Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011
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
1
Huỳnh Đức Chấn
Trường ĐH Lạc Hồng Đồng Nai
e-Mail:
2
Lê Thị Thanh Hoàng
Trường ĐH SPKT TPHCM
e-Mail:
3
Nguyễn Minh Tâm
Trường ĐH SPKT TPHCM
e-Mail:

Tóm tắt
Bài báo 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 optimization- PSO) để xác định thông
số bộ điều khiển PID. Phương pháp FOC và giải thuật
xác định thông số bộ điều khiển PID bằng phương
pháp cổ điển Ziegler - Nichols và bằng giải thuật tối
ưu bầy đàn PSO được trình bày chi tiết trong bài báo
này. Để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật, bài báo
này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink để

vị trí tốt nhất của cá thể
trong quần thể
i
sd
, i
sq

A
dòng điện dọc trục và
ngang trục của từ thông
rotor
K
ghđộ lợi giới hạn
i
best
Pvị trí tốt nhất của cá thể
thứ i
u
sd
, u
sq

V
điện áp dọc trục và ngang

r

rad/s
vận tốc góc stator vận tốc
góc rotor

rd

Vs
thành phần dọc của từ
thông rotor

Chữ viết tắt
FOC
Field Oriented Control
PID
Proportional-integral-derivative
PSO
Particle Swarm Optimazation
ZN
Ziegler – Nichols

332
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011
1. Phần mở đầu
Hiện nay phương pháp điều khiển định hướng từ
thông (FOC) được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao
trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment


sẽ chia thành
hai thành phần
sd
i
và
sq
i
, thành phần
sd
i
điều
khiển từ thông rotor còn thành phần
sq
i
điều khiển
moment quay. [1], [3]
 Trên hệ tọa độ
 
qd 
dòng
sd
i
được coi là đại
lượng điều khiển cho từ thông rotor, tuy nhiên
giữa hai đại lượng tồn tại khâu trễ bậc nhất với
hằng số thời gian
r
T
. [1]

r rd
sr
s
i
T
s


  














(2)
2.2. Vector không gian và các đại lương ba pha
2 2.1. Hệ tọa độ cố định stator
()




2.2.2. Hệ tọa độ từ thông rotor
()dq

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. 3 Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q)
Từ hình trên ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa hai
tọa độ như sau: [2]








ssqssds
ssqssds
uuu
uuu




cossin

thông rotor trùng với trục (d), do đó từ thông rotor chỉ
còn thành phần theo trục (d) và là đại lượng một
chiều. [1]
2.3. Điều chỉnh bộ điều khiển PID theo phương
pháp Ziegler Nichols
Phương pháp thực nghiệm Ziegler - Nichols để xác
định tham số bộ điều khiển PID như sau: [4]

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
nằm ở biên giới ổn định. Lúc này ta có K
gh
và T
gh
.
Tham số cho bộ điều khiển PID chọn như sau:
PI: K
P
= 0.45*K
gh
, T
I
= T
gh
/1.2
PID: K
P
= 0.6*K
gh


( 1) ( ) ( ) ( )
, , 1 , , 2 ,
. * ()*( ) * ()*( )
t t t t
i m i m i m i m m i m
v wv c rand Pbest x c Rand Gbest x

    
(6)

( 1) ( ) ( 1)
, , ,
; 1,2, , ; 1,2,
t t t
i m i m i m
x x v i n m d

   
(7)
Trong đó:
n: Số lượng bầy đàn; d: Kích thước quần thể
(dimension); t: Số lần lặp lại; v
i,m
(t)
: Vận tốc của phần
tử thứ i ở lần lặp lại thứ t; w: Hệ số trọng lượng quán
tính; c
1
,c

: Vận tốc cá thể ở thời điểm
hiện tại; V
k+1
: Vận tốc cá thể đã được cập nhật; V
Pbest
:
Vận tốc theo P
best
; V
Gbest
: Vận tốc theo G
best
2.5. Điều chỉnh PID theo phương pháp bầy đàn
Hàm mục tiêu: Là hàm dùng để đánh giá các lời giải
của bài toán, tùy vào từng bài toán mà hàm mục tiêu
khác nhau. Do yêu cầu mong muốn là tối thiểu hoá sai
số ngõ ra nên hàm mục tiêu có thể chọn như sau:

2
0
()Fitness e t dt



(8)
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]
i

V
i
Pbest

Gbest
i

X
i
k+1

V
i
k+1

V
i
Gbest

X
i
k

V
i
k

Tốc độ

của bộ điều khiển PI.
Step 2.3: Tìm hàm mục tiêu.
Step 2.4: Đánh giá hàm vị trí X
k
theo giá trị hàm mục
tiêu (fitness).
Step 3: Cập nhật lại giá trị vị trí và vận tốc cho từng
cá thể:
Step 3.1: Cập nhật giá trị vận tốc và vị trí theo công
thức (6) và (7).
Step 3.2: Đánh giá hàm mục tiêu (fitness)
Step 3.3: Nếu fitness < Pbest_fitness thì
Pbest = X
k
, Pbest_fitness = fitness.
Step 3.4: Cập nhật giá trị Gbest cho từng cá thể tương
ứng với vị trí nhỏ nhất hiện tại của hàm mục tiêu
trong quần thể.
Step 4: Tìm giá trị phần tử mới
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
nhất trước đó bằng giá trị mới hiện tại.
Step 5: Lặp lại bước 2 cho đến khi đã đủ số lần lặp
lại.
Mục tiêu của phương pháp hiệu chỉnh PID dùng giải
thuật PSO là: [5]
 Cực tiểu hoá hàm mục tiêu.
 Tìm được bước đáp ứng của hệ thống và làm giảm
sai số.
 Lập lại các bước thực hiện cho đến khi đủ số bước

I
1dm
= 2,73 (A): Dòng điện định mức.
I
max
= 7 (A): Dòng điện lớn nhất.
M
max
= 14,8 (Nm): Moment lớn nhất.
P = 5HP: Công suất của động cơ.
U
dc
= 400 (V): Điện áp DC giới hạn.
f = 50 (Hz): Tần số.
n= 80: Số lượng bầy đàn.
bird_setp =7: Số bước lặp.
dim = 2: Không gian tìm kiếm là 2 phần tử K
P
và K
I
.
w= 0.9: Trọng số quán tính
c1= 0.12: Hằng số gia tốc c1
c2= 1.2: Hằng số gia tốc c2
2.6.2. Sơ đồ mô phỏng trên Matlab

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:
B.1 Tham số bộ điều khiển PID.

I

PID- ZN
0.187
1.484
PID- PSO
8.848
0.417
Giá trị
Số vòng lặp (n=80)

335
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011
H. 10 Đồ thị hàm K
P
và K
I

2.6.6. Hình ảnh mô phỏng
2.6.6.1. Động cơ khởi động không tải
 Đáp ứng của động cơ:
+ Tốc độ đặt 200 (rad/s), thời gian mô phỏng từ 0 đến
1s. (
0 1 : _ 200( / )t s w ref rad s  
)

).
+ 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
thời điểm 0.5 đến 1s.
(
0 0.5 : 0t s Mc  
;
0.5 1 : 5( )t s Mc Nm  
).
H. 13 Dạng sóng đáp ứng tốc độ và moment của động cơ
theo phương pháp ZN
H. 14 Dạng sóng đáp ứng tốc độ và moment của động cơ
theo phương pháp PSO`
2.6.6.3. Động cơ khởi động không tải, sau đó đảo
chiều quay
 Đáp ứng của động cơ:
+ Tại thời điểm từ 0 đến 0.5s thì tốc độ đặt là 200
(rad/s), sau đó đảo chiều quay với tốc độ đặt là -100
(rad/s) ở thời điểm 0.5 đến 1s .
(
0 0.5 : _ 200( / )t s w ref rad s  
;
0.5 1 : _ 100( / )t s w ref rad s   
).

ref

w
w
ref

w
w
ref

w
w
ref

w
M
cref

M
c

M
cref

M
c

336
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011



Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông
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
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.


Học Bách Khoa, Đại Học Quốc
Gia Tp. Hồ Chí Minh năm
2003, và nhận bằng Tiến sỹ Kỹ
thuật tại Trường Đại Học Công Nghệ Sydney, Úc năm
2010. Tiến sỹ Nguyễn Minh Tâm tham gia giảng dạy
tại Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh từ năm 1995 đến nay.
Hướng nghiên cứu chính là áp dụng kỹ thuật tính toán
mềm trong xây dựng mô hình và điều khiển.
Speed (rad/s)
Time (Sec)

Speed (rad/s)
Time (Sec)

w
ref

w
w
ref

w
337