Đề tài 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 (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài 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 (Phần 1)

1. 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 ĐỒNG BỘ BA PHA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 605270 S K C 0 0 3 2 5 6 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2011
2. BỘBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠIĐẠI HỌC SƯ PHẠMPHẠM KỸ THUẬT THÀNHTHÀNH PHỐ HỒHỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH ĐỨC CHẤN ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI BẦY ĐÀN (PSO) ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐIỀUTHƠNG KHIỂN SỐ ROBOT BỘ PID ĐA TRONG HƯỚNG ĐIỀU BÁM KHIỂN THEO TỐC QUỸ ĐỘ ĐẠO ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NGÀNHNGÀNH: KỸ KỸTHUẬT THUẬT ĐIỆN 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
3. 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 ĐỒNG 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
4. 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 Hịa- Phú Yên Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị cơng tác trước khi học tập, nghiên cứu: Trợ Giảng tại Khoa Điện- Điện tử. Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hồ- 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 mơn 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 thơng số bộ điều khiển PID trong điều khiển tốc độ động cơ khơng 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
5. 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. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 2006- 2007 Cty ACT Khu chế xuất Q7, Kỹ sư Điện Tử TPHCM 2007- 2010 Cty Thermtrol VISP1, Bình Dương Kỹ sư đảm bảo chất lượng 2010- 2011 Trường Đại Học Lạc Hồng- Biên Trợ giảng Hịa- Đồng Nai. IV. CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 15 tháng 09 năm 2011 (Ký tên, đĩng dấu) Ngƣời khai ký tên Huỳnh Đức Chấn ii
6. LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng 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
7. Lời cảm ơn Để hồn thành đề tài này, tơi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cơ 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 quý giá cho tơi trong quá trình học cao học tại trường. Đặc biệt, tơi 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. Tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ cho tơi rất nhiều, đã tạo cho tơi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hồn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 09/2011 Thực hiện Huỳnh Đức Chấn iv
8. TĨM TẮT Đề tài trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thơng (Field Orientated Control - FOC) cho động cơ khơng đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn (Particle swarm optimazation- PSO). Trình bày chi tiết về phương pháp điều chỉnh thơng 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 hĩa và mơ phỏng cho điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha bằng phương pháp Ziegler Nichols và giải thuật bầy đàn. Kết quả mơ phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt. Từ Khĩa: Động cơ ba pha, Điều chỉnh tham số, Giải thuật bầy đàn, Ziegler Nichols Bộ điều khiển PID- PSO, Điều khiển định hướng từ thơng. 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
9. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tĩm 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 ngồi 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 khơng đồng bộ ba pha 11 vi
10. 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 thơng khơng 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 thơng FOC - Field Orientated Control 15 2.3.2.1. Các phương pháp điều khiển định hướng từ thơng rotor 15 2.3.2.2. Vector khơng 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 Chƣơng 3: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1. Giới thiệu về động cơ khơng đồng bộ ba pha 20 3.1.1. Giới thiệu 20 3.1.2. Mạch điện tương đương của động cơ khơng đồng bộ 20 3.1.3. Các quan hệ cơng suất trong động cơ khơng đồng bộ 21 3.2. Vector khơng gian và các đại lượng ba pha 22 3.2.1. Biểu diễn vector khơng 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 thơng rotor (d – q) 26 3.3 Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha 28 3.3.1. Thơng số của động cơ khơng 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
11. 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 THƠNG – FOC 4.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC 38 4.2. Xây dựng thuật tốn 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 hĩa cá thể 58 5.4.1.1. Mã hĩa nhị phân 58 5.4.1.2. Mã hĩa hốn vị 59 5.4.1.3. Mã hĩa 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
12. Chƣơng 6: KẾT QỦA MƠ PHỎNG 6.1 Thơng số của động cơ 68 6.2 Sơ đồ tổng quan các khối mơ phỏng trên Matlab 68 6.3 Kết quả mơ phỏng 69 6.3.1 Theo phương pháp cổ điển ZN 69 6.3.1.1 Động cơ khởi động khơng tải 69 6.3.1.2 Động cơ khởi động khơng tải, cĩ thay đổi tốc độ 70 6.3.1.3 Động cơ khởi động khơng tải, sau đĩ đĩng tải 71 6.3.1.4 Động cơ khởi động khơng tải, sau đĩ đổi chiều quay 72 6.3.2 Theo thuật tốn bầy đàn 73 6.3.2.1 Động cơ khởi động khơng tải 73 6.3.2.2 Động cơ khởi động khơng tải, cĩ thay đổi tốc độ 74 6.3.2.3 Động cơ khởi động khơng tải, sau đĩ đĩng tải 75 6.3.2.4 Động cơ khởi động khơng tải, sau đĩ 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 mơ phỏng 77 6.4.2.1 Động cơ khởi động khơng tải 77 6.4.2.2 Động cơ khởi động khơng tải, sau đĩ đổi chiều quay 79 6.4.2.3 Động cơ khởi động khơng tải, sau đĩ đĩng 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
13. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT 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 x
14. 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 cĩ bộ PID 9 Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ kín cĩ 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 khơng gian với các thành phần a, b, c - 16 Hình 2.12: Dịng điện stator is trong hệ abc,, và , 17 Hình 2.13:Vector khơng gian của dịng stator trong hệ trục , và dq, -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 khơng 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