Điều khiển hệ thống chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor–động cơ điện một chiều có thông số thay đổi ứng dụng logic mờ

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 79 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA THYRISTOR – ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ THÔNG SỐ THAY ĐỔI ỨNG DỤNG LOGIC MỜ CONTROL OF THREE- PHASE THYRISTOR BRIDGE RECTIFIER - DC MOTOR SYSTEM USING FUZZY LOGIC Võ Khánh Thoại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng; vkthoai@ute.udn.vn Tóm tắt - Hiện nay, động cơ điện một chiều vẫn đang được ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật như ở các nhà máy cán thép, tàu điện ngầm, các cánh tay robot... Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp, trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu tốc độ của động cơ điện một chiều phải ổn định và đòi hỏi độ chính xác cao. Đối với động cơ điện một chiều, các thông số thường bị thay đổi nên việc sử dụng các bộ điều khiển kinh điển gặp nhiều hạn chế làm ảnh hưởng chất lượng điều chỉnh. Bài báo đưa ra kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống truyền động chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor – Động cơ điện một chiều theo giải thuật mờ nhằm ổn định tốc độ của động cơ điện một chiều khi thông số của hệ thống thay đổi. Abstract - Currently, DC motors are still widely used in the fields of economy and science such as steel rolling mills, subways, robotic arms. In the production line, the speed of DC motors must be stable and highly precise. For DC motors, the parameters are often altered, so the use of PID controllers is limited to compromising tuning quality. The paper presents simulation results of the Three -phase Thyristor Bridge Rectifier - DC motors Control System in a fuzzy algorithm to stabilize the speed of DC motors when the system parameters change. The simulation results obtained from Matlab/Simulink and SimPowerSystems library prove the advantages of the used method over traditional approaches. Từ khóa - PID; điều khiển mờ; chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor; động cơ DC. Key words - PID; Fuzzy Controller; Three phase Thyristor Bridge Rectifier; intelligent controller; DC motor. 1. Đặt vấn đề Hệ truyền động gồm Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor với điện áp đầu ra điều khiển được để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có sơ đồ như hình 1. Hình 1. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor - Động cơ DC Bộ chỉnh lưu Thyristor với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp (dòng điện) ra là một chiều điều khiển được. Hoạt động của mạch do nguồn xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể thực hiện được chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực. Phần mạch quan trọng của chỉnh lưu là phần điều khiển, tại đó các xung mở Thyristor được phát ra theo một trật tự đã định. Điện áp đầu ra sau chỉnh lưu được dùng để điều chỉnh tốc của động cơ điện. Trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến vì tính đa dụng và linh hoạt, với phạm vi điều khiển tốc độ lớn và yêu cầu đảo chiều nhanh. Để điều khiển ổn định tốc độ động cơ, bộ điều khiển kinh điển tỉ lệ - đạo hàm - tích phân PID luôn là sự lựa chọn vì cấu trúc đơn giản và dễ cài đặt [1], [2], nhưng việc tinh chỉnh PID sẽ gặp khó khăn khi hệ thống có các thông số thay đổi, khi có nhiễu tác động hay tín hiệu đặt thay đổi khác nhau. Các phương pháp dùng bộ điều khiển mờ trong điều khiển [3], [4], [7], [8] là những hướng nghiên cứu để cải thiện nhược điểm của bộ PID. Hệ thống điều khiển ứng dụng logic mờ được đề xuất để khắc phục những tính năng trên. Nguyên lý của bộ điều khiển mờ là dựa vào giao diện đầu vào gồm các khâu mờ hóa, hiệu chỉnh như đạo hàm, tích phân để đưa thông tin cho thiết bị hợp thành. Thiết bị hợp thành chứa các luật điều khiển được thiết kế với những kinh nghiệm của chuyên gia, đây là trung tâm của bộ điều khiển mờ. Thông qua các luật điều khiển này, đầu ra của bộ điều khiển mờ (khâu giải mờ) sẽ tạo các tín hiệu điều khiển cho hệ thống. Nội dung của bài báo là ứng dụng thuật toán điều khiển mờ để điều khiển hệ thống gồm Chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor – Động cơ điện một chiều, với việc thay thế bộ điều khiển PI kinh điển bằng bộ điều khiển mờ nhằm cải thiện chất lượng điều khiển của hệ thống khi các thông số của hệ thống thay đổi. Các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink và thư viện SimPowerSystems, cho thấy được các ưu điểm của phương pháp điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển kinh điển. 2. Mô hình hệ thống truyền động Chỉnh lưu Thyristor – Động cơ DC Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều (qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ) chúng ta cần có bộ biến đổi. Ở đây, ta sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng 6 Thyristor có sơ đồ cấu trúc như Hình 2, với tín hiệu điều khiển được cấp từ điện áp điều khiển đầu vào Uđk. Điện áp một chiều ở đầu ra đặt vào phần ứng của động cơ (Ud). Uđk có nhiệm vụ thay đổi góc mở  của các van Thyristor và có giá trị rất bé so với Ud, nên bộ chỉnh lưu chính là bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại Kcl. Chọn hàm truyền của bộ chỉnh lưu có dạng: cl cl cl cl cl 2 3. K K K W (s) K . (1) ( ) ( ) ( ) 1 1 ... 1! 2! 3! ! cl s kT s cl cl cl cl cl e T s T s T s T se T s k −= = =  + + + + − + + 80 Võ Khánh Thoại (do Tcl << 1). Với Uđm = 100 (V), do đó Kcl =Uđm/10= 10; Tcl0,00167 (s), khi đó bộ chỉnh lưu: 10 0,00167 1 clW s = + Tính chất của bộ biến dòng tương tự với bộ chỉnh lưu, ta có hàm truyền bộ biến dòng là: 1 bd bd bd K W T s = + , chọn Kbd= Idm/10 = 0,6; Tbd = 0,001(s). (2) Bộ biến dòng: 0,6 0,001 1 bdW s = + Hàm truyền của bộ đo tốc độ có dạng: 1 ft ft ft K W T s = + với Kft = dm/10 = 2πndm/600 ≈ 31,4 (3) Chọn Tft = 0,001(s); Khi đó, bộ đo tốc độ: 3,14 0,001 1 ftW s = + (4) Hình 2. Cấu trúc bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor trong Matlab – Simulink Bảng 1. Thông số động cơ DC [6], [7] Thông số Ký hiệu Động cơ Đơn vị tính Công suất danh định Pđm 220 W Tốc độ định mức nđm 314 rad/s Điện áp định mức Uđm 100 V Dòng điện định mức Iđm 6,0 A Mô men quán tính J1 10,2x10-2 kg.m2 Hằng số từ thông động cơ Ka 0,284 N.m/A Điện trở phần ứng Ra 0.5  Điện cảm phần ứng La 0,0049 H Khả năng mang tải M 89 N Mô hình hóa động cơ DC Muốn điều khiển tốc độ, ta cần phải mô hình hóa động cơ DC như sơ đồ khối ở Hình 3. Đầu vào là tín hiệu điện áp Ua; đầu ra là tốc độ w; Ra là điện trở phần ứng; Ta= La/Ra là hằng số thời gian điện; Ka, Kb là các hệ số; T: mômen tổng trên trục động cơ; s toán tử Laplace. Nhiệm vụ của người thiết kế là tìm bộ điều khiển sao cho tốc độ của động cơ luôn ổn định hoặc bám theo tín hiệu đặt, khử nhiễu tốt. Hình 3. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor – động cơ điện DC 3. Thiết kế các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng Thiết kế bộ điều khiển hệ thống dùng PID Các bộ điều khiển vị trí đơn giản và thường dùng (hơn 90%) là bộ điều khiển tỉ lệ P - đạo hàm D - tích phân I (PI, PD, PID). Vòng điều khiển cấp trong cùng là bộ điều khiển dòng điện, giả sử ea  0, ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện như Hình 4. Hình 4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện Từ sơ đồ ta có hàm truyền hệ hở (khi chưa có RI) là: 1 ( ) . . . (5) ( 1) ( 1) ( 1) ( 1)( 1) cl a bd I hI cl a bd a I K R K K W s T s T s T s T s T s =  + + + + − + Áp dụng các nguyên tắc các hằng số thời gian nhỏ, (Ta >> Tcl + Tbd = T). Đây là một khâu quán tính bậc 2, áp dụng tiêu chuẩn tối ưu độ lớn, chọn bộ điều khiển PI có dạng: a ______ _____ (6) 1 (2 )(1 ) T s ____a aRI cl bd R T W K K T  + Thay số [6], [7] vào ta được: 1 0,1392(1 ) 0,0027s RIW  + Hàm truyền hệ kín có dạng: 1,67(0,001s 1) 0,00534 (0,00267s 1) 1 kIW s +  + + Vòng điều khiển tiếp theo Hình 5 là tốc độ: Hình 5. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 81 . . _____ 1 ( ) . ( 1) ( 1) ( ) . (7) [ (2 )] ( 1 ______ )( 1) 1 ( ) _ ] 1 _ ft kI a hq ft a ft bd bd hq I cl bd ft K W s W K Js T s K K T s K W s Js T s T s T s T s = + + = + + + + với Tft = Tbd = 0,001(s) và bỏ qua các thành phần bậc cao, ta có: . [ (2 )] 1 a ft bd hq I K K JK W s T s  + (8) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng với đối tượng có hàm truyền dạng tích phân quán tính bậc nhất, chọn bộ điều khiển PI có dạng: ._ 1 ( ) (9) 1 __________ _____________ 1 pq Rq Iq W K T s  + trong đó, . 2 I I q T aT ; . 2 bd pq a f t I JK K K K T a  (10) khi đó: . 1 ( )(1 ) 22 bd Rq Ia f t I JK W aT sK K T a   + (11) chọn a = 9 và thay số vào ta được: . 0,048 I q T  ; . 0,0039 pq K = Nên: . 1 0,0039(1 ) 0,048R q W s  + Thiết kế bộ điều khiển dùng logic mờ Điều khiển mờ [4] được đề xuất khi hệ thống có tham số thay đổi, không xác định chính xác hoặc sử dụng kinh nghiệm vận hành hệ thống của chuyên gia để thiết kế. Ngôn ngữ sử dụng trong điều khiển mờ gần với suy nghĩ con người, đây là một dạng điều khiển thông minh đôi khi còn gọi là tính toán mềm. Khi tham số của động cơ thay đổi thì bộ điều chỉnh tốc độ Rq’ cũng thay đổi. Vì vậy để đảm bảo chất lượng điều chỉnh không đổi, thì bộ điều chỉnh phải có khả năng tự động chỉnh định lại các tham số. Điều này không thể thực hiện với bộ điều chỉnh PI kinh điển. Chính vì vậy bộ điều khiển mờ được đề xuất để thay thế cho bộ PI. Đầu vào bộ điều khiển mờ là sai lệch tốc độ (eω = ωđặt– ωthực) và tốc độ sai lệch (deω = eω(k+1) – eω(k)). Ngõ ra bộ điều khiển mờ là điện áp đưa vào bộ chỉnh lưu (u). 3.2.1. Xác định tập mờ Số lượng tập mờ ở đầu vào được chia làm 7, bao gồm những tập giống suy nghĩ con người: thấp nhiều NL; thấp vừa NM ; thấp ít NS ; vừa ZE ; cao ít PS ; cao vừa PM ; cao nhiều PL. Đầu ra của bộ điều khiển mờ cũng được chia làm 7 tập với các ngôn ngữ tương ứng như đầu vào. Các tập mờ được xây dựng theo kinh nghiệm như Hình 6a, b, c. 3.2.2. Xác định tập mờ hàm liên thuộc Có rất nhiều cách chọn kiểu tập mờ hàm liên thuộc. Thuật toán điều khiển này chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác vì kiểu này phù hợp trong kỹ thuật điều khiển đồng thời tính toán cũng dễ dàng. 3.2.3. Xây dựng các luật điều khiển Dựa vào đặc tính động học, quá độ thường gặp, bộ số liệu vào ra khi sử dụng bộ điều khiển truyền thống PI, ta xây dựng luật điều khiển đối với hệ thống này như sau: If ET is PL and DE is ZE then U is PL. If ET is ZE and DE is PL then U is NM. Ta có tổ hợp của 7x7 = 49 luật điều khiển được thiết kế trong luật hợp thành như Hình 6d. Đầu ra U rõ ràng phụ thuộc vào sai lệch ET, đạo hàm DE và luật điều khiển này. a. Đầu vào ET b. Đầu vào DE c. Đầu ra U d. Luật điều khiển Hình 6. Các hàm liên thuộc và luật điều khiển Dùng luật hợp thành Sum-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm, Khi đó hệ số u được tính toán lúc điều khiển là: 49 1 49 1 ( ( )). ( / ) ( ) ( ( )). ( / ) i i i i i p A B i i p A B i y e t du dt u t y e t du dt     − = − = =   (12) Trong đó, i py − là tâm của các tập mờ tương ứng. Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống Chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor – Động cơ điện một chiều như sau: 3.3.1. Mô phỏng trên Simulinks Mô phỏng hệ thống trên Simulink có sơ đồ như Hình 7. Sơ đồ có hệ thống Chỉnh lưu – Động cơ một chiều ở hai nhánh như nhau. Hình 7. Mô hình điều khiển hệ thống trên Simulink 82 Võ Khánh Thoại Bằng cách thay thế bộ điều khiển tốc độ PI ở nhánh trên bằng bộ điều khiển mờ Fuzzy ở nhánh dưới để so sánh các kết quả. Từ Hình 8 ta thấy rằng khi dùng bộ điều khiển PI và bộ Fuzzy, cho đáp ứng tốc độ động cơ xác lập ổn định gần như nhau, thời gian quá độ khoảng 0,2s, sai lệch nhỏ không đáng kể. Cả PI và Fuzzy đều hiệu quả khi các thông số hệ thống không thay đổi. Hình 8. Tốc độ động cơ DC khi tham số không đổi. Khi điện trở phần ứng động cơ Ra thay đổi từ 0.2Ω lên 0.5Ω, lúc đó bộ điều khiển mờ Fuzzy và bộ PI cho đáp ứng nhanh gần như nhau, nhưng bộ Fuzzy chính xác hơn, ít vọt lố hơn PI (Hình 9). Hình 9. Tốc độ động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Ra Hình 10. Tốc độ động cơ khi thay đổi mômen quán tính J Khi mômen quán tính J thay đổi từ giá trị 0.05 đến giá trị 0.08 kg.m2 thì bộ PI cho đáp ứng có sai số xác lập là 1.5 rad/s tại giá trị đặt 100 rad/s và 4 rad/s tại 160/s trong khi đó sai số xác lập khi dùng Fuzzy nhỏ không đáng kể (Hình 10). Trường hợp khi cho nhiễu mômen cản Mc trong tầm [-0.2; 0.2], thời gian lấy mẫu 0.2, bộ điều khiển dùng Fuzzy cho đáp ứng khá nhanh nhạy và ít sai lệch hơn so với bộ PI (Hình 11). Hình 11. Tốc độ động cơ khi nhiễu mômen cản Mc 3.3.2. Mô phỏng trên thư viện Sim Power Systems Mô phỏng hệ thống trên thư viện Sim Power Systems. Thư viện này cũng sử dụng môi trường Simulink nhưng ưu điểm là dùng các khối chức năng có sẵn (với các thông số có thể thay đổi) để kết nối thành mạch điện – điện tử một cách nhanh chóng, hiệu quả. Ngoài ra, mô hình mô phỏng trên Sim Power System có cấu trúc giống với thực tế hơn. Hệ thống điều khiển được xây dựng như sơ đồ như Hình 12. Hình 12. Mô hình điều khiển hệ thống trong Sim Power Systems Mô phỏng hệ thống trong Sim Power Systems, khi các thông số của hệ thống không đổi, dùng bộ PI và Fuzzy cho đáp ứng gần như nhau thể hiện ở đáp ứng trên Hình 13. Hình 13. Tốc độ động cơ DC khi tham số không đổi (trong Sim Power Systems) Hình 14. Tốc độ động cơ DC khi Ra thay đổi ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 83 Khi điện trở phần ứng của động cơ Ra thay đổi từ 0.2Ω lên 0.5Ω, đáp ứng tốc độ thể hiện trên Hình 14. Bộ Fuzzy cho đáp ứng xác lập với sai số 2% lúc 0.2s, trong khi đó bộ PI là 0.5s, độ quá điều chỉnh 9% cũng ít hơn PI 20%. Hình 15 thể hiện trường hợp nhiễu ngẫu nhiên dòng điện trong tầm [-0.5; 0.5] thời gian lấy mẫu 0.3s, bộ điều khiển PI không hiệu quả bằng Fuzzy, đáp ứng hệ thống chậm hơn, độ quá điều chỉnh (18%) cũng nhiều hơn Fuzzy (9%). Hình 15. Tốc độ động cơ DC khi nhiễu dòng điện Bàn luận: Qua các kết quả mô phỏng, rõ ràng rằng nếu như thông số của hệ thống không đổi thì chỉ cần sử dụng bộ PI để điều khiển, nhưng khi thông số hệ thống có các thông số thay đổi, bộ PI do thiết kế tại một điểm làm việc nên tỏ ra không hiệu quả cần phải chỉnh định lại các tham số. Việc đề xuất Fuzzy trong trường hợp này để khắc phục những hạn chế trên. 4. Kết luận Từ thực tế khảo sát lý thuyết và ứng dụng logic mờ vào đối tượng gồm Bộ chỉnh lưu cầu ba pha Thyristor - Động cơ điện một chiều DC và so sánh với điều khiển kinh điển PID, ta thấy rằng khả năng thích nghi của hệ thống được nâng lên rất nhiều: độ quá điều chỉnh khá ít, thời gian đáp ứng nhanh và sai số vị trí nhỏ, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển khi hệ thống có những thông số thay đổi. Các kết quả có được từ mô phỏng trên Matlab/Simulink và thư viện SimPowerSystems, chứng tỏ được các ưu điểm của phương pháp điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển truyền thống. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển tiềm lực Khoa học Công nghệ của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng trong đề tài có mã số T2018-06-90. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Karl Johan Åström, Tore Hägglund, ISA-The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006. [2] Ashwaq Abdulameer, Marizan Sulaiman Mohd Shahrieel Mohd Aras, Tuning Methods of PID Controller for DC Motor Speed Control, 2016. [3] Cheng-Jian Lin, Cheng-Hung Chen, Chi-Yung Lee, "A TSK-Type Quantum Neural Fuzzy Network for Temperature Control”, International Mathematical Forum, 1, no. 18, 853-866, 2006. [4] Kevin M. Passino, Stephyen Yurkovich (1998), Fuzzy control, Addison Wesley Longman, Inc. [5] KT Võ, Sliding table position control using neural networks, B2017- 478, Page 118 - 122, Journal of Science and Technology - Danang University (JST-UD), No 11(120).2017. [6] KT Võ, Adaptive control of sliding table position using feedback linearization neural networks, B2017-478, Page 85- 89, Journal of Science and Technology - Danang University(JST-UD), No 1(122).2018. [7] M. Önder Efe, O. Hasan Dagci, Okyay Kaynak, Fuzzy Control of a 2-DOF Direct Drive Robot Arm by Using a Parameterized T-Norm, Bogazici University, Mechatronics Research and Application Center, Bebek, 80815, Istanbul, Turkey. [8] Nikos C.Tsourveloudis, Ramesh Kolluru, Kimon P. Valavanis and Denis Gracanin, "Suction Control of a Robotic Gripper: A Neuro Fuzzy Approach", Robotics and Automation Laboratory, The Center for Advanjced Computer Studies and A-CIM Center, University of Louisiana at Lafayette, Lafayette, LA, USA, 1999. [9] Y. W. Chu, H. Y. Chung, “A fuzzy controller with the Grey prediction model for the motion of a robot” M.S. thesis in Electrical Engineering, National Central University, 2000. [10] https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/t-wo quadrantthreephaserectifierdcdrive.html (BBT nhận bài: 10/10/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/10/2018)