Thạc Sĩ điều khiển pid tối ưu, bền vững cho động cơ dc không chổi quét

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: ĐIỀU KHIỂN PID TỐI ƯU, BỀN VỮNG CHO ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT
ĐỊnh dạng file word

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa 1

Trang bìa 2
Đánh giá của hội đồng nhà trường . i
Nhiệm vụ luận van ii(.
Lời cam đoan iii
Lời cảm on . iv+
Tóm tắt luận văn v
Mục lục . vi
Các danh mục viết tat vii('
Danh mục bang viỉi
Danh mục biểu đồ, đồ thị ix
Nội dung luận van .x(
Tài liệu tham khao . xỉ
Phụ luc: .xịi
Chương 1: Giới thiệu
11 Đặt vấn đề: . 1
12 Mục đích đề tài: .2
13 Yêu cau 3^`
Chương 2: Tổng quan
21 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi quét BLDC
(Brushless DC Motor): 4
22. Sơ lược về các phương pháp điều khiển động cơ
một chiều không chổi than: 11
23 Một số đặc điểm về điện của ĐCMCKCQ: .11
2. 31.Thự tự chuyển mạch: . 11
2. 3. 2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCQ: . 17
23.3 Sức phản điện động: 18
23.4 Kết luận: 18
Chương 3: Xây dựng thuật toán di truyền để tìm các thong số bộ điều khiển
31 Giới thiệu: .20
32 Sự tương quan giữa quá trình tiến hoá của sinh vật
và thuật toán di truyền: .22
33 Các phép toán của thuật toán di truyền: .23
33.1 Tái sinh (Reproduction): 23
33.2 Lai ghép (Crossover): .25
33.3 Đột biến (Mutation): 26
34 Một số nguyên tắc cơ bản trong việc ứng dụng thuật toán di truyền
giải quyết bài toán tối ưu: 27
34.1 Mã hoá và giải mã nhiễm sắc thể: . 27
34.1.1. Mã hoá nhị phân: . 27
34.1.2 Mã hoá thập phân: . 28
34.1.3 Ưu điểm của phương pháp mã hoá thập phân so với phương
pháp mã hoá nhị phân: . 29
34.2 Hàm thích nghi (Fitness): .30
35 Cấu trúc của thuật toán di truyền tổng quát: .30
36 Sự khác nhau giữa thuật toán di truyền và
thuật toán tìm kiếm truyền thống : .31
Chương 4: Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu

H2H/
41 Giới thiệu: .33
42 Điều khiển tối ưu H: 34
42.1 Bài toán cực đại hoá độ dự trữ ổn định: 34
42.2. Mô tả bài toán : .35
43 Cơ sở thiết kế: .35
44 Phương pháp thiết kế: .39
44.1 Biểu diễn nhiễm sắc thể: . 39
44.2 Hàm thích nghi và hàm đánh giá: .39
44.3 Các bước thực hiện: 40
44.4 Giải thuật chương trình: 41
45 Điều khiển tối ưu bền vững động cơ DC không chổi quét: 45
46.Thiệt kế bộ điều khien 47^?
Chương 5: kết luận và hướng phát tiển đề tài
51 Kết luận : 51
52 Hướng phát triển đề tài: 52
Tài liệu tham khảo : 53
Lý lịch khoa học



TÓM TẮT
Đề tài: “Điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ không chổi quet”' được
thực hiện tại Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian
từ 92011/ đến 32012/ được sự hướng dẫn của thầy TS Võ Hoàng Duy. Kết quả đạt
được những nội dung chính như sau:
Kết quả của tìm hiểu về động cơ BLDC, từ đó giới thiệu một phương pháp
thiết kế bộ PID để điều khiển nó thoả mãn điều kiện ổn định bền vững H, đồng
thời cực tiểu được phiếm hàm H2.
Xây dựng mô hình toán của đối tượng và xác định sai lệch của mô hình hoặc
những thông tin về nhiẹuThiét^~ kế bộ điều khiển PID đồng thời Căn cứ vào hàm
truyền thực hiện tính toán số liệu để khảo sát và mô phỏng trên thực nghiệm. Từ đó
xây dựng thuật toán di truyền để tìm các thông số bộ điều khiển và ứng dụng thuật
toán di truyền thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu H2H/ Trong đó cụ thể:
Cơ sở lý thuyết về điều khiển tối ưu và bền vững, phần này tôi thực hiện đã
trình bày chi tiết và đầy đủ về các khái niệm, cơ sở toán học, cũng như những đề
xuất để dẫn đến việc giải quyết các bài toán về điều khiển tối ưu H của lý thuyết
điều khiển bền vững. Đây cũng là một trong những phần khá quan trọng về điều
khiển tối ưu và bền vững, bởi xuất phát từ những khái niệm này mà có rất nhiều
phương pháp thiết kế được đưa ra. Tôi đã nghiên cứu khá đầy đủ về cơ chế thực
hiện của thuật toán di truyền, rút ra được một số ưu điểm của thuật toán di truyền.
Thiết kế bộ điều khiển PID và một số phương pháp xác định các thông số
của nó. Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu H2H/.
Trong phần này tôi đã sử dụng công cụ tìm kiếm của thuật toán di truyền để xác
định các thông số của bộ điều khiển PID dựa trên tiêu chuẩn chất lượng cực tiểu
phiếm hàm H2 và đồng thời thoả mãn điều kiện ổn định bền vững H. Thuật toán
thiết kế đã được xây dựng thành công bằng chương trình chạy trên phần mềm
Matlab.
Kết quả đạt được trên các sơ đồ mạch, các thông số đo được và hoạt động
điều khiển thực tế trên mô hình thấy rằng việc xác định các thông số của bộ điều
khiển PID kết hợp với điều khiển tối ưu H2H/ được giải quyết một cách đơn giản,
trong khi không thể thực hiện được bằng những kỹ thuật truyền thống khác. Có thể
nói đây là một thành công của đề tài, trong việc kết hợp giữa điều khiển PID kinh
điển và điều khiển tối ưu bền vững.

ABSTRACT

The topic ““PID Optimal and Stable Controller for brushless DC motor is scanned ””

is performed in Ho Chi Minh City University of Technology, with the advice of Dr. Võ

Hoàng Duy from September 2011 to March 2012. The thesis focuses on the following

contents:

From understanding of the BLDC engine, a new design for PID unit is
designed to control its operation in accordance with stabilized conditions H, and
minimized function key H2.

The study is aimed at building a mathematical model for the engine capacity
and identifying deviation of the model or information about arising disturbances.
Such a PID design is based on a transmission function in calculations of the data
collected from observations and in experimental simulation. This results in genetic
algorithm for determining parameters on control unit and generating the PID
optimal control design H2H/ It is specified as follows:

On the theoretical foundation on optimal and stable control, it is necessary to
present related concepts, mathematical bases, proposing solutions to the
mathematical problem of optimal control H of the stable control literature. It is
also a major point on the optimal and stable control, because from those concepts
there would be various resulting design methods. In this sense, through a thorough
investigation of practical mechanism of the genetic algorithm several prominent
advantages are withdrawn.

PID control design and approaches to its parameters have very close
relationship. As a matter of fact, the genetic algorithm is applied to design PID
optimal control unit H2H/ In this part the search engine of the genetic algorithm is
used to determine the relevant parameters of PID control based on the stanđars on
minimized key function H2 in meeting the stable and solid condition H The
algorithm for designing is purposefully formulated by the program run on Matlab.

The results gained on the circuit chart, parameters measured and practical
control operations on the simulation show that the determination of the PID control
parameters on the face of optimal control function H2H/ is solved in a simple
manner; on the other hand, it is impossible to do this by means of the traditional
techniques. Thus the study provides a key to the combination of PID control classic
and optimal solid control.



CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU



11 Đặt vấn đề
Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công
nghiệp do việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ.
Trong đó Việt Nam chúng ta đang thực hiện theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại
hoá đất nước với sự thay đổi của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công
nghệ về tự động hoá cũng có những bước phát triển vượt bậc và trở thành ngành
mũi nhọn của thế giới nói chung và nền công nghiệp Việt Nam nói riêng. Các hệ
thống điều khiển có tính tự động hoá sử dụng động cơ điện thường được thiết kế với
những phần tử tương tự tương đối cồng kền rẻ tiền. Những điểm yếu của các hệ
thống tương tự là chúng nhạy cảm với sự thay đổi điều kiện thời gian, thời tiết,
nhiệt độ cũng như tuổi thọ của các thành phần trong điều khiển. Hơn nữa các hệ
thống điều khiển truyền thống này khó mở rộng tính năng và khó nâng cấp khi sử
dụng. Các cấu trúc và thành phần điều khiển kỹ thuật số khắc phục được tất cả
những nhược điểm của các cấu trúc truyền động tương tự và bằng cách sử dụng các
bộ xử lý có thể lập trình được việc nâng cấp trở nên rất dễ dàng do được thực hiện
bằng những phần mềm. Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép chúng ta thực
hiện được những bài toán điều khiển số yêu cầu độ phân giải cao, tốc độ và khối
lượng tính toán lớn chẳng hạn như các bài toán điều khiển thời gian thực. Đồng
thời, còn cho phép tối thiểu hoá các thời gian trễ trong mạch vòng kín trong điều
khiển.
Những điều khiển hiệu suất cao này còn cho phép giảm được dao động
momen, giảm đáng kể tổn thất công suất như tổn thất công suất do các điều hoà bậc
cao gây ra trong rotor. Các dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hoá các phần tử công
suất và các bộ lọc đầu vào, trong đó điều khiển tối ưu bền vững luôn được thực hiện
một cách hoàn mỹ. Những tiến bộ gần đây trong ngành vật liệu từ, ngành điện tử
công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện
đại đã ảnh hưởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động
cơ một chiều không chổi quét (ĐCMCKCQ) kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu
cầu về sản xuất hàng hoá, thiết bị, các bộ xử lý của thị trường cạnh tranh khắp thế
giới.
Động cơ một chiều không chổi quét là loại động cơ có rất nhiều ưu điểm nên
gần đây đã được chú ý nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi nhất là trong các hệ
thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt:
như môi trường chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ, . Do
không có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp, chổi than nên động cơ này
khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. Lịch
sử phát triển của điều khiển tự động cho thấy rằng những thành tựu của các giai
đoạn trước được kế thừa và phát triển mạnh mẽ trong các giai đoạn sau, chẳng hạn
như việc thiết kế hệ thống trong miền tần số mà điển hình là tiêu chuẩn ổn định
Nyquist ra đời trong giai đoạn điều khiển kinh điển chính là nền tảng của lý thuyết
điều khiển bền vững ngày nay. Ngoài ra còn có sự kết hợp giữa các phương pháp
với nhau, thực tế cho thấy rằng mỗi phương pháp điều khiển đều có những ưu và
khuyết điểm khác nhau, vì vậy sự kết hợp giữa các phương pháp điều khiển sẽ làm
cho chất lượng của hệ thống ngày càng hoàn thiện hơn. Vấn đề là chúng ta phải biết
được những ưu và khuyết điểm của từng phương pháp để có thể thực hiện được sự
kết hợp này, đồng thời làm cho hệ thống được hoàn thiện hơn. Trong đó bộ điều
khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay. Bộ
điều khiển PID ra đời cách đây đã khá lâu nhưng không vì thế mà không còn được
nghiên cứu và phát triển. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng với những nhu
cầu thực tế của xã hội đòi hỏi cần phải có được những bộ điều khiển PID(
proportional integral derivative) tối ưu hơn và bền vững honTù+. những vấn đề thiết
thực trên cho nên tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “Điều khiển PID tối ưu bền vững
cho động cơ một chiều không chổi quét ”.
12 Mục đích đề tài
Tìm hiểu các nguyên tắc điều khiển của động cơ một chiều (DC) không
chổi quét, xây dựng các phương trình điều khiển tối ưu, bền vững. Nghiên cứu giải
thuật di truyền để tìm các thông số của bộ điều khiển PID, mô phỏng và thiết kế bộ
điều khiển PID. Nghiên cứu điều khiển PID tối ưu bền vững cho động cơ một chiều
không chổi quét nhằm đạt được hiệu suất cao và giảm được tổn thất công suất,
không cần bảo dưỡng và làm tăng nhu cầu sử dụng động cơ này trong những ứng
dụng rô bốt và servo công suất lớn. Làm cơ sở phát minh ra các thiết bị công suất
hiện đại và ứng dụng của động cơ này trong các truyền động có yêu cầu điều chỉnh
tốc độ.
13 Yêu cầu
Tìm hiểu và ứng dụng mô hình toán để xây dựng thuật toán di truyền để tìm các
thông số bộ điều khiển và ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế bộ điều khiển PID
tối ưu H2H/



CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN



21 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi quét BLDC (Brushless DC

Motor) [20]
Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính
của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là
trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi quét, những thứ dễ bị mòn và yêu
cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên.
Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo
dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi quét bởi các chuyển mạch
sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển
mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ
kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi
quét BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi quét nên động cơ
này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp
thông thường.



TÀI LIỆU THAM KHẢO



[1]. KASTRỌM, THAGGLUND., PID Controller: Theory, Design, and Tuning,
2ND Edition.

[2]. TBLICKLẸ, LTHIELẸ, (1995) A Comparison of Selection Schemes used in

Genetic Algorithms.
[3]. NGUYỄN ĐÌNH THÚC, ĐÀO TRỌNG VĂN, TRẦN TỐ HƯƠNG, HOÀNG
ĐỨC HẢI, (2001) Lập Trình Tiến Hoá, Nhà xuất bản giáo dục.
[4]. HOÀNG KIẾM, LÊ HOÀNG THÁI, (2001) Thuật Giải Di Truyền Cách Giải
Tự Nhiên Các Bài Toán Trên Máy Tính, Nhà xuất bản giáo dục.
[5]. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC, (2002) Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính, Nhà
xuất bản khoa học kỹ thuật.

[6]. R. SMITH, A. PACKARD, (1997) Notes on Robust Control.

[7]. DOYLE JC , FRANCIS BẠ., TANNENBAUM AR , (1992) Feedback

Control Theory, New York, Macmillan Publishing.

[8]. JM MACIEJOWSKI, (1989) Multivariable Feedback Design, Ađison-

Wesley Publishing Company.

[9]. NEWTON GC , GOULD LẠ, KAISER JF , (1957), Analytic Design of

Linear Feedback Controls, New York, John Wiley & Sons.
[10]. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC, (1999) Điều Khiển Tối Ưu & Bền Vững, Nhà
xuất bản khoa học kỹ thuật.

[11]. SNAIZER M., (1994), An Exact Solution to General SISO Mixed H2H/

Problems via Convex Optimization, IEEE Trans. On Automatic Control, 39, 2511-

2517.

[12]. DS BERNSTEIN, WM HADAD, (1989), LQG Control with an H

Performance Bound: A Riccati Equation Approach, IEEE Trans. Autom. Control,

34, 293-305.
[13]. PP KHARGONEKAR, MẠ. ROTEA, Mixed H2H/ Control: A Convex

Optimization Approach, IEEE Trans. Autom. Control, 36, 824-837.

[14]. HẸ. MUSCH, M. STEINER, Tuning Advanced PID Controllers Via Direct

H - Norm Minimization.

[15]. CHEN B-S , CHENG Y-M , LEE C-H , (1995), A Genetic Approach to

Mixed H2H/ Optimal PID Control, IEEE Control System, 15, 51-60.

[16]. M. CANALE, G. FIORIO, S. MALAN, M. MILANESE, M. TARAGNA,

Robust Tuning of PID Controllers Via Uncertainty Model Identification.

[17]. S. SOLYOM, A. INGIMUNDARSON, A Synthesis Method for Robust PID

Controllers for a Class of Uncertainties.
[18]. H. KWAKERNAAK, (2000) H2 – Optimization – Theory and Applications to
Robust Control Design, IFAC Symposium on Robust Control Design 2000.

[19]. Microchip Technology Inc2003() Brushless DC (BLDC) Motor

Fundamentals

[20]. Gwo-Ruey Yu and Rey-Chue Hwang Electrical Engineering Department I-

Shou University Kaohsiung County, Taiwan gwoyu@isuedụtw.