tín hiệu đầu ra: Là hệ số chỉnh định của K,y
4.2.2 Đối với khâu chỉnh định mờ của bộ điều chỉnh tốc độ R„
+ Tín hiệu đầu vào: Đầu vào thứ nhất là sai lệch tốc độ e„,
đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên của sai lệch tốc độ
+ Tín hiệu đầu ra: Là hệ số chỉnh định của Kyo
4.2.3 Đối với khâu chỉnh định mờ của bộ điều chỉnh dòng R›;
+ Tín hiệu đầu vào: Đâu vào thứ nhât là sai lệch dòng e;s¿,
-20-
4.3 Xây dựng cấu trúc các bộ điều khiến mờ 4.3.1 Xây dựng cấu trúc cho bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số K,y của Ry
4.3.2 Xây dựng cầu trúc cho bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số Kp„ của R„
4.3.3 Xây dựng cấu trúc cho bộ điều khiển mờ chỉnh định
tham số K;ạ của R›;
4.4 Xây dựng luật chỉnh định mờ các tham số PI
e - Tống hợp luật chỉnh định K,
đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên theo của sai lệch dòng
+ Tín hiệu đâu ra: Là hệ sô chỉnh định của K;;
3, Koy 0 70
5 de„/dt -10 10
1 ena 20 20
de(t)
dt
AL AN K DN DL
AL L L L L L e(t) AN NH NH NH TB L
K L TB K TB L
DN L TB TB TB NH
DL L L L L L
e Téng hop luat chinh dinh K;
de(t)
dt
AL AN K DN DL
AL L L L L L e(t) AN TB NH NH TB L
K L TB K L NH
DN TB L L TB TB
DL L L L L L
