Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bằng Logic Mờ - Luận Văn Thạc Sĩ Nguyễn Thanh Sang

Kỹ thuật điện tử được ứng dụng trong các mạch điều khiển, đo lường, khống chế và bảo vệ hệ thống điện công nghiệp từ những năm 70-80 của thế kỷ XX. Đến những năm 90, kỹ thuật điện tử đã thay thế các khí cụ điện từ trong việc đóng ngắt nguồn cho phụ tải và làm các bộ nguồn công suất lớn. Ưu điểm của kỹ thuật điện tử là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển, thuận tiện và độ tin cậy cao. Các thiết bị biến đổi công suất giúp nâng cao hiệu quả biến đổi năng lượng điện và đáp ứng yêu cầu về chất lượng điện năng. Các nghiên cứu về bộ biến đổi trước đây cho thấy một số nhược điểm như hệ số công suất thấp, năng lượng chỉ chảy theo một chiều và có nhiều sóng hài bậc cao.

Để khắc phục các vấn đề như hiệu chỉnh hệ số công suất và méo dạng sóng hài, nhiều giải pháp đã được đưa ra, bao gồm các bộ lọc thụ động, tích cực và các bộ tụ bù. Các bộ biến đổi DC/AC PWM (Pulse Width Modulation) có thể khắc phục được các nhược điểm trên để đáp ứng các yêu cầu mới. Các phương pháp điều khiển cũ và mới bao gồm một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của lược đồ điều khiển của các bộ biến đổi. Ở các bộ biến đổi năng lượng điện này, các van chuyển mạch nguồn được điều khiển như các Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), các Thyristor tắt mở bằng cực cửa (GTO), hoặc các Thyristor điều khiển có cực cửa kết hợp (IGCT) được chứa trong 2 mạch công suất của bộ chỉnh lưu và nghịch để tích cực thay đổi dạng sóng của dòng điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng hài và do đó chúng cải thiện được hệ số công suất.

Các phương pháp điều khiển truyền thống thường gặp khó khăn trong việc đạt được độ chính xác cao và khả năng thích ứng với các thay đổi của hệ thống. Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại, trong đó có logic mờ, để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.

Logic mờ có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn tốt hơn so với PID điều khiển truyền thống. Nó cũng cho phép tích hợp kiến thức chuyên gia vào quá trình điều khiển, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Ưu điểm logic mờ là khả năng thích nghi cao với các điều kiện vận hành khác nhau.

Luận văn này tập trung vào việc tìm hiểu và ứng dụng lý thuyết điều khiển logic mờ vào hệ thống truyền động, cụ thể là điều khiển tốc độ động cơ. Mục tiêu là khảo sát đáp ứng của điều khiển logic mờ với một số mô hình có sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha. Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ.

Quá trình thiết kế bộ điều khiển logic mờ bao gồm các bước: xác định biến đầu vào và đầu ra, xây dựng hàm liên thuộc, thiết lập luật mờ, và giải mờ. Mỗi bước đều quan trọng để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động hiệu quả và đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Cần chú trọng đến việc lựa chọn hàm liên thuộc và luật mờ phù hợp với đặc tính của động cơ.

Việc lựa chọn hàm liên thuộc và luật mờ phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất của bộ điều khiển logic mờ. Các hàm liên thuộc thường được sử dụng bao gồm tam giác, hình thang và Gaussian. Luật mờ được xây dựng dựa trên kinh nghiệm và kiến thức về hệ thống, thường được biểu diễn dưới dạng các câu lệnh IF-THEN. Cần thử nghiệm và điều chỉnh để tìm ra cấu hình tối ưu.

Matlab Simulink là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và kiểm tra bộ điều khiển logic mờ. Mô phỏng cho phép đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau và điều chỉnh các tham số để đạt được kết quả tốt nhất. Kết quả mô phỏng cần được so sánh với các phương pháp điều khiển khác để đánh giá ưu điểm và nhược điểm.

Hệ thống băng tải là một ứng dụng phổ biến của động cơ không đồng bộ. Việc sử dụng logic mờ để điều khiển tốc độ giúp hệ thống hoạt động ổn định và chính xác hơn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu thay đổi tốc độ thường xuyên. Ứng dụng thực tế này cho thấy tiềm năng của logic mờ trong công nghiệp.

Trong trang trại chăn nuôi, việc điều khiển nhiệt độ và độ ẩm là rất quan trọng. Logic mờ có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ quạt thông gió, giúp duy trì môi trường lý tưởng cho vật nuôi. Hệ thống này có thể tự động điều chỉnh tốc độ quạt dựa trên các thông số môi trường, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu quả chăn nuôi.

Hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện là một giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả. Logic mờ có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ bơm, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời và đảm bảo cung cấp nước ổn định. Hệ thống này đặc biệt hữu ích ở các vùng sâu vùng xa, nơi không có điện lưới.

Kết quả mô phỏng cho thấy logic mờ có thời gian đáp ứng nhanh hơn, độ vọt lố nhỏ hơn và khả năng loại bỏ nhiễu tốt hơn so với PID điều khiển. Điều này chứng tỏ logic mờ là một lựa chọn hiệu quả cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và độ tin cậy cao.

Ưu điểm logic mờ là khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn, khả năng tích hợp kiến thức chuyên gia và khả năng thích ứng cao. Nhược điểm logic mờ là quá trình thiết kế phức tạp và yêu cầu kiến thức chuyên sâu về hệ thống. Tuy nhiên, với sự phát triển của các công cụ mô phỏng và thiết kế, nhược điểm này đang dần được khắc phục.

Phân tích độ ổn định và độ chính xác là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả. Kết quả phân tích cho thấy hệ thống điều khiển tốc độ động cơ sử dụng logic mờ có độ ổn định cao và độ chính xác đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thực tế.

Các kết quả nghiên cứu chính của luận văn bao gồm: xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng logic mờ, mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống trên Matlab Simulink, so sánh với bộ điều khiển PID truyền thống và phân tích độ ổn định và độ chính xác của hệ thống.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm: nghiên cứu các thuật toán tối ưu hóa cho bộ điều khiển logic mờ, ứng dụng logic mờ trong các hệ thống điều khiển phức tạp hơn, và phát triển các phương pháp thiết kế bộ điều khiển logic mờ tự động.

Logic mờ có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điều khiển công nghiệp, tự động hóa, robot và hệ thống thông minh. Với sự phát triển của công nghệ, logic mờ sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong việc giải quyết các bài toán điều khiển phức tạp và không chắc chắn.