Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ t đ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều với tham số động cơ được chọn

Chương II.Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ T- Đ điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều với tham số động cơ được chọn
2.1.Giới thiệu chung về bộ điều khiển mờ cho hệ điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều.
- Như đã trình bày ở trên ,hệ T – Đ là hệ phổ biến điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều dùng trong công nghiệp ,vì vậy đối với nhiệm vụ thiết kế ở đây là
thiết kế bộ điều khiển mờ có tác dụng trong vùng phi tuyến.Ta có nhận xét
như sau :
+ Ở trong vùng dòng liên tục , ứng với mỗi góc điều khiển thì quan hệ U =
f(I) là tuyến tính .
+ Ở trong vùng dòng điện gián đoạn thì quan hệ đó trở nên phi tuyến.Ta hình
dung rằng ,với mỗi góc điều khiển  n ếu
muốn đặc tính U = f(I) là tuyến tính ngay cả trong vùng dòng điện gián đoạn
thì ta phải bù thêm vào góc điều khiển một lượng
bù

δα

δα

.Với giá trị của góc

là hàm phi tuyến phụ thuộc vào và I, nghĩa là việc bù ở đây là phi

tuyến.Phương pháp thực hiện là phương pháp bù mờ .
Sơ đồ khối của hệ T – Đ có khối bù mờ như sau :


- Về thực chất thì hệ T – Đ khi ở vùng gián đoạn là hệ phi tuyến mạnh ,do vậy
việc dụng điều khiển mờ sẽ phát huy tác dụng tốt ở vùng này.
Các biểu thức tính toán dòng điện và điện áp chỉnh lưu của hệ T – Đ :

Ở trong vùng dòng điện liên tục :

Iư* =

Iu
X
= [ Cαsα − π .E / 3Um]
Um
R
3
π .X

Ud* =

Ud
= 3π .Cosα
Um

Trong đó :
Iư* - Là dòng điện phần ứng theo đơn vị tương đối
(dòng chỉnh lưu) .
Ud* - Là điện áp phần ứng theo đơn vị tương đối (điện
áp trung bình chỉnh lưu).
Um – Biên độ điện áp dây (V).
Ω

X - Điện kháng mạch phần ứng ( ).
X=

ω

L


Ω

R - Điện trở mạch phần ứng ( ).
E - Sức điện động động cơ (V).
α

- Góc điều khiển (độ)

Ở trong vùng dòng điện gián đoạn :

Iư* =

Ud* =
Trong đó

Iu
X
=
Um
R
3
π .X

E 

Cαs(π / 3 + α ) − Cαs (π / 3 + α + λ ) − Um λ 




Ud 3 
E  E
= Cαs (π / 3 + α ) − Cαs (π / 3 + α + λ ) −
λ +
Um π 
Um  Um

λ

l à góc dẫn xung dòng.

Tgϕ =

X
R

2.2.Cấu trúc điều khiển của hệ thống .
Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi có khâu bù mờ như sau:

2.3.Xây dựng bộ điều khiển mờ.
2.3.1 Thiết kế bộ mờ .


a.Chọn biến vào , ra và hàm liên thuộc.
*Biến vào ở đây là góc điều khiển α với α = [00 - 900 ] ; d òng điện Iư*
với Iư* = [0-1 ].
* Biến ra là

δα

với

δα

= [00-300]

*Hàm liên thuộc chọn kiểu hình tam giác (Hàm trimf ) vì miền xác định ở
đây là các khoảng hữu hạn xác định có giá trị nhỏ và không có giá trị âm.
*Chọn số tập mờ :
- Số tập mờ càng nhiều cho một biến vào ra thì miền xác định càng mở rộng
,tính chính xác càng cao,nhưng ngược lại mức độ tính toán khó khăn hơn.
- Với biến vào α chọn 5 tập : A2,A1,NM,B1,B2.
- Với biến I ư* ta chọn 9 tập mờ ( v ì s ự thay đ ổi c ủa I ư* quyết định nhiều tới
sự thay đổi của
- Với biến

δα

δα

) là : A4,A3,A2,A1,NM,B1,B2,B3,B4.

ta chọn 11tập mờ là : A5,A4,A3,A2,A1,NM,B1,B2,B3,B4,B5.

Trong đó : A5 là cực nhỏ,A4 là rất rất nhỏ,A3 là rất nhỏ ,A2 là nhỏ vừa ,A1 là
nhỏ ,NM là vừa ,B1 là lớn ,B2 là lớn vừa ,B3 là rất lớn ,B4 là rất rất lớn ,B5 là
cực lớn.

Các hàm liên thuộc :
Hàm thuộc của biến ngôn ngữ “góc điều khiển”


Hàm thuộc của biến ngôn ngữ “dòng điện phần ứng tương đối”

Hàm thuộc của biến ngôn ngữ “góc bù điều khiển”

b.Thiết lập các luật Nếu …..Thì….
Có hai tín hiệu vào vì vậy mà luật nếu thì được xây dựng theo mệnh đề MISO.


Có tất cả 5 x 9 = 45 tổ hợp các luật được tóm tắt trong bảng dưới đây :
Tín hiệu ra

δα

:

α

Iư*
A4
A3
A2
A1
NM
B1
B2
B3

B4

A2

A1

NM

B1

B2

A5
A5
A5
A5
A5
A5
A5
A5
A5

B4
NM
A2
A3
A4
A5
A5
A5

A5

B4
NM
A1
A2
A3
A4
A4
A5
A5

B4
NM
A1
A2
A3
A3
A4
A4
A5

B4
NM
A1
A2
A2
A3
A4
A4

A4

c.Luật hợp thành và giải mờ.
Luật hợp thành theo phương pháp trung bình trọng tâm.
Giải mờ theo phương pháp trọng tâm.
Công thức tính giá trị đầu ra y như sau:
y=

∫ y.µB( y)dy
S

∫ µB( y)dy
S


2.4.Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ.
2.4.1.Yêu cầu cụ thể cho thiết kế.
*Hệ T-Đ với bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng Thysistor với :
- Nguồn xoay chiều 220/380 V.
- Tham số động cơ :
+ Công suất đm Pđm = 14(KW)
+ U đm = 220 (V)

+ Dòng điện định mức Idm = 73.5 (A).
+ Tốc độ định mức nđm = 1500 Vòng/phút.
Ω

+ Điện trở phần ứng Rư = 0.127 ( ).
+ Điện cảm phần ứng L = 11.4 (mH).
-

Tham số bộ chỉnh lưu :
+ Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu Tv = 0.0025 (s).
+ Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu Tđk
= 0.0001 (s).


-

Tham số các thiết bị phản hồi :
+ Hằng số thời gian máy biến dòng Ti = 0.002 (s).
+ Hằng số thời gian máy phát tốc T

ω

2.4.2.Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ.
a.Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
- Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện như sau :

-

Sơ đồ thu gọn :

Trong đó :
Ri là bộ điều chỉnh dòng điện.
Uiđ là tín hiệu đặt cho bộ điều chỉnh dòng điện.

= 0.001 (s).

Kcl
(1 + Tdk . p )(1 + Tv. p )
1/ Ru
1 + Tu. p

là hàm truyền bộ chỉnh lưu.

là hàm truyền của đối tượng ở đây là động cơ một chiều có hằng số thời

gian phần ứng Tư = Lư/Rư = 0.0114/0.127 = 0.09 (s).
Ki
1 + Ti. p

là hàm truyền của máy biến dòng .

*Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul :
Hàm chuẩn :

Fmc =

Soi =

1
1 + 2τ . p + 2τ 2 p 2

Kcl.Ki / Ru
(1 + Tdk . p )(1 + Tv. p )(1 + Tu. p )(1 + Ti. p)

Đặt Tsi = Ti + Tv + Tdk << Tư

Soi =

ta có :

Kcl.Ki / Ru
(1 + Tsi. p).(1 + Tu. p )

Hàm truyền bộ điều chỉnh :

Ri(p) =

Hay

Ri(p) =

=
Chọn

τ

= Tsi ta được :

1
Soi.( Fmc−1 − 1)
1
Soi.2τ . p.(1 + τp )
(1 + Tsi. p)(1 + Tu. p).Ru
2τ . p (1 + τ . p ).Kcl.Ki

Ri(p) =

Tu.Ru 
1 
1 +

2Tsi.Kcl.K i  Tu. p 

Ri(p) – Là khâu tỷ lệ - tích phân (PI).
b.Tổng hợp mạch vòng tốc độ.
- Việc tổng hợp mạch vòng tốc độ cũng tương tự như việc tổng hợp mạch vòng
dòng điện,ta cúng áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul và lấy hàm truyền của mạch
vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất,bỏ qua các bậc cao.

F=

1
1 + 2Tsi. p

Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ :

Trong đó

U ωd

là tín hiệu đặt cho bộ điều chỉnh tốc độ.

ω

R là bộ điều chỉnh tốc độ.

Tc =

Ru .J
( Kφ ) 2

Kω
1 + Tω p

là hằng số thời gian cơ học.

là hàm truyền của máy phát tốc.


Kω.Ru
(1 + 2Tsi. p ).(1 + Tω. p ).Ki.Kφ .Tc. p

=

Áp dụng tiêu chuẩn Tối ưu modul ta có :
ω

R (p) =

=

1
S ' oi.2τ . p.(1 + τ . p )
(1 + 2Tsi. p ).(1 + Tω. p ).Ki.Kφ .Tc. p
Kω.Ru.2τ . p.(1 + τ . p )

Do các hằng số thời gian Tsi và T

ω

nhỏ nên ta đặt

τ

= Ts

ω

ω

= 2Tsi + T .

Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là :
ω

R (p) =

Ki.Kφ .Tc
2 Kω.Ru.Tsω

=

K 'ω

Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ.
c.Sơ đồ cấu trúc của hệ khi có khâu bù mờ.

- Sau khi đã tổng hợp các mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ ta có được
sơ đồ cấu trúc của hệ với bộ điều khiển mờ được thiết kế ở trên như sau :


*Tính các thông số bộ điều chỉnh tốc độ .

ω

R (p) =

Ki.Kφ .Tc
2 Kω.Ru.Tsω

=

K 'ω

= 1500 (Vòng/phút) => = /9.55 = 157 (rad/s)
= / = 14000/157 = 89.17 (Nm)
Chọn = 10 V ta có
= 10/157 = 0.064

=

Mdm
Idm

= = 1.21

Chọn J = 1.

Tc =

Ru .J
( Kφ ) 2

= = 0.087 (s)


Ts

ω

= 2Tsi + T

ω

ω

= + + + T = 0.002 + 0.0025 +0.0001 + 0.001

= 0.0056 (s)
Ch ọn = 5 (V) ta c ó = /= 5/73.5 = 0.068
ω

Vậy ta có R (p) =

0.068 * 1.21 * 0.087
2 * 0.064 * 0.127 * 0.0056

= 78.63

*Tính các thông số bộ điều chỉnh dòng điện.
Ch ọn = 10 V, ta có = . => = / = 380/10 = 38

Ri(p) =

Tu.Ru 
1 
1 +

2Tsi.Kcl.K i  Tu. p 

=



0.09 * 0.127
1
1 +

2 * 0.0046 * 38 * 0.068  0.09 * p 

= 0.48*

= 0.48 +



1
1 +


 0.09 * p 

5.33
p

*Bộ chỉnh lưu cầu thysistor
Hàm truyền của bộ chỉnh lưu là :

Fcl(p) =

Kcl
(1 + Tdk . p )(1 + Tv. p )

*Các khâu phản hồi :

=

38
1 + 0.0026. p


Hàm truyền máy biến dòng .

Fi(p) =

0.068
1 + 0.002. p

Hàm truyền máy phát tốc .

ω

F (p) =

0.064
1 + 0.001. p

*Hàm truyền động cơ điện một chiều.

Fdc(p) =

1.67
1 + 0.09. p

*Sơ đồ thay tham số.

Từ sơ đồ này ta tiến hành mô phỏng hệ thống.