Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 03 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Dƣơng Trần Đình Thảo HVTH: Dương Trần Đình Thảo iii GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, giảng viên trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.
Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong toàn khóa học. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Minh Tâm, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Điện Công Nghiệp trƣờng Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Kiên Giang đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian theo học khóa học này. Ngoài ra tôi cũng xin cảm ơn bạn bè, các anh chị học viên cùng khóa cao học 2011 – 2013 đã động viên, khuyến khích và giúp đỡ tôi vƣợt qua những khó khăn trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn này. Việc thực hiện đề tài luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế. Rất mong nhận đƣợc sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của quý Thầy, Cô và các bạn để cuốn Luận văn này hoàn thiện hơn.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 03 năm 2013 Người thực hiện Dƣơng Trần Đình Thảo HVTH: Dương Trần Đình Thảo iv GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhiệm vụ của đề tài là thiết kế và thi công mô hình bộ chỉnh lƣu ba pha PWM ứng dụng phƣơng pháp tối ƣu hóa cá thể bầy đàn (PSO) để xác định thông số cho bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) cho mô hình chỉnh lƣu ba pha PWM. Bộ chỉnh lƣu ba pha đƣợc thi công thực tế kết hợp xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink.
Thuật toán PSO đƣợc thực hiện trong Matlab xác định thông số Kp, Ki của bộ điều khiển PID và nạp cho bộ điều khiển thông qua card dSPACE1104. So sánh với thuật toán di truyền (GA), phƣơng pháp đề xuất có hiệu quả hơn trong việc cải thiện các đặc điểm đáp ứng bƣớc nhƣ giảm lỗi trạng thái xác lập, thời gian đáp ứng nhanh, giảm độ vọt lố. Thực hiện mô phỏng các bộ điều khiển với phần mềm Matlab/Simulink. Đồng thời so sánh kết quả vận hành trên mô hình bộ chỉnh lƣu ba pha PWM thực tế.
Luận văn đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình bộ chỉnh lƣu ba pha PWM ứng dụng giải thuật PSO vào bộ PID. Mô hình bộ chỉnh lƣu gồm có khối nguồn, khối cảm biến, khối cuộn kháng LC, khối điều khiển trung tâm, khối công suất, khối tải DC. Các tín hiệu từ khối cảm biến dòng, cảm biến áp sẽ đƣợc đƣa tín hiệu vào khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển dSPACE1104. Vi điều khiển trung tâm đƣợc lập trình dựa trên phƣơng pháp điều khiển điều chế vector không gian SVPWM và kết hợp giải thuật PSO_PID sẽ thực hiện việc tính toán và xuất tín hiệu PWM điều khiển qua khối Driver có cách ly để điều khiển khối công suất cho tín hiệu điện áp ra Udc bằng giá trị đặt trƣớc.
Kết quả đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài, bao gồm: Thiết kế hoàn chỉnh bộ chỉnh lƣu 3 pha PWM điều khiển PSO _ PID có kết quả vận hành tốt, đáp ứng nhanh, ít vọt lố hơn so với các phƣơng pháp khác. Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 6 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Giới thiệu cơ sở lý thuyết chỉnh lƣu 3 pha PWM HVTH: Dương Trần Đình Thảo v GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID Chƣơng 3: Giới thiệu cơ sở lý thuyết PID_PSO Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng Matlab Chƣơng 5: Mô hình và thực nghiệm chỉnh lƣu ba pha PWM Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài HVTH: Dương Trần Đình Thảo vi GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID MỤC LỤC Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC.
I LỜI CAM ĐOAN .III LỜI CẢM ƠN. IV TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ. VII DANH SÁCH CÁC HÌNH. X CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã nghiên cứu.3 Mục đích của đề tài.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.5 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHỈNH LƢU BA PHA PWM .1 Tổng quan mạch chỉnh lƣu ba pha có điều khiển PWM.
Nguyên lý làm việc của mạch .3 Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM .10 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PID_PSO .1 Giới thiệu bộ điều khiển PID .2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID.3 Hiệu chỉnh bộ PID bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols .4 Phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ nhất. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai .6 Tổng quan giải thuật PSO .7 Lịch sử phát triển của giải thuật PSO.8 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn .9 Mô tả thuật toán PSO .27 HVTH: Dương Trần Đình Thảo vii GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID 3.10 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO .4 Mã hóa theo giá trị .5 Mã hóa theo cấu trúc cây .6 Khởi tạo quần thể ban đầu.7 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu): .8 Hàm vận tốc v: .9 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể.11 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO.12 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng thuật giải bầy đàn .38 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB .1 Sơ đồ khối mô hình tổng thể chỉnh lƣu ba pha PWM .2 Thông số của mạch chỉnh lƣu ba pha khi chạy mô phỏng bằng Matlab .2 Dạng kín có hồi tiếp PID.3 Điều khiển mạch chỉnh lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID .1 Sơ đồ tổng quan lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID .2 Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu ba pha PWM điều khiển bằng PSO-PID .3 Sơ đồ tổng quan mô phỏng trên maltab .4 Kết quả mô phỏng PID-PSO.1 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 1) .2 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 2) .3 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 3) .4 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 4) .71 CHƢƠNG 5: MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM .79 HVTH: Dương Trần Đình Thảo viii GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID 5.1 Quá trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm .2 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng maltab dùng lệnh dSPACE1104 .3 Các khối điều khiển trong dSPACE104.1 Khối sensor điện áp khiển trong dSPACE104.2 Khối sensor dòng điện khiển trong dSPACE104.3 Khối sensor điện áp DC khiển trong dSPACE104.4 Khối SVPWM khiển trong dSPACE104.4 Màn hình nhúng chƣơng trình xuống dSPACE104 .5 Màn hình controldesk điều khiển card dSPACE104 .6 Mô hình chƣa hoạt động card dSPACE104.7 Màn hình controldesk đang hoạt động điều khiển card dSPACE104.8 Mô hình hoạt động tải thứ hai card dSPACE104.9 Số liệu kết quả thực nghiệm .90 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN .3 Hƣớng phát triển của đề tài .91 TÀI LIỆU THAM KHẢO .94 HVTH: Dương Trần Đình Thảo ix GVHD: TS.
Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1: Mạch chỉnh lƣu ba pha .2: Vector không gian điện áp.3: Mạch tƣơng đƣơng của bộ chỉnh lƣu ba phaError! Bookmark not defined.4: Khối điều khiển điện áp urd - urq cho chỉnh lƣu PWM.5: Trạng thái đóng mở mạch sector 1.6: Trạng thái đóng mở mạch sector 2.7: Trạng thái đóng mở mạch sector 3. Error! Bookmark not defined.8: Trạng thái đóng mở mạch sector 4. Error! Bookmark not defined.9: Trạng thái đóng mở mạch sector 5. Error! Bookmark not defined.10: Trạng thái đóng mở mạch sector 6.
Error! Bookmark not defined.1: Khâu điều khiển vòng kín .2: Cấu trúc PID.3: Sơ đồ khối của một hệ hở .4: Đáp ứng của hệ hở .5: Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID .6: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P.7: Đáp ứng của hệ kín .8: Mô tả kiến tìm đƣờng .9: Lƣu đồ giải thuật của thuật toán PSO .10: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học.11: Chuyển động của cá thể .12: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn .13: Lƣu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID.1: Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu ba pha PWM .2 : Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lƣu ba pha PWM .3: Sơ đồ mạch chỉnh lƣu ba pha PWM .41 HVTH: Dương Trần Đình Thảo x GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID Hình 4.4: Tín hiệu điện ra DC và dòng điện ra DC .5: Tín hiệu sóng điện áp ba pha .6: Tín hiệu sóng dòng điện ba pha .7: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lƣu ba pha PWM .8: Sơ đồ mạch chỉnh lƣu ba pha PWM mô phỏng maltab .9: Đồ thị điện áp DC và dòng điện DC .10: Tín hiệu sóng điện ba pha .11: Tín hiệu sóng dòng điện ba pha .12: Đồ thị điện áp DC và dòng điện DC .13: Tín hiệu sóng điện ba pha .14: Tín hiệu sóng dòng điện ba pha .15: Đồ thị điện áp DC và dòng điện DC .16: Tín hiệu sóng điện ba pha .17: Tín hiệu sóng dòng điện ba pha .18: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lƣu ba pha PWM .19: Sơ đồ khối mô phỏng PSO-PID Simulink Matblab.20: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng PSO-PID Simulink Matblab.21: Sơ đồ khối nguồn mô phỏng Simulink Matblab.22: Biến áp tự ngẫu 380/110V – 50V – 30V .23: Sơ đồ khối cảm biến dòng mô phỏng Simulink Matblab.24: Sơ đồ mạch dòng điện và hình dáng cảm biến dòng .25: Sơ đồ khối cảm biến điện áp mô phỏng Simulink Matblab.26: Sơ đồ mạch điện áp AC và DC và hình dáng cảm biến điện áp .27: Sơ đồ khối cuộn kháng Simulink Matblab và hình ảnh.