v
TÓM 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 mô hình và kiểm tra tính đúng đắng của mô hình. Trong đề tài
này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab simulink để mô hình hóa và mô 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.
vi
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
Chơng 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
Chơng 2: C 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
vii
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
, , ,abc
17
2.3.2.4. Chuyển từ
,,dq
17
2.3.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct
Torque Control 18
Chơng 3: MÔ HÌNH ĐNG C KHÔNG ĐNG B 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 không 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 không đồng bộ ba pha 28
3.3.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ
()
30
3.3.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) 31
3.4. Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ bằng Matlab – Simulink 33
viii
3.4.1. Mô hình động cơ trong hệ tọa độ
,
33
3.4.2. Mô hình động cơ trong hệ tọa độ
qd
35
Chơng 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HNG TỪ THÔNG ậ 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 mô 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
qd
48
4.4.4. Khối MHTT (mô hình từ thông) 50
Chơng 5: GIẢI THUT TI U HÓA BY ĐÀN
5.1. Lịch sử phát triển 52
5.2. Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn 55
5.3. Mô tả thuật toán 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 hoán 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. ng dụng 65
5.6. Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng thuật giải bầy đàn 65
ix
Chơng 6: KẾT QA MÔ PHỎNG
6.1 Thông 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 không tải, có thay đổi tốc độ 70
6.3.1.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải 71
6.3.1.4 Động cơ khởi động không 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 không tải, có thay đổi tốc độ 74
6.3.2.3 Động cơ khởi động không 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 không tải, sau đó đổi chiều quay 79
6.4.2.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải 80
Chơng 7: KẾT LUN VÀ HNG PHÁT TRIỂN CA 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
x
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TT
ACO Ant Colony Optimization
ANN Artificial Neural Network
DTC Direct Torque Control
FOC Field Orientated Control
GA Genetic Algorithms
IAE Integral absolute-error criterion
ISE Integral square-error criterion
ITSE Integral-of-time multiplied square-error criterion
ITAE Integral-of-time-multiplied absolute-error criterion
MIMO Multiple-Input-Multiple-Output
MISO Multiple-Input-Single-Output
P Proportional controller
PI Proportional-integral controller
PID Proportional-integral-derivative controller
PSO Particle Swarm Optimization
PWM Pulse Width Modulation
SI Swarm Intelligence
SIMO Single-Input-Multiple-Output
SISO Single-Input-Single-Output
ZN Ziegler- Nichols
xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình Trang
Hình 2.1: Khâu điều khiển vòng 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 vòng hở 14
Hình 2.10: Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín 15
Hình 2.11: Biểu diễn vector i
s
trong khơng gian với các thành phần a, b, c - 16
Hình 2.12: Dòng điện stator i
s
trong hệ
,,abc
và
,
17
Hình 2.13:Vector khơng gian của dòng stator trong hệ trục
,
và
,dq
-17
Hình 2.14: Sơ đồ ngun lý điều khiển trực tiếp moment DTC
– Direct Torque Control 18
Hình 3.1: Sơ đồ tương đương một pha động cơ khơng đồng bộ 21
Hình 3.2: Vò 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
xii
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
qd
35
Hình 3.11: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ
qd
36
Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 39
Hình 4.2: Vector dòng điện, điện áp và từ thông 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 mô hình động cơ 44
Hình 4.5: Sơ đồ khối voltage chuyển tọa độ từ
qd
sang
và cài đặc
thông số của khối 47
Hình 4.6: Sơ đồ khối current chuyển tọa độ từ (ABC) sang (d – q) và
cài đặt thông số của khối 49
Hình 4.7: Sơ đồ khối mô hình từ thông 50
Hình 5.1: Mô tả kiến tìm đường 53
Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO 57
Hình 5.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán 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 thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 69
Hình 6.3: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 70
Hình 6.4: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 71
Hình 6.5: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 72
Hình 6.6: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
xiii
của động cơ 73
Hình 6.7: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 74
Hình 6.8: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 75
Hình 6.9: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng 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
xiv
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bng Trang
Bng 2.1: Bảng tính các thông số PID theo Z–N1 10
Bng 2.2: Bảng tính các thông số PID theo Z–N2 11
Bng 6.1: Tham số PID và đáp ứng ngõ ra của tốc độ động cơ 77
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 1 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Chng 1
TNG QUAN
1.1 Tng quan lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc
Trong thực t và đời sống, để truyền đng cho những cơ cấu sản xuất ngời ta
thờng sử dụng các đng cơ điện làm cơ cấu chấp hành. Trc đây, các hệ thống
điều khiển và truyền đng điện có yêu cầu cao về chất lợng điều chỉnh tốc đ
thờng dùng đng cơ điện mt chiều, loại đng cơ này có nhiều nhợc điểm so vi
đng cơ điện xoay chiều, nên khi công nghệ điện tử công suất phát triển, đng cơ
điện xoay chiều đợc sử dụng rng rải hơn. Hiện nay, vi khả năng thit k các b
điều khiển hiện đại, nhờ cải tin, ng dụng không ngừng các b bin đổi bán dẫn
công suất ln, đng cơ xoay chiều đư trở thành mt đối tợng điều khiển có nhiều
u th và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đư sử dụng đng cơ xoay chiều không
đồng b, đồng b nh mt đối tợng điều khiển có nhiều u điểm vợt tri.
Cũng nh các hệ thống điều khiển khác, chất lợng các hệ điều khiển truyền
đng điện phụ thuc rất nhiều vào các b điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra đợc
khả năng thay đổi tốc đ vi phạm vi điều chỉnh rng, đ chính xác ca đại lợng
điều chỉnh ở ch đ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc vi sai số nhỏ, hệ làm việc
vi bất c quá trình quá đ nào cũng đạt đợc đ ổn định cao và hệ có khả năng đáp
ng nhanh vi yêu cầu điều chỉnh. Tất cả những điều này thực sự đư đặt ra những
yêu cầu càng ngày càng khắc khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự đng.
Để giải quyt những vấn đề trên ngời ta đư nghiên cu và áp dụng nhiều lý
thuyt điều khiển, mỗi mt phơng pháp điều có những mặt mạnh, mặt yu nhng
nhìn chung ở mỗi hệ thống khi đư lựa chọn phơng án điều khiển nào thì ngời thit
k đều đạt đợc những kt quả nhất định cho mục đích ca mình. Hiện nay, để điều
khiển các hệ truyền đng điện ngời ta đư áp dụng mt số các lý thuyt tiêu biểu
nh: Phơng pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trợt, mạng nơron nhân tạo, hệ
mờ (Fuzzy)…và mt số hệ điều khiển lai.
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 2 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Đối vi đng cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng b đợc sử dụng nhiều
trong công nghiệp và đời sống. Điều khiển tốc đ đng cơ xoay chiều còn nhiều vấn
đề cần giải quyt bởi nó phụ thuc vào nhiều thành phần phi tuyn có tham số bất
định nh điện trở ca rôtor (phụ thuc vào nhiệt đ), từ thông, hệ số ma sát và tải
thay đổi. Điều khiển đng cơ xoay chiều đư là ch đề ca rất nhiều nghiên cu vài
chục năm gần đây.[4] Trong các nghiên cu đó đợc chia làm 2 hng:
Hng 1: Sử dụng các b cảm bin để đo các tham số ca đng cơ xoay chiều
và dựa vào đó đa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp. Khi sử dụng cảm bin s làm
tăng giá thành ca đng cơ và phc tạp trong kt nối điều khiển, nhng hng này
cho đ chính xác cao mà thuật toán điều khiển lại đơn giản.
Hng 2: Không sử dụng các b cảm bin mà ta dùng mô hình toán học để c
lợng tốc đ đng cơ thay cảm bin tốc đ. Trong hng này, các nghiên cu tập
trung vào mt số phơng pháp nh: sử dụng các b lọc Kalman, lọc phi tuyn hay
b quan sát theo ch đ trợt [10], [15] để c lợng tốc đ đng cơ. Hng này
giúp giảm giá thành sản phẩm, nhng hiệu quả điều khiển phụ thuc vào nhiều
thuật toán c lợng và đ chính xác ca mô hình đng cơ.
Tuy nhiên do hệ đng lực ca đng cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định
nên việc điều khiển đng cơ theo các phơng pháp cổ truyền có cảm bin hay
không có cảm bin đều không đảm bảo chất lợng khi có tải thay đổi ln. Trong
trờng hợp này các phơng pháp điều khiển thích nghi [10], các phơng pháp nhận
dạng và phơng pháp điều chỉnh thông số b điều khiển PID trong điều khiển tốc
đ đng cơ vi sự hổ trợ ca mạng nơron, giải thuật di truyền (GA), giải thuật bầy
đàn (PSO: Particle swarm optimization) [6], [11] thờng đợc sử dụng.
Căn c vào các đánh giá nêu trên cùng vi yêu cầu nghiên cu ng dụng
phơng pháp điều khiển hiện đại để xác định thông số b điều khiển PID trong điều
khiển tốc đ đng cơ không đồng b 3 pha, tác giả ca đề tài đư chọn thuật giải By
ĐƠn (PSO:Particle swarm optimization ) để thực hiện.
Cho đn nay các công trình nghiên cu về điều khiển tốc đ đng cơ không
đồng b ba pha thì rất nhiều vi các phơng pháp điều khiển khác nhau nh Nơron
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 3 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Fuzzy, PSO hoặc PID-Fuzzy, PID-GA, PID-PSO… Nhng hầu ht các công trình
nghiên cu đều chỉ dừng ở kt quả mô phỏng trên lý thuyt, cha đợc kiểm chng
bằng thực nghiệm.
Tiêu biểu đó là công trình nghiên cu ca nhóm tác giả Phạm Thợng Cát, Lê
Minh Hùng, Phạm minh Tuấn. Viện công nghệ thông tin, thuc Trờng Đại Học
Thái Nguyên “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng
Mạng Nơron Nhân Tạo”. Kt quả mô phỏng cho thấy tốc đ ca đng cơ khi sử
dụng mạng nơron bám sát tốc đ đặt. Tại thời điểm tải thay đổi đt bin tốc đ có
quá trình quá đ nhất định nhng chỉ sau mt khoảng thời gian ngắn mạng nơron tự
học và tác đng đa tốc đ đng cơ về vi tốc đ yêu cầu, sai số trung bình 10
-3
.[4]
Công trình nghiên cu ca Phạm Văn Lực, Trờng Đại Học S 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”. Kt
quả mô phỏng cho thấy phơng pháp PID- mờ tốt hơn so vi phơng pháp PID
thông thờng nh dòng điện khởi đng nhỏ, tốc đ đng cơ bám sát tốc đ đặt vi
sai số nhỏ. [5]
Công trình nghiên cu ca 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 công trình này nhóm tác giả
đư sử dụng bốn phơng pháp để điều chỉnh b PID trong điều khiển tốc đ ca
đng cơ không đồng b ba pha rotor lồng sóc đó là: PID cổ điển, PID- PSO, PID
mờ và PID mờ lai. Kt quả mô phỏng cho thấy, phơng pháp PID mờ lai thì thời
gian đáp ng tốc đ nhanh, đ vọt lố và đ sụt dốc ca đng cơ khi thay đổi tải tốt
hơn so vi các phơng pháp trên. Bên cạnh đó kt quả mô phỏng cũng cho thấy vi
phơng pháp tối u b PID bằng thuật giải bầy đàn (PSO) thì đ vọt lố và đ sụt
dốc ca đng cơ khi thay đổi tải đều nhỏ hơn so vi phơng pháp PID cổ điển. [12]
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 4 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
1.2 Mục tiêu vƠ phm vi nghiên cu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cu
ng dụng giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) cho việc xác
định thông số b PID trong điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b 3 pha.
1.2.2 Phạm vi nghiên cu
Đề tài tập trung nghiên cu giải thuật bầy đàn (PSO) cho việc xác định thông
số b điều khiển PID trong điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b 3 pha.
1.3 Đi tng nghiên cu
B điều khiển PID.
Đng cơ không đồng b ba pha.
Phơng pháp điều khiển tốc đ đng cơ định hng theo từ thông rotor.
B PID trong khâu điều chỉnh tốc đ đng cơ không đồng b.
Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization).
1.4 Phng pháp nghiên cu
Trong đề tài này học viên đư sử dụng các phơng pháp nghiên cu:
Phơng 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.
Phơng pháp quan sát: khảo sát mt số mô hình, mô phỏng thực t đang có từ
các đồ án trc và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần
mềm Matlab/Simulink để so sánh vi kt quả đư có nhằm rút ra những kinh nghiệm
trong việc mô phỏng.
Phơng pháp thực nghiệm: từ những ý tởng và kin thc vốn có kt hợp vi
sự hng dẫn ca giáo viên, ngời nghiên cu đư mô phỏng mt số bài tập và các
phơng pháp điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b 3 pha để từ đó chọn lọc
phơng pháp điều khiển tối u.
1.5 K hoch thực hin
Giai đoạn 1 (9/2010-10/2010): Tìm tài liệu tham khảo.
Giai đoạn 2 (10/2010 – 12/2010): Tìm hiểu và nghiên cu
B điều khiển PID.
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 5 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Mô hình đng cơ không đồng b ba pha .
Các phơng pháp điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b.
Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization).
Giai đoạn 3 (1/2011 – 6/2011): ng dụng
Phơng pháp ZN và giải thuật PSO vào điều chỉnh thông số b PID
trong điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b ba pha.
Chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
Giai đoạn 4 (7/2011): Vit báo cáo
1.6 Kt cu của lun văn
Luận văn gồm các phần sau:
Chng 1: Tổng quan
Chơng này gồm những ni dung sau :
Đặt vấn đề .
Các kt quả nghiên cu trong và ngoài nc.
Mục tiêu và phạm vi nghiên cu.
Đối tợng nghiên cu.
Phơng pháp nghiên cu.
Chng 2: Cơ sở lý thuyt
Chơng này trình bày những ni dung sau :
B điều khiển PID .
Hiệu chỉnh b PID bằng phơng pháp Ziegler- Nichols
Các phơng pháp điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b ba pha.
Chng 3: Mô hình đng cơ không đồng b ba pha
Chơng này tìm hiểu các vấn đề :
Mô hình đng cơ không đồng b ba pha.
Xây dựng các khối mô phỏng đng cơ không đồng b ba pha bằng
Matlab/Simulink.
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 6 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Chng 4: Điều khiển định hng từ thông FOC- Field Orientated Control
Chơng này gồm những ni dung sau:
Cấu trúc FOC cơ bản.
Xây dựng thuật toán điều khiển.
Cấu trúc FOC hiện đại.
Chng 5: Thuật toán tối u hóa bầy đàn
Chơng này tìm hiểu các vấn đề:
Lịch sử hình thành.
Các khái niệm cơ bản ca giải thuật bầy đàn.
Mô tả thuật toán.
Đặc điểm và ng dụng ca giải thuật bầy đàn
Hiệu chỉnh PID bằng giải thuật bầy đàn.
Chng 6: Kt quả mô phỏng.
Chng 7: Kt luận và hng phát triển ca đề tài
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 7 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
CHNG 2
C S LÝ THUYT
2.1 B điu khin PID
2.1.1 Định nghĩa
C(s) G(s)
R(s) E(s) Y(s)
U(s)
Hình 2.1: Khâu điều khiển vòng kín.
Điều khiển PID là mt kiểu điều khiển có hồi tip, ngõ ra thay đổi tơng ng
vi sự thay đổi ca giá trị đo. Ngời ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay
PID. [7]
Công thc toán ca b điều khiển PID trên miền Laplace:
)
1
1()( sT
sT
KsK
s
K
KsC
d
i
pd
i
p
(2.1)
Trong đó
:
K
p
: đ lợi tỉ lệ.
K
i
: đ lợi tích phân.
K
d
: đ lợi vi phân.
T
i
=K
p
/K
i
: thời gian khâu vi phân.
T
d
: thời gian khâu tích phân.
Điều chỉnh tỉ lệ (P): là phơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ
vi sai lệch đầu vào.
Điều chỉnh tích phân (I): là phơng pháp điều chỉnh tỉ lệ để lại mt đ lệch
(offset) sau điều chỉnh rất ln. Để khắc phục ta sử dụng kt hợp điều chỉnh tỉ lệ vi
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 8 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
điều chỉnh tích phân. Điều chỉnh tích phân là phơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu
điều chỉnh sao cho đ lệch giảm ti 0. Thời gian càng nhỏ thể hiện tác đng điều
chỉnh tích phân càng mạnh, ng vi đ lệch càng bé.
Điều chỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian ca hệ thống rất ln điều chỉnh
theo P hoặc PI có đáp ng quá chậm thì ta sử dụng kt hợp vi điều chỉnh vi phân.
Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ vi tốc đ thay đổi sai
lệch đầu vào.
Thời gian càng ln thì điều chỉnh vi phân càng mạnh, ng vi b điều chỉnh
đáp ng vi thay đổi đầu vào càng nhanh.
2.1.2 Đáp ng ngõ ra
Kp
Ki
Kd
E(s)
U(s)
Hình 2.2: Cấu trúc PID.
B điều khiển PID có tín hiệu ngõ ra
tỉ lệ tuyn tính vi tín hiệu vào, vi vi
phân và tích phân tín hiệu vào theo biểu thc sau:
)(
)(
.)()( sESK
S
sE
KsEKsU
dIp
(2.2)
2.2 Hiu chnh b PID bằng phng pháp Ziegler-Nichols
Ziegler và Nichols đa ra hai phơng pháp thực nghiệm để xác định tham số
b điều khiển PID. Phơng pháp th nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất ca đối
tợng điều khiển. Phơng pháp th hai không cần đn mô hình toán học ca đối
tợng nhng chỉ áp dụng cho mt số lp đối tợng nhất định. [5]
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 9 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
2.2.1 Phơng pháp Ziegler-Nichols th nhất
Xác định thông số ca b điều khiển PID dựa vào đáp ng ca hệ hở:
Hình 2.3: Sơ đồ khối ca mt hệ hở.
Hình 2.4: Đáp ng ca hệ hở.
Khi đó ta có bảng tính thông số ca b PID là:
Hình 2.5: Sơ đồ khối ca mt hệ kín có b PID.
B điều khiển PID :
sT
sT
KsG
D
I
PC
1
1
(2.3)
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 10 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Bng 2.1: Bảng tính các thông số PID theo Z–N1
2.2.2 Phơng pháp Ziegler-Nichols th hai
Hình 2.6: Sơ đồ khối ca hệ kín có b tỉ lệ P.
Hình 2.7: Đáp ng ca hệ kín.
Thông số
B điều khiển
K
P
T
I
T
D
P
KT
T
1
2
0
PI
KT
T
1
2
9.0
T
1
/0.3
0
PID
KT
T
1
2
2.1
2T
1
0.5T
1
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 11 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Phơng pháp này thay b điều khiển PID trong hệ kín bằng b khuch đại sau
đó tăng K cho đn khi hệ nằm ở biên gii ổn định, tc là hệ kín trở thành khâu dao
đng điều hòa. Lúc này ta có K
gh
và chu kì ca dao đng đó là T
gh
. Tham số cho b
điều khiển PID chọn theo bảng sau:
B
điều khiển
K
P
T
I
T
D
P
0.5*K
gh
0
PI
0.45*K
gh
2.1
1
*T
gh
0
PID
0.6*K
gh
0,5*T
gh
0,125*T
gh
Bng 2.2: Bảng tính các thông số PID theo Z–N2.
Vi:
P
I
I
K
K
T
(2.4)
D P D
K K T
(2.5)
2.3 Các phng pháp điu khin tc đ đng c không đng b ba
2.3.1 Điều khiển tốc đ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f)
Tốc đ đồng b ca đng cơ không đồng b tỉ lệ trực tip vi tần số nguồn
cung cấp. Do đó khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho đng cơ s làm thay đổi
tốc đ đồng b, tơng ng là tốc đ đng cơ thay đổi. [1]
Sc điện đng cảm ng trong stator E tỉ lệ vi tích ca tần số nguồn cung cấp
và từ thông trong khe hở không khí. Nu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator
có thể xem sc điện đng E điện áp nguồn cung cấp. Nu giảm tần số nguồn
nhng giữ nguyên điện áp s dẫn đn việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí.
Đng cơ thờng đợc thit k làm việc tại “điểm cánh chỏ” ca đặc tuyn từ hóa
nên sự gia tăng từ thông s dẫn đn bưo hòa mạch từ [1], [2]. Điều này khin cho
dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn hao
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 12 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
lõi và tổn hao đồng stator và gây ra ồn đng cơ ở tần số cao. Ngợc lại, từ thông
khe hở không khí giảm di định mc s làm giảm khả năng tải ca đng cơ. Vì
vậy, việc giảm tần số đng cơ xuống di tần số định mc thờng đi đôi vi việc
giảm điện áp pha sao cho từ thông trong khe hở không khí đợc giữ không đổi.
2.3.1.1 Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi
Nu bỏ qua sụt áp không đáng kể trên stator, điện áp stator ở ch đ xác lập tỉ
lệ thuận vi từ thông và tốc đ đồng b theo biểu thc sau:
s
s
V E j
(2.6)
Do đó, nu điều khiển vận tốc đng cơ di giá trị định mc bằng cách thay
đổi tần số nguồn và giữ nguyên đ ln điện áp stator, từ thông đng cơ s tăng đn
giá trị bảo hòa. Để tránh hiện tợng bảo hòa và giảm tổn hao, điện áp stator cần
đợc thay đổi cùng vi tần số f sao cho duy trì tác dụng ca từ thông bằng định
mc.
đm
s đm
s đm
VV
const
jj
(2.7)
Khi đó nguyên lý điều khiển từ thông không đổi trở thành nguyên lý điều khiển
V/f = const
1
đm
đm
V
V
= K
ff
(2.8)
Vi K
1
là hằng số hàm điều khiển
V/f
,
f
là tần số nguồn cung cấp cho stator.
Moment cực đại đợc xác định theo công thc:
2
max
2
2'
đb
s s s r
V
3
M = .
2.ω
R ± R + X + X
(2.9)
Giả thuyt
'
rss
XXR
, Ta có:
2
max
'
đb
sr
2
p
'
sr
V
3
M = .
2.ω
X + X
3.p
V
.
4f
2 f. L + L
(2.10)
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 13 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Dạng rút gọn:
2
max 2
V
M = K .
f
(2.11)
2
2
.
p
'
sr
3.p
K
8 L + L
(2.12)
Ta thấy, khi điều khiển đng cơ theo nguyên lý
V/f
không đổi thì đặc tính cơ
có moment max không đổi
max
M = const
.
2.3.1.2 Trờng hợp tốc đ đng cơ thấp
Khi hoạt đng ở tần số thấp thì điện trở
s
R
không thể bỏ qua so vi trở kháng
'
sr
X + X
. Lúc đó để giữ nguyên moment cực đại ở tần số thấp, tỉ số
V/f
cần thay
đổi và có giá trị ln hơn tỉ số
V/f
ở ch đ định mc.
2.3.1.3 Trờng hợp tốc đ ln hơn tốc đ định mc
Điện áp stator s đợc duy trì không đổi và bằng giá trị định mc, tần số
f
đợc điều khiển tăng lên, đng cơ s làm việc ở ch đ non kích từ. Khi đó, để
tránh đng cơ quá tải, moment đng cơ s đợc điều khiển theo nguyên lý công suất
không đổi,
max
M
s giảm khi tần số tăng.
2.3.1.4 Đặc tính cơ
Từ thông s đợc giữ không đổi trong khoảng từ
đm
0f
, và khi đng cơ làm
việc vi vận tốc ln hơn vận tốc định mc thì điện áp stator đợc giữ không đổi, tần
số thay đổi (giảm từ thông).
Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số
trong phơng pháp điều khiển
V/f = const
.
f
U
M
f
dm
U
o
M
dm
Hình 2.8: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số.
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 14 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Hình 2.9 là sơ đồ điều khiển tốc đ vòng hở theo nguyên lý
V/f =const
,
đặt
đợc đa vào b khởi đng mềm và khối
V/f
, khối này có chc năng thit lập đ
ln điện áp stator theo hàm điều khiển điện áp
V - f
để đảm bảo từ thông đng cơ
đợc sử dụng hiệu quả. Ngõ ra ca điều khiển từ thông là đại lợng điện áp yêu
cầu. Giá trị điện áp này đợc đa vào khối vector không gian để tạo xung kích đóng
cắt các khóa bán dẫn ca bô nghịch lu áp. [1]
Hình 2.9: Sơ đồ khối phơng pháp V/f vòng hở.
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 15 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Hình 2.10 là sơ đồ điều khiển tốc đ vòng kín theo nguyên lý
V/f =const
, ở sơ
đồ này chỉ khác vi sơ đồ vòng hở là có thêm khâu hồi tip tốc đ từ đng cơ. [1]
Hình 2.10: Sơ đồ khối phơng pháp V/f vòng kín.
2.3.2 Phng pháp điu khin đnh hng t thông FOC - Field Orientated
Control:
2.3.2.1 Các phơng pháp điều khiển định hng từ thông rotor
Có 2 phơng pháp trong việc điều khiển định hng tựa theo vector từ thông
thờng đợc sử dụng là: [2]
2.3.2.1.1 Phơng pháp điều khiển trực tip