Ứng dụng giải thuật bầy đàn để xác định thông số bộ pid trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha - Huỳnh Đức Chấn

Nội dung text: Ứng dụng giải thuật bầy đàn để xác định thông số bộ pid trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha - Huỳnh Đức Chấn

1. ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT BẦY ĐÀN ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ PID TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Optimal Gain Tuning of PI Controller For Induction Motor Using Particle Swarm Optimization 1Huỳnh Đức Chấn Trường ĐH Lạc Hồng Đồng Nai e-Mail: Huynhducchan@yahoo.com 2Nguyễn Minh Tâm Trường ĐHSPKT TPHCM e-Mail: tamnguyenspkt@gmail.com Tóm tắt ngang trục của từ thông Bài báo trình bày về phương pháp điều khiển định rotor hướng từ thông (Field Orientated Control - FOC) cho K độ lợi giới hạn động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn gh (Particle swarm optimization- PSO) để xác định thông vị trí tốt nhất của cá thể P số bộ điều khiển PID. Phương pháp FOC và giải thuật besti thứ i xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp cổ điển Ziegler - Nichols và bằng giải thuật tối Tgh chu kỳ giới hạn ưu bầy đàn PSO được trình bày chi tiết trong bài báo usd, usq V điện áp dọc trục và ngang này. Để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật, bài báo trục của từ thông rotor này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink để mô phỏng điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba V điện áp dọc trục và ngang uuss , pha bằng phương pháp Ziegler - Nichols và giải thuật trục của stator bầy đàn. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển vk 1 vận tốc cá thể thứ i tại thế PID với thông số được xác định bằng giải thuật PSO i hệ k+1 hoạt động tốt. k 1 vị trí cá thể thứ i tại thế hệ xi Abstract: k+1 This paper presents field oriented control (FOC) of s, r rad/s vận tốc góc stator vận tốc induction motor (IM) and Particle swarm góc rotor optimazation algorithm. It presents in details about tuning of PID controller using Ziegler –Nichols (ZN) rd Vs thành phần dọc của từ and Particle swarm optimazation (PSO) methods. thông rotor Constructing the control model and checking the correctness of model are also included in this paper. This paper uses the programe language MATLAB Chữ viết tắt SIMULINK for tuning of PID controller of induction FOC Field Oriented Control motor using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO). The simmulation results PID Proportional-integral-derivative show that the proposed method has good PSO Particle Swarm Optimazation performance. ZN Ziegler - Nichols Ký hiệu 1. Phần mở đầu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Hiện nay phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC) được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao vị trí tốt nhất của cá thể trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment G besti trong quần thể có thể được điều khiển độc lập. FOC là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và i , i A dòng điện dọc trục và sd sq góc pha và đặc trưng là các vector. Điều khiển này cơ
2. bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên 2 2.1. Hệ tọa độ cố định stator ()  hệ trục d – q đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu Bằng cách chiếu vector không gian lên hai truc tọa độ này nhằm mục đích để hướng việc khảo sát động cơ ( -β) [1]. Ta có thành phần vector điện áp trong hệ không đồng bộ thành việc khảo sát của động cơ một trục tọa độ ( -β): chiều. Tuy nhiên do hệ động lực của động cơ xoay u u chiều có nhiều tham số bất định nên việc điều khiển s sa động cơ theo các phương pháp cổ truyền có cảm biến 1 1 (3) hay không có cảm biến đều không đảm bảo chất us usa 2usb usb usc lượng khi có tải thay đổi lớn. Trong trường hợp này 3 3 các phương pháp điều khiển thích nghi [7], phương pháp điều khiển PID kết hợp với mạng nơron, thuật toán di truyền (PID- GA) hoặc thuật toán bầy đàn (PID-PSO: Particle swarm optimization) [4], [5], [8] là phương pháp điều khiển tối ưu. 2. Nội dung chính 2.1. Nội dung phương pháp FOC Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông H. 2 Hệ tọa độ stator (α - β) rotor trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 2.2.2. Hệ tọa độ từ thông rotor ()dq được trình bày như hình 1. [1], [2] Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (α – β) ta xét thêm một tọa độ thứ hai có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc  s so với hệ tọa độ stator. [1] H. 1 Cấu trúc cơ bản của FOC H. 3 Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ Từ hình trên ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa hai không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông tọa độ như sau: [2] rotor (d – q), vector dòng stator is sẽ chia thành us usd cos s usq sin s (4) hai thành phần và , thành phần điều isd isq isd us usd sin s usq cos s Tương tự, ta có: khiển từ thông rotor còn thành phần isq điều khiển moment quay. [1], [3] usd us cos s us sin s (5) u u sin u cos Trên hệ tọa độ d q dòng isd được coi là đại sq s s s s lượng điều khiển cho từ thông rotor, tuy nhiên giữa hai đại lượng tồn tại khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr . [1] Lm  rd .isd (1) 1 sTr Từ các giá trị đo được , isq và  ta tính được góc  . isq r ' Tr. rd    (2) sr H. 4 Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) s  Trong hệ tọa độ từ thông rotor, thành phần từ thông s rotor trên trục (q) có giá trị là 0 do vuông góc với từ 2.2. Vector không gian và các đại lương ba pha thông rotor trùng với trục (d), do đó từ thông rotor chỉ
3. K+1 còn thành phần theo trục (d) và là đại lượng một tại thế hệ thứ k; Vi : Vận tốc cá thể thứ i tại thế hệ Pbest Gbest chiều. [1] thứ k +1; Vi : Vận tốc theo Pbest; Vi : Vận tốc 2.3. Điều chỉnh bộ điều khiển PID theo phương theo Gbest; Pbesti: Vị trí tốt nhất của cá thể thứ i; Gbesti: pháp Ziegler Nichols Vị trí tốt nhất của cá thể trong quần thể. Phương pháp thực nghiệm Ziegler - Nichols để xác 2.5. Điều chỉnh PID theo phương pháp bầy đàn định tham số bộ điều khiển PID như sau: [4] Một bộ điều khiển PID sử dụng giải thuật PSO để hiệu chỉnh tham số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha như hình 7. [5] Hàm mục tiêu H. 5 Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại sau đó tăng K cho đến khi hệ KP nằm ở biên giới ổn định. Lúc này ta có Kgh và Tgh. PSO KI Tham số cho bộ điều khiển PID chọn như sau: KD PI: KP= 0.45*Kgh, TI= Tgh/1.2 Tốc độ PID: KP= 0.6*Kgh, TI= Tgh/2, TD= Tgh/8 ĐCKĐB Tốc độ . PID Với KKT / và KKT * đặt IPI IPD - 3 Pha ngõ ra 2.4. Tổng quan về giải thuật bầy đàn (PSO) PSO là một kỹ thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên dựa trên Bộ điều khiển PID một quần thể và sau đó tìm nghiệm tối ưu bằng cách cập nhật các thế hệ, được phát triển bỡi Dr.Eberhart H. 7 Cấu trúc Bộ điều khiển PID-PSO và Dr.Kennedy (1995) phỏng theo hành vi của các Trong giải thuật PSO thì mỗi phần tử sẽ chứa 2 tham bầy chim hay các đàn cá trong quá trình tìm kiếm số Kp, Ki, điều đó có nghĩa là không gian tìm kiếm là thức ăn. [4], [5]. hai tham số trên, từ đó ta sẽ có lưu đồ giải thuật của Mỗi cá thể trong quần thể cập nhật vị trí của nó hệ thống điều khiển PID-PSO như sau: theo vị trí tốt nhất của nó và của cá thể trong quần Step 1: Khởi tạo cho mỗi cá thể thứ i trong quần thể: thể tính tới thời điểm hiện tại [4]. Quá trình cập Step 1.1: Khởi tạo giá trị vị trí (X[i]) cho từng cá thể nhật các particles dựa trên công thức sau: trong quần thể với giá trị vị trí ngẫu nhiên. (kk 1) ( ) Step 1.2: Khởi tạo giá trị vận tốc V[i]. vi, m w. v i , m c 1 * rand ()*( Pbest i , m Step 2: Chạy mô hình x()()kk) c * Rand ()*( Gbest x ) (7) Step 2.1: Chạy mô hình điều khiển tốc độ động cơ i, m 2 m i , m không đồng bộ ba pha với những tham số đã thiết lập (k 1) ( k ) ( k 1) trước. xi,,, m x i m v i m Step 2.2: Tìm tham số KP và KI của bộ điều khiển PI. Với i=1,2, ,n ; m=1,2, ,d. Step 2.3: Tìm hàm mục tiêu. Trong đó: Step 2.4: Đánh giá hàm vị trí X[i] theo giá trị hàm n: Số phần tử trong nhóm; d: Kích thước quần thể (k) mục tiêu (fitness[i]). (dimension); k: Số lần lặp lại; vi,m : Vận tốc của cá Step 3: Cập nhật lại giá trị vị trí và vận tốc cho từng thể thứ i tại thế hệ thứ k; w: Hệ số trọng lượng quán cá thể: tính; c1,c2: Hệ số gia tốc; Rand (): Là một số ngẫu (k) Step 3.1: Cập nhật giá trị vận tốc V[i] và vị trí X[i] nhiên trong khoảng (0,1); xi,m : Vị trí cá thể thứ i tại theo công thức (7). thế hệ thứ k. Step 3.2: Đánh giá hàm mục tiêu (fitness[i]) Khái niệm về sự thay đổi những điểm tìm kiếm của Step 3.3: Nếu fitness[i] < Pbest_fitness[i] thì giải thuật PSO được biễu diễn ở hình 6. Pbest[i] =X[i], Pbest_fitness[i] = fitness[i]. k+1 Step 3.4: Cập nhật giá trị Gbest cho từng cá thể tương Xi ứng với vị trí nhỏ nhất hiện tại của hàm mục tiêu trong quần thể. k+1 Step 4: Tìm giá trị phần tử mới k Vi Vi Nếu giá trị của phần tử mới tốt hơn giá trị tốt nhất của phần tử trước đó trong bầy đàn, thì thay thế giá trị tốt Gbest Gbesti Vi nhất trước đó bằng giá trị mới hiện tại. Step 5: Lặp lại bước 2 cho đến khi đã đủ số lần lặp k lại. Xi Pbesti V Pbest Mục tiêu của phương pháp hiệu chỉnh PID dùng giải i thuật PSO là: [5] Cực tiểu hoá hàm mục tiêu. H. 6 Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO Tìm được bước đáp ứng của hệ thống và làm giảm Trong đó: K K+1 sai số. Xi : Vị trí cá thể thứ i tại thế hệ thứ k; Xi : Vị trí cá K thể thứ i tại thế hệ thứ k +1; Vi : Vận tốc cá thể thứ i
4. Lập lại các bước thực hiện cho đến khi đủ số bước 2.6. 5. Đồ thị hàm KP và KI trong quá trình tối ưu: lặp lại. 2.6. Kết quả mô phỏng 2.6.1. Thông số của động cơ khi chạy bằng Matlab/Simulink Các thông số mô phỏng được cho như sau: Rs = 1,723 (Ohm): Điện trở stator. R = 2,001 (Ohm): Điện trở rotor. r trị Giá Ls = 0,1666 (H): Điện cảm stator. Lr = 0,169 (H): Điện cảm rotor. Lm = 0,1592 (H): Điện cảm hỗ cảm. p = 2: Số đôi cực. J = 0,001 (Kg.m2): Moment quán tính. wref = 200 (rad/s): Tốc độ đặt. U = 220 (V): Điện áp định mức. 1dm I1dm= 2,73 (A): Dòng điện định mức. Số lượng bầy đàn (n=80) I = 7 (A): Dòng điện lớn nhất. max H. 10 Đồ thị hàm K và K M = 14,8 (Nm): Moment lớn nhất. P I max 2.6.6. Hình ảnh mô phỏng P = 5HP: Công suất của động cơ. 2.6.6.1. Động cơ khởi động không tải U = 400 (V): Điện áp DC giới hạn. dc Đáp ứng của động cơ: f = 50 (Hz): Tần số. + Tốc độ đặt 200 (rad/s), thời gian mô phỏng từ 0 đến n=80: Số lượng bầy đàn. bird_setp =7: Số bước lặp. 1s. ( t 0 1 s : w _ ref 200( rad / s ) ) + Từ thông đặt là 0.5 (wb), thời gian mô phỏng từ 0 dim = 2: Không gian tìm kiếm là 2 phần tử KP và KI. 2.6.2. Sơ đồ mô phỏng trên Matlab đến 1s. ( t 0 1s : Fi _ ref 0.5). + Moment tải đặt là 0 (Nm), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( t 0 1: Mc 0 ). w wref Speed Speed (rad/s) H. 8 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab 2.6.3. Tham số bộ điểu khiển PID và đáp ứng của tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha: Time (Sec) Phương pháp KP KI PID- ZN 0.187 1.484 H. 11 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo PID- PSO 8.848 0.417 phương pháp ZN B.1 Tham số bộ điều khiển PID. Phương pháp Độ vọt Thời gian Sai số lố (%) xác lập (s) (%) PID- ZN 10.42 0.42 0.14 wref w PID- PSO 0.68 0.02 0.05 ) B.2 Đáp ứng tốc độ của động cơ. 2.6. 4. Đồ thị hàm mục tiêu trong quá trình tối ưu: Speed Speed (rad/s Giá trị Giá Time (Sec) H. 12 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo phương pháp PSO Số lượng bầy đàn (n=80) 2.6.6.2. Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải H. 9 Đồ thị hàm mục tiêu
5. Đáp ứng của động cơ: + Tốc độ đặt 200 (rad/s), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( t 0 1 s : w _ ref 200( rad / s )) w wref + Từ thông đặt là 0.5 (wb), thời gian mô phỏng từ 0 đến 1s. ( t 0 1s : Fi _ ref 0.5). + Tại thời điểm từ 0 đến 0.5s thì moment tải đặt là 0 (Nm), sau đó đóng tải với moment tải là 5 (Nm) ở Speed (rad/s) thời điểm 0.5 đến 1s. ( t 0 0.5 s : Mc 0 ; t 0.5 1 s : Mc 5( Nm ) ). Time (Sec) H. 15 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo w w ref phương pháp ZN Speed Speed (rad/s) wref w Mc Mcref Torque (Nm) Torque Speed (rad/s) Time (Sec) H. 13 Dạng sóng đáp ứng tốc độ và moment của động cơ theo phương pháp ZN Time (Sec) H. 16 Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo wref w phương pháp PSO. Speed Speed (rad/s) 3. Kết luận Bài báo này đã sử dụng phương pháp điều khiển định M c Mcref hướng từ thông rotor (FOC), phương pháp hiệu chỉnh PID cổ điển (ZN) và giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) cho điều khiển tốc độ động cơ Torque (Nm) Torque không đồng bộ ba pha. Thông qua kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulimk cho thấy điều khiển PID với Time (Sec) những tham số được xác định bằng giải thuật bầy đàn H. 14 Dạng sóng đáp ứng tốc độ và moment của động cơ thì hoạt động tốt hơn phương pháp cổ điển như: theo phương pháp PSO` Thời gian đáp ứng tốc độ và thời gian xác lập 2.6.6.3. Động cơ khởi động không tải, sau đó đảo nhanh khoảng 0.02s, độ vọt lố nhỏ 0.68%. Vì thế chiều quay trong quá trình mở máy thời gian mở máy nhanh. Đáp ứng của động cơ: Trong quá trình hoạt động của động cơ, ở những + Tại thời điểm từ 0 đến 0.5s thì tốc độ đặt là 200 thời điểm thay đổi tải, độ vọt lố cũng như độ sụt (rad/s), sau đó đảo chiều quay với tốc độ đặt là -100 dốc ở các đại lượng là không đáng kể. (rad/s) ở thời điểm 0.5 đến 1s . Động cơ có thể hoạt động ở nhiều dãi tốc độ khác ( ; t 0 0.5 s : w _ ref 200( rad / s ) nhau. t 0.5 1 s : w _ ref 100( rad / s ) ). Điều khiển chính xác tốc độ động cơ với sai số + Từ thông đặt là 0.5 (wb), thời gian mô phỏng từ 0 nhỏ 0.11 (0.05%). đến 1s. ( ). + Moment tải đặt là 0 (Nm), thời gian mô phỏng từ 0 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông đến 1s. ( t 0 1: Mc 0 ). Minh, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2006. [2] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. [3] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. [4] Ayman Saber Elwer, A Novel Technique for Tuning PI-Controllers in InductionMotor Drive
6. Systems for Electric Vehicle Applications, Journal of Power Electronics, Vol. 6, No. 4 2006. [5] Boumediene Allaoua Brahim GASBAOUI and Brahim MEBARKI, Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy Bechar University, Departement of Electrical Engineering, B.P 417 BECHAR (08000) Algeria pp. 19-32. [6] Chao Ou, Weixing Lin, Comparison between PSO and GA for Parameters Optimization of PID Controller, The Faculty of Information Science and Technology University of NingBo University of NingBo, pp. 2471-2475. [7] Jingchuan Li, M.S.E.E, Adaptive sliding mode observer and loss minimization for sensorless field orientation control of induction machine, The Ohio State University, 2005. [8] N. Pillay, A Particle swarm optimization approach for tuning of SISO PID control loops 2008.
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.