Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE Về Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Sử Dụng Logic Mờ

• Tác giả: Nguyễn Thanh Sang
• Người hướng dẫn: PGS-TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bằng Logic Mờ
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
• 1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Tính cấp thiết đề tài
• 1.7. Tính mới của đề tài
• 1.8. Cấu trúc đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.1. Mô tả chung về động cơ không đồng bộ
• 2.2. Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ
• 2.3. Khảo sát Vector không gian trên động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.4. Hệ trục tọa độ (α, β)
• 2.5. Hệ trục tọa độ (d, q)
• 2.6. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.7. Các thông số của động cơ
• 3. CHƯƠNG 3: Lý thuyết Logic mờ và ứng dụng
• 3.1. Định nghĩa Logic mờ (Fuzzy logic)
• 3.2. Các kiểu hàm liên thuộc của tập mờ
• 3.2.1. Tập mờ tam giác
• 3.2.2. Tập mờ hình thang
• 3.2.3. Tập mờ dạng L
• 3.2.4. Tập mờ Gamma tuyến tính (L trái)
• 3.2.5. Hàm liên thuộc Singleton
• 3.3. Cấu trúc cơ bản của hệ mờ
• 3.3.1. Khối mờ hóa ngõ vào (Fuzzification)
• 3.3.2. Khối luật mờ (Rules)
• 3.3.3. Khối giải mờ ngõ ra (De-fuzzification)
• 4. CHƯƠNG 4: Lý thuyết về điều khiển PID
• 4.1. Định nghĩa điều khiển PID
• 4.2. Thuật toán PID số
• 4.3. Thuật toán PID rời rạc hóa
• 4.4. Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID
• 4.4.1. Phương pháp thứ nhất
• 4.4.2. Phương pháp thứ 2
• 5. CHƯƠNG 5: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ trên phần mềm Matlab Simulink
• 5.1. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ băng tải bằng Logic mờ
• 5.2. Giải thuật điều khiển
• 5.3. Chương trình điều khiển
• 5.4. Kết quả mô phỏng
• 5.5. Mô hình điều khiển tốc động động cơ quạt thông gió trang trại chăn nuôi gà
• 5.5.1. Giải thuật điều khiển
• 5.5.2. Chương trình điều khiển
• 5.5.3. Kết quả mô phỏng
• 5.6. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ bơm nước sử dụng pin quang điện bằng Logic mờ
• 5.6.1. Giải thuật điều khiển
• 5.6.2. Chương trình điều khiển
• 5.6.3. Kết quả mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: Kết luận và định hướng phát triển
• 6.1. Ưu điểm và khuyết điểm của đề tài
• 6.2. Định hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh mẽ từ những năm 70-80 của thế kỷ XX, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Điều khiển động cơ là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật điện tử. Động cơ không đồng bộ ba pha, với cấu trúc đơn giản và hiệu suất cao, đã trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế quá trình quá độ của động cơ không đồng bộ vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Để khắc phục những nhược điểm này, việc áp dụng logic mờ vào điều khiển động cơ đã mở ra hướng đi mới, giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy trong điều khiển. Hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ cho phép xử lý thông tin không chắc chắn và mơ hồ, từ đó cải thiện hiệu suất của động cơ. Việc nghiên cứu và ứng dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu và ứng dụng lý thuyết logic mờ vào hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Đề tài sẽ khảo sát đáp ứng của hệ thống điều khiển logic mờ với một số mô hình động cơ khác nhau. Phạm vi nghiên cứu sẽ tập trung vào việc mô phỏng và phân tích hiệu quả của các thuật toán điều khiển logic mờ trên phần mềm Matlab - Simulink. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất điều khiển mà còn cung cấp tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu và ứng dụng khác trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa.

II. Cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ phổ biến trong công nghiệp nhờ vào cấu trúc đơn giản và hiệu suất cao. Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ cho phép phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển một cách hiệu quả. Các thông số như điện trở, điện cảm và từ thông là những yếu tố quan trọng trong việc xác định hiệu suất của động cơ. Việc khảo sát vector không gian trên động cơ không đồng bộ giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa các đại lượng điện áp và dòng điện trong hệ thống. Điều này là cần thiết để phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại, bao gồm cả logic mờ. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình điều khiển và phân tích hiệu quả của các thuật toán điều khiển.

2.1. Mô tả chung về động cơ không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ ba pha hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng điện ba pha trong dây quấn stator tạo ra từ trường quay, từ đó sinh ra sức điện động và dòng điện trong dây quấn rotor. Động cơ không đồng bộ có hai loại rotor chính: rotor dây quấn và rotor lồng sóc. Rotor lồng sóc được ưa chuộng hơn do cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và không cần bảo trì. Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt trong các quá trình quá độ. Do đó, việc áp dụng logic mờ vào điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha là một giải pháp tiềm năng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

III. Lý thuyết logic mờ và ứng dụng

Logic mờ là một lý thuyết được phát triển để xử lý thông tin không chắc chắn và mơ hồ. Khái niệm này được giới thiệu bởi Lotfi Zadeh và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả điều khiển tự động. Hệ thống điều khiển logic mờ bao gồm các khối mờ hóa ngõ vào, khối luật mờ và khối giải mờ ngõ ra. Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ cho phép xây dựng các luật điều khiển đơn giản hơn, dễ điều chỉnh và đáp ứng tốt hơn so với các phương pháp truyền thống. Các ứng dụng của logic mờ trong điều khiển động cơ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí và thời gian thiết kế hệ thống.

3.1. Định nghĩa logic mờ

Logic mờ là một phương pháp lý thuyết cho phép mô tả và xử lý thông tin không rõ ràng. Khác với logic cổ điển, nơi mà các giá trị chỉ có thể là đúng hoặc sai, logic mờ cho phép các giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1, thể hiện mức độ đúng sai. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng thực tế, nơi mà thông tin thường không chính xác hoặc không đầy đủ. Việc áp dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ giúp cải thiện khả năng điều chỉnh và đáp ứng của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha Rotor lồng sóc được sử dụng rộng rãi nhờ cấu trúc đơn giản, giá thành thấp và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ động cơ này gặp nhiều thách thức do đặc tính quá độ và khó khăn trong khống chế quá trình vận hành. Theo báo cáo ngành, việc áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh như Logic mờ giúp nâng cao độ chính xác và tin cậy trong điều khiển tốc độ động cơ. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển Logic mờ để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, đồng thời mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong khoảng thời gian từ 2016 đến 2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất vận hành các hệ thống truyền động công nghiệp, đặc biệt trong các ứng dụng như băng tải, quạt thông gió trang trại và hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba nền tảng lý thuyết chính:

1. Lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha: Bao gồm mô hình mạch điện tương đương, hệ trục tọa độ (α, β) và (d, q), các phương trình cơ bản về điện áp, dòng điện và moment động cơ. Động cơ Rotor lồng sóc được lựa chọn do ưu điểm về cấu tạo và vận hành. Các phương pháp điều khiển truyền thống như điều chỉnh điện áp, điện trở Rotor, công suất trượt và điều khiển tần số nguồn cấp được khảo sát để làm cơ sở so sánh.

2. Lý thuyết Logic mờ (Fuzzy Logic): Được phát triển từ năm 1965 bởi GS. Lotfi Zadeh, Logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chính xác, đa nghĩa thông qua các hàm liên thuộc và tập mờ. Các khái niệm như tập mờ tam giác, hình thang, L, Gamma tuyến tính và Singleton được sử dụng để mô hình hóa các biến ngôn ngữ. Hệ thống Logic mờ gồm các khối mờ hóa ngõ vào, luật mờ, hợp thành và giải mờ ngõ ra, giúp biến đổi các giá trị mờ thành giá trị điều khiển rõ ràng.

3. Lý thuyết điều khiển PID: Bộ điều khiển PID với các thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân được nghiên cứu để so sánh hiệu quả với điều khiển Logic mờ. Thuật toán PID số và các phương pháp hiệu chỉnh thông số như Ziegler-Nichols được áp dụng để tối ưu hóa đáp ứng hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha và các thuật toán điều khiển Logic mờ, PID được xây dựng dựa trên tài liệu chuyên ngành và các nghiên cứu trước đây.

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ trên phần mềm Matlab Simulink. So sánh kết quả với bộ điều khiển PI truyền thống để đánh giá hiệu quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được áp dụng cho các hệ thống thực tế như băng tải công nghiệp, quạt thông gió trang trại chăn nuôi và hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện. Việc lựa chọn các mô hình này nhằm phản ánh đa dạng ứng dụng và điều kiện tải khác nhau.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 10/2016 đến tháng 10/2018, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển Logic mờ trong ổn định tốc độ động cơ: Mô hình điều khiển Logic mờ cho thấy khả năng duy trì tốc độ động cơ ổn định khi tải thay đổi, đặc biệt trong hệ thống băng tải công nghiệp. Sai số tốc độ được giảm khoảng 15% so với điều khiển PI truyền thống.

2. Đáp ứng nhanh và chính xác hơn: Trong mô phỏng điều khiển quạt thông gió trang trại, Logic mờ giúp giảm thời gian đáp ứng xuống còn khoảng 0.2 giây, nhanh hơn 20% so với phương pháp PID.

3. Khả năng thích ứng với tải biến thiên: Hệ thống điều khiển Logic mờ trên mô hình bơm nước sử dụng pin quang điện duy trì được tốc độ ổn định trong phạm vi tải thay đổi từ 0 đến 100% công suất, với độ lệch tốc độ dưới 5%.

4. Tính đơn giản và dễ điều chỉnh luật mờ: Luật mờ được xây dựng đơn giản hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống, giúp dễ dàng hiệu chỉnh và áp dụng trong thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ khả năng xử lý thông tin không chính xác và đa nghĩa của Logic mờ, giúp hệ thống điều khiển thích ứng tốt với các biến đổi tải và điều kiện vận hành không ổn định. So với các nghiên cứu trước đây về điều khiển PID và điều khiển Vector, Logic mờ thể hiện ưu thế về độ ổn định và thời gian đáp ứng. Biểu đồ so sánh sai số tốc độ và thời gian đáp ứng giữa các phương pháp điều khiển có thể minh họa rõ nét sự vượt trội của Logic mờ. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành các hệ thống truyền động công nghiệp, giảm hao tổn năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển Logic mờ trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp: Tập trung vào các hệ thống băng tải và quạt thông gió, nhằm nâng cao độ ổn định tốc độ và giảm thiểu sai số vận hành. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do các phòng kỹ thuật tự động hóa đảm nhiệm.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng và điều khiển Logic mờ tích hợp trên Matlab Simulink: Hỗ trợ đào tạo và nghiên cứu, giúp các kỹ sư dễ dàng thiết kế và hiệu chỉnh hệ thống. Thời gian hoàn thành trong 6 tháng, do các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật thực hiện.

3. Nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về Logic mờ và ứng dụng trong điều khiển động cơ, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian đào tạo kéo dài 3 tháng, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật phối hợp thực hiện.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng Logic mờ cho các loại động cơ và hệ thống truyền động khác: Khảo sát và phát triển các thuật toán điều khiển phù hợp với động cơ đồng bộ, động cơ servo và các hệ thống tự động hóa phức tạp. Thời gian nghiên cứu dự kiến 18 tháng, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về Logic mờ và ứng dụng trong điều khiển động cơ, giúp thiết kế và vận hành hệ thống truyền động hiệu quả.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để nghiên cứu sâu về điều khiển Logic mờ và mô phỏng trên Matlab Simulink.

3. Nhà quản lý và kỹ thuật viên trong các nhà máy sản xuất: Hiểu rõ về các phương pháp điều khiển hiện đại để áp dụng nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.

4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển: Tham khảo các thuật toán và mô hình điều khiển mới, từ đó phát triển các giải pháp tối ưu cho hệ thống truyền động.

Câu hỏi thường gặp

1. Logic mờ là gì và tại sao lại được sử dụng trong điều khiển động cơ?
   Logic mờ là phương pháp xử lý thông tin không chính xác, đa nghĩa, giúp mô phỏng cách con người ra quyết định. Trong điều khiển động cơ, nó giúp hệ thống thích ứng tốt với biến đổi tải và điều kiện vận hành không ổn định, nâng cao độ chính xác và ổn định.

2. So sánh điều khiển Logic mờ và PID có điểm gì khác biệt?
   Điều khiển Logic mờ xử lý thông tin mờ và không cần mô hình chính xác của hệ thống, trong khi PID dựa trên mô hình tuyến tính và điều chỉnh sai số. Logic mờ thường có đáp ứng nhanh hơn và ổn định hơn trong môi trường biến đổi.

3. Phần mềm Matlab Simulink được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Matlab Simulink được dùng để xây dựng mô hình toán học động cơ và hệ thống điều khiển Logic mờ, mô phỏng quá trình vận hành và đánh giá hiệu quả điều khiển so với các phương pháp truyền thống.

4. Luật mờ trong hệ thống điều khiển được xây dựng như thế nào?
   Luật mờ được xây dựng dựa trên các biến ngôn ngữ và các tập mờ liên quan, ví dụ như "nhiệt độ là nóng" hoặc "tốc độ là cao". Các luật này được biểu diễn dưới dạng câu lệnh If-Then, giúp hệ thống ra quyết định điều khiển phù hợp.

5. Ứng dụng thực tế của điều khiển Logic mờ trong công nghiệp là gì?
   Logic mờ được ứng dụng trong điều khiển băng tải, quạt thông gió, hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời, giúp duy trì tốc độ ổn định, tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu thành công việc ứng dụng Logic mờ trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, nâng cao độ ổn định và đáp ứng nhanh trong các hệ thống truyền động công nghiệp.
• Mô hình điều khiển Logic mờ được xây dựng và mô phỏng trên Matlab Simulink, cho kết quả vượt trội so với điều khiển PID truyền thống.
• Luật mờ được thiết kế đơn giản, dễ hiệu chỉnh, phù hợp với nhiều ứng dụng thực tế như băng tải, quạt thông gió và bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời.
• Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và phát triển thêm các thuật toán điều khiển thông minh cho các hệ thống truyền động khác.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và sinh viên tiếp tục nghiên cứu mở rộng và ứng dụng Logic mờ trong lĩnh vực kỹ thuật điện và tự động hóa.

Hành động tiếp theo: Áp dụng mô hình điều khiển Logic mờ vào các dự án thực tế, đồng thời tổ chức đào tạo nâng cao kỹ năng cho đội ngũ kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành hệ thống truyền động.