Ứng Dụng Thuật Giải Bầy Đàn (Pso) Để Xác Định Thông Số Bộ Pid Trong Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha.pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.3 MB, 105 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH ĐỨC CHẤN
ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BẦY ĐÀN (PSO)
ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ PID TRONG
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
S
K
C
0
0
3
9
2
5
9
5
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270
S KC 0 0 3 2 5 6
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 11 - 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ
TRƯỜNG ĐẠI
SƯ PHẠM
ĐẠI HỌC SƯ
PHẠM KỸ THUẬT
THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÀNH
MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH ĐỨC CHẤN
ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BẦY ĐÀN (PSO) ĐỂ XÁC ĐỊNH
THÔNG
BỘ PIDĐA
TRONG
ĐIỀU
KHIỂN
ĐIỀU
KHIỂNSỐ
ROBOT
HƯỚNG
BÁM
THEOTỐC
QUỸĐỘ
ĐẠO
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
NGÀNH
THUẬT
ĐIỆN
NGÀNH:
KỸ KỸ
THUẬT
ĐIỆN
TỬ-TỬ
605270
MÃ SỐ: 605270
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT LUẬN VĂN THẠC SỸ
HỌC VIÊN: LÊ TRƯỜNG AN
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 9/2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH ĐỨC CHẤN
ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BẦY ĐÀN (PSO) ĐỂ XÁC ĐỊNH
THƠNG SỐ BỘ PID TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ KHƠNG ĐOÀNG BỘ BA PHA
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270
Hướng dẫn khoa học:
T.S NGUYỄN MINH TÂM
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 9/2011
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: HUỲNH ĐỨC CHẤN
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 21-10-1982
Nơi sinh: Phú Yên
Quê quán: Tuy Hòa- Phú Yên
Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Trợ Giảng tại Khoa
Điện- Điện tử. Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 201/13/1/28 Nguyễn Xí F26, Q.BT. TPHCM.
Điện thoại liên hệ: 090.6924872
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ …/… đến …/…
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Qui
Thời gian đào tạo từ 09/2001đến 02/ 2006.
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Ngành học: Điện- Điện Tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: THIẾT BỊ KIỂM TRA IC SỐ.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 02/2006 tại Hội
đồng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Người hướng dẫn:
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính Qui
Thời gian đào tạo từ 02/209 đến 02/ 2011
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tử
Tên luận văn:Ứng dụng thuật giải bầy đàn để xác định thông số bộ điều khiển
PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 22/09/2011 tại Hội đồng Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm.
i
4. Tiến sĩ:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ …/… đến …/…
Tại (trường, viện, nước):
Tên luận án:
Người hướng dẫn:
Ngày & nơi bảo vệ:
5. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh (TOEFL 453 điểm).
6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2006- 2007
2007- 2010
Nơi cơng tác
Cty ACT Khu chế xuất Q7,
TPHCM
Cty Thermtrol VISP1, Bình Dương
2010- 2011
Trường Đại Học Lạc Hồng- Biên
Công việc đảm nhiệm
Kỹ sư Điện Tử
Kỹ sư đảm bảo chất lượng
Trợ giảng
Hòa- Đồng Nai.
IV. CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ:
XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Ký tên, đóng dấu)
Ngày 15
tháng 09 năm 2011
Ngƣời khai ký tên
Huỳnh Đức Chấn
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2011
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
iii
Lời cảm ơn
Để hồn thành đề tài này, tơi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt, trang bị
những kiến thức khoa học kỹ thuật q giá cho tơi trong q trình học cao học tại
trường.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS. Nguyễn Minh Tâm người
đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ để tơi hồn thành đề tài
này.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã
giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành
luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 09/2011
Thực hiện
Huỳnh Đức Chấn
iv
TĨM TẮT
Đề tài trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field
Orientated Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn
(Particle swarm optimazation- PSO). Trình bày chi tiết về phương pháp điều chỉnh
thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp cổ điển Ziegler Nichols và giải thuật
bầy đàn. Xây dựng mơ hình và kiểm tra tính đúng đắng của mơ hình. Trong đề tài
này sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab simulink để mơ hình hóa và mơ phỏng cho
điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp Ziegler Nichols và
giải thuật bầy đàn. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt.
Từ Khóa: Động cơ ba pha, Điều chỉnh tham số, Giải thuật bầy đàn, Ziegler Nichols
Bộ điều khiển PID- PSO, Điều khiển định hướng từ thông.
ABSTRACT
This thesis presents field oriented control (FOC) of induction motor and
Particle swarm optimazation algorithm . It presents in details about tuning of PID
controller using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO)
methods. Constructing control model and checking the correctness of model are
also included in this topic. This thesis uses the programe language MATLAB
SIMULINK for tuning of PID controller of induction motor using Ziegler –Nichols
(ZN) and Particle swarm optimazation (PSO). The simmulation results show that
the proposed method has good performance.
Keywords: Induction Motor, Control Tuning Parameters, Particle Swarm
Optimization, Ziegler Nichols, PID-PSO Controller, Field Orientated Control.
v
MỤC LỤC
Trang tựa
Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ------------------------------------------------------------------------------ i
Lời cam đoan ------------------------------------------------------------------------------ iii
Lời cảm ơn --------------------------------------------------------------------------------- iv
Tóm tắt -------------------------------------------------------------------------------------- v
Mục lục------------------------------------------------------------------------------------- vi
Danh sách các chữ viết tắt ---------------------------------------------------------------- x
Danh sách các hình ----------------------------------------------------------------------- xi
Danh sách các bảng---------------------------------------------------------------------- xiv
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong
và ngoài nước ----------------------------------------------------------------------------- -1
1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu --------------------------------------------------- 4
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ----------------------------------------------------------- 4
1.2.2. Phạm vi nghiên cứu ------------------------------------------------------------ 4
1.3. Đối tượng nghiên cứu ---------------------------------------------------------------- 4
1.4. Phương pháp nghiên cứu ------------------------------------------------------------ 4
1.5. Kế hoạch thực hiện ------------------------------------------------------------------- 4
1.6. Kết cấu luận văn ---------------------------------------------------------------------- 5
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Bộ điều khiển PID -------------------------------------------------------------------- 7
2.1.1. Định nghĩa ---------------------------------------------------------------------- 7
2.1.2. Đáp ứng ngõ ra ----------------------------------------------------------------- 8
2.2. Hiệu chỉnh bộ PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols ------------------------- 8
2.2.1. Phương pháp Ziegler Nichol thứ nhất --------------------------------------- 9
2.2.2. Phương pháp Ziegler Nichol thứ hai -------------------------------------- 10
2.3. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha ------- 11
vi
2.3.1. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f) ---------- 11
2.3.1.1. Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi ---------------------------- 12
2.3.1.2. Trường hợp tốc độ động cơ thấp -------------------------------------- 13
2.3.1.3. Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức ------------------------ 13
2.3.1.4. Đặc tính cơ---------------------------------------------------------------- 13
2.3.2. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC - Field Orientated
Control -------------------------------------------------------------------------- 15
2.3.2.1. Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor ----------- 15
2.3.2.2. Vector không gian ------------------------------------------------------- 16
2.3.2.3. Chuyển từ a, b, c , ------------------------------------------- 17
2.3.2.4. Chuyển từ , d , q --------------------------------------------- 17
2.3.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct
Torque Control -------------------------------------------------------------- 18
Chƣơng 3: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA
3.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha----------------------------------- 20
3.1.1. Giới thiệu---------------------------------------------------------------------- 20
3.1.2. Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ ------------------- 20
3.1.3. Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ ------------------ 21
3.2. Vector không gian và các đại lượng ba pha------------------------------------- 22
3.2.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha ----------------- 22
3.2.2. Hệ tọa độ cố định stator ( ) ------------------------------------------- 24
3.2.3. Hệ tọa độ từ thông rotor (d – q) -------------------------------------------- 26
3.3 Mô hình động cơ khơng đồng bộ ba pha ----------------------------------------- 28
3.3.1. Thông số của động cơ không đồng bộ ----------------------------------- 28
3.3.2. Các phương trình cơ bản của động cơ khơng đồng bộ ba pha --------- 28
3.3.3. Mơ hình động cơ khơng đồng bộ trên hệ tọa độ ( ) ---------------- 30
3.3.4. Mơ hình động cơ khơng đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) ---------------- 31
3.4. Xây dựng mơ hình động cơ khơng đồng bộ bằng Matlab – Simulink ------ 33
vii
3.4.1. Mơ hình động cơ trong hệ tọa độ , ---------------------------------- 33
3.4.2. Mơ hình động cơ trong hệ tọa độ d q --------------------------------- 35
Chƣơng 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TỪ THÔNG – FOC
4.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC --------------------------------------------- 38
4.2. Xây dựng thuật toán điều khiển -------------------------------------------------- 40
4.3. Giới thiệu cấu trúc hiện đại của FOC -------------------------------------------- 42
4.4. Phân tích các khối trong FOC ---------------------------------------------------- 43
4.4.1. Khối mơ hình động cơ ------------------------------------------------------- 43
4.4.2. Khối chuyển tọa độ voltage (d-q) sang -------------------------- 46
4.4.3. Khối chuyển tọa độ current(ABC) sang d q ------------------------- 48
4.4.4. Khối MHTT (mơ hình từ thơng) ------------------------------------------- 50
Chƣơng 5: GIẢI THUẬT TỐI ƢU HĨA BẦY ĐÀN
5.1. Lịch sử phát triển ------------------------------------------------------------------- 52
5.2. Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn --------------------------------- 55
5.3. Mơ tả thuật tốn -------------------------------------------------------------------- 55
5.4. Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO -------------------- 58
5.4.1. Mã hóa cá thể ----------------------------------------------------------------- 58
5.4.1.1. Mã hóa nhị phân --------------------------------------------------------- 58
5.4.1.2. Mã hóa hốn vị ----------------------------------------------------------- 59
5.4.1.3. Mã hóa theo giá trị------------------------------------------------------- 60
5.4.2. Khởi tạo quần thể ban đầu -------------------------------------------------- 60
5.4.3. Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) -------------------------------------------- 61
5.4.4. Hàm vận tốc v ---------------------------------------------------------------- 61
5.4.5. Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể ----------------------------------- 63
5.5. Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO -------------------------------------- 64
5.5.1. Đặc điểm ---------------------------------------------------------------------- 64
5.5.2. Ứng dụng ---------------------------------------------------------------------- 65
5.6. Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng thuật giải bầy đàn ----------------------- 65
viii
Chƣơng 6: KẾT QỦA MƠ PHỎNG
6.1 Thơng số của động cơ -------------------------------------------------------------- 68
6.2 Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên Matlab ------------------------------- 68
6.3 Kết quả mô phỏng ------------------------------------------------------------------- 69
6.3.1 Theo phương pháp cổ điển ZN---------------------------------------------- 69
6.3.1.1 Động cơ khởi động không tải ------------------------------------------- 69
6.3.1.2 Động cơ khởi động khơng tải, có thay đổi tốc độ -------------------- 70
6.3.1.3 Động cơ khởi động khơng tải, sau đó đóng tải ----------------------- 71
6.3.1.4 Động cơ khởi động khơng tải, sau đó đổi chiều quay --------------- 72
6.3.2 Theo thuật toán bầy đàn------------------------------------------------------ 73
6.3.2.1 Động cơ khởi động không tải ------------------------------------------- 73
6.3.2.2 Động cơ khởi động khơng tải, có thay đổi tốc độ -------------------- 74
6.3.2.3 Động cơ khởi động khơng tải, sau đó đóng tải ----------------------- 75
6.3.2.4 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay --------------- 76
6.4 So sánh giữa hai phương pháp ---------------------------------------------------- 77
6.4.1 Tham số bộ PID và đáp ứng của tốc độ động cơ ------------------------- 77
6.4.2 Hình ảnh mô phỏng ----------------------------------------------------------- 77
6.4.2.1 Động cơ khởi động không tải ------------------------------------------- 77
6.4.2.2 Động cơ khởi động khơng tải, sau đó đổi chiều quay --------------- 79
6.4.2.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải ----------------------- 80
Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
7.1 Kết luận ------------------------------------------------------------------------------- 81
7.2 Hạn chế ------------------------------------------------------------------------------- 81
7.3 Hướng phát triển của đề tài -------------------------------------------------------- 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
ix
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
ACO
ANN
DTC
FOC
GA
IAE
ISE
ITSE
ITAE
MIMO
MISO
P
PI
PID
PSO
PWM
SI
SIMO
SISO
ZN
Ant Colony Optimization
Artificial Neural Network
Direct Torque Control
Field Orientated Control
Genetic Algorithms
Integral absolute-error criterion
Integral square-error criterion
Integral-of-time multiplied square-error criterion
Integral-of-time-multiplied absolute-error criterion
Multiple-Input-Multiple-Output
Multiple-Input-Single-Output
Proportional controller
Proportional-integral controller
Proportional-integral-derivative controller
Particle Swarm Optimization
Pulse Width Modulation
Swarm Intelligence
Single-Input-Multiple-Output
Single-Input-Single-Output
Ziegler- Nichols
x
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình
Trang
Hình 2.1: Khâu điều khiển vịng kín ---------------------------------------------- 7
Hình 2.2: Cấu trúc PID -------------------------------------------------------------- 8
Hình 2.3: Sơ đồ khối của một hệ hở ----------------------------------------------- 9
Hình 2.4: Đáp ứng của hệ hở ------------------------------------------------------- 9
Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID --------------------------------- 9
Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P ---------------------------------- 10
Hình 2.7: Đáp ứng của hệ kín ------------------------------------------------------ 10
Hình 2.8: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số ------------------------ 13
Hình 2.9: Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng hở --------------------------------- 14
Hình 2.10: Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng kín ------------------------------ 15
Hình 2.11: Biểu diễn vector is trong không gian với các thành phần a, b, c - 16
Hình 2.12: Dịng điện stator is trong hệ a, b, c và , -------------------- 17
Hình 2.13:Vector khơng gian của dịng stator trong hệ trục , và d , q -17
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC
– Direct Torque Control ---------------------------------------------- 18
Hình 3.1: Sơ đồ tương đương một pha động cơ không đồng bộ --------------- 21
Hình 3.2: Vị trí không gian các pha ---------------------------------------------- 22
Hình 3.3: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha----------------- 24
Hình 3.4: Hệ tọa độ stator (α - β) ------------------------------------------------- 25
Hình 3.5: Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) -------------------- 26
Hình 3.6: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) --------------- 27
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ ----------- 29
Hình 3.8: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ ( ) ------------------ 33
xi
Hình 3.9: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ ( ) -------------------------------- 34
Hình 3.10: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ d q ------------------ 35
Hình 3.11: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ d q ------------------------------- 36
Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC ------------------------------- 39
Hình 4.2: Vector dịng điện, điện áp và từ thơng rotor trên hệ
trục tọa độ (d – q) -------------------------------------------------------------------- 41
Hình 4.3: Cấu trúc hiện đại của FOC được xây dựng bằng Matlab ---------- 42
Hình 4.4: Sơ đồ khối mơ hình động cơ ------------------------------------------- 44
Hình 4.5: Sơ đồ khối voltage chuyển tọa độ từ d q sang và cài đặc
thơng số của khối --------------------------------------------------------------------- 47
Hình 4.6: Sơ đồ khối current chuyển tọa độ từ (ABC) sang (d – q) và
cài đặt thơng số của khối------------------------------------------------------------- 49
Hình 4.7: Sơ đồ khối mơ hình từ thơng ------------------------------------------- 50
Hình 5.1: Mơ tả kiến tìm đường --------------------------------------------------- 53
Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật của thuật tốn PSO --------------------------------- 57
Hình 5.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức tốn học ------------------------------ 60
Hình 5.4: Chuyển động của cá thể ------------------------------------------------- 62
Hình 5.5: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn -------------------------- 66
Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID --------------- 67
Hình 6.1: Sơ đồ tổng quan các khối ----------------------------------------------- 68
Hình 6.2: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 69
Hình 6.3: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 70
Hình 6.4: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 71
Hình 6.5: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 72
Hình 6.6: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
xii
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 73
Hình 6.7: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 74
Hình 6.8: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 75
Hình 6.9: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thơng rotor và dịng điện ba pha
của động cơ ---------------------------------------------------------------------------- 76
Hình 6.10: Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo
phương pháp ZNvà PSO ------------------------------------------------------------- 78
Hình 6.11: Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo
phương pháp ZNvà PSO ------------------------------------------------------------- 79
Hình 6.12: Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo
phương pháp ZNvà PSO ------------------------------------------------------------- 80
xiii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 2.1: Bảng tính các thơng số PID theo Z–N1 ------------------------------- 10
Bảng 2.2: Bảng tính các thơng số PID theo Z–N2 ------------------------------- 11
Bảng 6.1: Tham số PID và đáp ứng ngõ ra của tốc độ động cơ---------------- 77
xiv
Tổng Quan
Chương 1
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Trong thực tế và đời sống, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất người ta
thường sử dụng các động cơ điện làm cơ cấu chấp hành. Trước đây, các hệ thống
điều khiển và truyền động điện có yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh tốc độ
thường dùng động cơ điện một chiều, loại động cơ này có nhiều nhược điểm so với
động cơ điện xoay chiều, nên khi công nghệ điện tử công suất phát triển, động cơ
điện xoay chiều được sử dụng rộng rải hơn. Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ
điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn
công suất lớn, động cơ xoay chiều đã trở thành một đối tượng điều khiển có nhiều
ưu thế và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đã sử dụng động cơ xoay chiều không
đồng bộ, đồng bộ như một đối tượng điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội.
Cũng như các hệ thống điều khiển khác, 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 khắc khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự động.
Để giải quyết những vấn đề trên người ta đã nghiên cứu và áp dụng nhiều lý
thuyết điều khiển, mỗi một phương pháp điều có những mặt mạnh, mặt yếu 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.
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
1
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Tổng Quan
Chương 1
Đối với động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ được sử dụng nhiều
trong công nghiệp và đời sống. Điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều cịn nhiều vấn
đề cần giải quyết bởi nó phụ thuộc vào nhiều thành phần phi tuyến có tham số bất
định như điện trở của rôtor (phụ thuộc vào nhiệt độ), từ thông, hệ số ma sát và tải
thay đổi. Điều khiển động cơ xoay chiều đã là chủ đề của rất nhiều nghiên cứu vài
chục năm gần đây.[4] Trong các nghiên cứu đó được chia làm 2 hướng:
Hướng 1: Sử dụng các bộ cảm biến để đo các tham số của động cơ xoay chiều
và dựa vào đó đưa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp. Khi sử dụng cảm biến sẽ làm
tăng giá thành của động cơ và phức tạp trong kết nối điều khiển, nhưng hướng này
cho độ chính xác cao mà thuật tốn điều khiển lại đơn giản.
Hướng 2: Không sử dụng các bộ cảm biến mà ta dùng mơ hình tốn học để ước
lượng tốc độ động cơ thay cảm biến tốc độ. Trong hướng này, các nghiên cứu tập
trung vào một số phương pháp như: sử dụng các bộ lọc Kalman, lọc phi tuyến hay
bộ quan sát theo chế độ trượt [10], [15] để ước lượng tốc độ động cơ. Hướng này
giúp giảm giá thành sản phẩm, nhưng hiệu quả điều khiển phụ thuộc vào nhiều
thuật tốn ước lượng và độ chính xác của mơ hình động cơ.
Tuy nhiên do hệ động lực của động cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định
nên việc điều khiển động cơ theo các phương pháp cổ truyền có cảm biến hay
khơng có cảm biến đều khơng đảm bảo chất lượng khi có tải thay đổi lớn. Trong
trường hợp này các phương pháp điều khiển thích nghi [10], các phương pháp nhận
dạng và phương pháp điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID trong điều khiển tốc
độ động cơ với sự hổ trợ của mạng nơron, giải thuật di truyền (GA), giải thuật bầy
đàn (PSO: Particle swarm optimization) [6], [11] thường được sử dụng.
Căn cứ vào các đánh giá nêu trên cùng với yêu cầu nghiên cứu ứng dụng
phương pháp điều khiển hiện đại để xác định thông số bộ điều khiển PID trong điều
khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha, tác giả của đề tài đã chọn thuật giải Bầy
Đàn (PSO:Particle swarm optimization ) để thực hiện.
Cho đến nay các cơng trình nghiên cứu về điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha thì rất nhiều với các phương pháp điều khiển khác nhau như Nơron
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
2
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Tổng Quan
Chương 1
Fuzzy, PSO hoặc PID-Fuzzy, PID-GA, PID-PSO… Nhưng hầu hết các cơng trình
nghiên cứu đều chỉ dừng ở kết quả mô phỏng trên lý thuyết, chưa được kiểm chứng
bằng thực nghiệm.
Tiêu biểu đó là cơng trình nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Thượng Cát, Lê
Minh Hùng, Phạm minh Tuấn. Viện công nghệ thông tin, thuộc Trường Đại Học
Thái Nguyên “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng
Mạng Nơron 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
q trình q 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.[4]
Cơng trình nghiên cứu của Phạm Văn Lực, 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- mờ 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. [5]
Công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Radha Thangaraj; Thanga Raj
Chelliah; Millie Pant; Ajith Abraham and Crina Grosan, Indian Institute of
Technology Roorkee; Scientific Network for Innovation and Research Excellence
Washington, USA and Department of Computer Science, Babes-Bolyai University
Cluj-Napoca, Romania “Optimal gain tuning of PI speed controller in induction
motor drives using particle swarm optimization”, trong cơng trình này nhóm tác giả
đã sử dụng bốn phương pháp để điều chỉnh bộ PID trong điều khiển tốc độ của
động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc đó là: PID cổ điển, PID- PSO, PID
mờ và PID mờ lai. Kết quả mô phỏng cho thấy, phương pháp PID mờ lai thì thời
gian đáp ứng tốc độ nhanh, độ vọt lố và độ sụt dốc của động cơ khi thay đổi tải tốt
hơn so với các phương pháp trên. Bên cạnh đó kết quả mô phỏng cũng cho thấy với
phương pháp tối ưu bộ PID bằng thuật giải bầy đàn (PSO) thì độ vọt lố và độ sụt
dốc của động cơ khi thay đổi tải đều nhỏ hơn so với phương pháp PID cổ điển. [12]
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
3
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Tổng Quan
Chương 1
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) cho việc xác
định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha.
1.2.2 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu giải thuật bầy đàn (PSO) cho việc xác định thông
số bộ điều khiển PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha.
1.3 Đối tƣợng nghiên cứu
Bộ điều khiển PID.
Động cơ không đồng bộ ba pha.
Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ định hướng theo từ thông rotor.
Bộ PID trong khâu điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.
Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization).
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong đề tài này học viên đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin và tài liệu từ
sách, tạp chí, báo điện tử và truy cập mạng internet.
Phương pháp quan sát: khảo sát một số mơ hình, mơ phỏng thực tế đang có từ
các đồ án trước và các bài báo trên mạng internet, từ đó mơ phỏng lại bằng phần
mềm Matlab/Simulink để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm
trong việc mơ phỏng.
Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có kết hợp với
sự hướng dẫn của giáo viên, người nghiên cứu đã mô phỏng một số bài tập và các
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha để từ đó chọn lọc
phương pháp điều khiển tối ưu.
1.5 Kế hoạch thực hiện
Giai đoạn 1 (9/2010-10/2010): Tìm tài liệu tham khảo.
Giai đoạn 2 (10/2010 – 12/2010): Tìm hiểu và nghiên cứu
Bộ điều khiển PID.
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
4
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Tổng Quan
Chương 1
Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha .
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.
Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization).
Giai đoạn 3 (1/2011 – 6/2011): Ứng dụng
Phương pháp ZN và giải thuật PSO vào điều chỉnh thông số bộ PID
trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
Giai đoạn 4 (7/2011): Viết báo cáo
1.6 Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm các phần sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chương này gồm những nội dung sau :
Đặt vấn đề .
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày những nội dung sau :
Bộ điều khiển PID .
Hiệu chỉnh bộ PID bằng phương pháp Ziegler- Nichols
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Chƣơng 3: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha
Chương này tìm hiểu các vấn đề :
Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha.
Xây dựng các khối mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha bằng
Matlab/Simulink.
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
5
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Tổng Quan
Chương 1
Chƣơng 4: Điều khiển định hướng từ thông FOC- Field Orientated Control
Chương này gồm những nội dung sau:
Cấu trúc FOC cơ bản.
Xây dựng thuật toán điều khiển.
Cấu trúc FOC hiện đại.
Chƣơng 5: Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn
Chương này tìm hiểu các vấn đề:
Lịch sử hình thành.
Các khái niệm cơ bản của giải thuật bầy đàn.
Mơ tả thuật tốn.
Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật bầy đàn
Hiệu chỉnh PID bằng giải thuật bầy đàn.
Chƣơng 6: Kết quả mô phỏng.
Chƣơng 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
6
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Cơ sở lý thuyết
Chương 2
CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Bộ điều khiển PID
2.1.1 Định nghĩa
R(s)
E(s)
C(s)
U(s)
Y(s)
G(s)
Hình 2.1: Khâu điều khiển vịng kín.
Điều khiển PID 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. [7]
Cơng thức tốn của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:
C ( s) K p
Ki
1
K d s K p (1 Td s)
s
Ti s
(2.1)
Trong đó:
Kp : độ lợi tỉ lệ.
Ki : độ lợi tích phân.
Kd : độ lợi vi phân.
Ti=Kp/Ki : thời gian khâu vi phân.
Td : thời gian khâu tích phân.
Điều chỉnh tỉ lệ (P): là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ
với sai lệch đầu vào.
Điều chỉnh tích phân (I): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ để lại một độ lệch
(offset) sau điều chỉnh rất lớn. Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỉ lệ với
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
7
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
Cơ sở lý thuyết
Chương 2
điều chỉnh tích phân. Điều chỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu
điều chỉnh sao cho độ lệch giảm tới 0. Thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều
chỉnh tích phân càng mạnh, ứng với độ lệch càng bé.
Điều chỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian của hệ thống rất lớn điều chỉnh
theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết hợp với điều chỉnh vi phân.
Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai
lệch đầu vào.
Thời gian càng lớn thì điều chỉnh vi phân càng mạnh, ứng với bộ điều chỉnh
đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.
2.1.2 Đáp ứng ngõ ra
Kp
E(s)
U(s)
Ki
Kd
Hình 2.2: Cấu trúc PID.
Bộ điều khiển PID có tín hiệu ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu vào, với vi
phân và tích phân tín hiệu vào theo biểu thức sau:
U ( s) K p E ( s) K I .
E ( s)
K d .S .E ( s)
S
(2.2)
2.2 Hiệu chỉnh bộ PID bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols
Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số
bộ điều khiển PID. Phương pháp thứ nhất dùng mơ hình qn tính bậc nhất của đối
tượng điều khiển. Phương pháp thứ hai không cần đến mơ hình tốn học của đối
tượng nhưng chỉ áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định. [5]
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
8
HVTH: Huỳnh Đức Chấn
