Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bằng Logic Mờ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Thanh Sang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 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
• 1.1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.1.2. Phạm vi nghiên cứu đề tài
• 1.1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3. Tính cấp thiết đề tài
• 1.4. Tính mới của đề tài
• 1.5. 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
• 2.3.1. Hệ trục tọa độ (α, β)
• 2.3.2. Hệ trục tọa độ (d, q)
• 2.4. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.5. Các thông số của động cơ
• 2.6. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
• 2.7. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
• 2.7.1. Điều khiển điện áp Stator
• 2.7.2. Điều khiển điện trở Rotor
• 2.7.3. Điều khiển công suất trượt Rotor
• 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
• 5.1.1. Giải thuật điều khiển
• 5.1.2. Chương trình điều khiển
• 5.1.3. Kết quả mô phỏng
• 5.2. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ quạt thông gió trang trại chăn nuôi gà
• 5.2.1. Giải thuật điều khiển
• 5.2.2. Chương trình điều khiển
• 5.2.3. Kết quả mô phỏng
• 5.3. Mô hình điều khiển tốc độ động cơ bơm nước sử dụng pin quang điện bằng Logic mờ
• 5.3.1. Giải thuật điều khiển
• 5.3.2. Chương trình điều khiển
• 5.3.3. 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

Tóm tắt

I. Tổng quan về Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bằng Logic Mờ

Điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật điện. Nó cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ một cách linh hoạt và hiệu quả. Logic mờ giúp xử lý các thông tin không chính xác và không rõ ràng, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển. Nghiên cứu này không chỉ mang lại giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

1.1. Khái niệm và Lịch sử Phát triển Logic Mờ

Logic mờ được phát triển bởi Lotfi Zadeh vào năm 1965. Khái niệm này cho phép máy tính xử lý thông tin không chắc chắn, tương tự như cách con người suy nghĩ. Sự phát triển của logic mờ đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp.

1.2. Tầm quan trọng của Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ

Điều khiển tốc độ động cơ là một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ.

II. Vấn đề và Thách thức trong Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ

Mặc dù logic mờ mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc áp dụng nó vào điều khiển tốc độ động cơ. Các vấn đề như độ chính xác của mô hình, sự phức tạp trong việc thiết lập luật điều khiển và khả năng xử lý thông tin không chắc chắn là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Độ Chính Xác của Mô Hình Điều Khiển

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác của mô hình điều khiển. Mô hình không chính xác có thể dẫn đến hiệu suất kém và không đạt được mục tiêu điều khiển mong muốn.

2.2. Sự Phức Tạp trong Thiết Lập Luật Điều Khiển

Việc thiết lập các luật điều khiển trong logic mờ có thể phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian. Cần có sự cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo rằng các luật này phản ánh đúng các điều kiện thực tế của hệ thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bằng Logic Mờ

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các luật mờ, mô hình hóa hệ thống và áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh.

3.1. Sử Dụng Luật Mờ trong Điều Khiển

Luật mờ được sử dụng để xác định các hành động điều khiển dựa trên các biến đầu vào không chắc chắn. Điều này cho phép hệ thống điều khiển hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện không ổn định.

3.2. Mô Hình Hóa Hệ Thống Điều Khiển

Mô hình hóa hệ thống là bước quan trọng trong việc áp dụng logic mờ. Việc xây dựng mô hình chính xác giúp cải thiện khả năng dự đoán và điều khiển tốc độ động cơ.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Logic Mờ trong Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ

Ứng dụng của logic mờ trong điều khiển tốc độ động cơ đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu và mô phỏng. Các ứng dụng này không chỉ giới hạn trong lĩnh vực công nghiệp mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như tự động hóa và robot.

4.1. Mô Phỏng Hệ Thống Trên MATLAB

Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ giúp đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa các tham số điều khiển.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Nhiều ngành công nghiệp đã áp dụng logic mờ để cải thiện quy trình sản xuất, từ điều khiển động cơ băng tải đến hệ thống điều hòa không khí.

V. Kết Luận và Tương Lai của Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Bằng Logic Mờ

Điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ đã chứng minh được tính hiệu quả và tiềm năng trong nhiều ứng dụng. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và phát triển mới, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển.

5.1. Định Hướng Phát Triển Nghiên Cứu

Nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục mở rộng, với mục tiêu cải thiện độ chính xác và hiệu suất của các hệ thống điều khiển.

5.2. Tích Hợp Công Nghệ Mới

Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy vào logic mờ sẽ tạo ra những bước đột phá trong điều khiển tốc độ động cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha. Chương 3: Lý thuyết Logic mờ và ứng dụng. Chương 4: Lý thuyết về điều khiển PID Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ trên phần mềm Matlab Simulink.

Chương 6: Kết luận và định hướng phát triển. TÀI LIỆU THAM KHẢO. HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 9 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA.

Mô tả chung về động cơ không đồng bộ. Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn Stator được cung cấp nguồn điện từ lưới điện, nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động và dòng điện bên trong dây quấn Rotor. Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ωs (rad/s). Rotor máy điện không đồng bộ thì có 2 loại như sau: - Rotor dây quấn: Với các dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh Rotor.

- Rotor lồng sóc: Với các thanh dẫn nhôm hoặc đồng được đặt trong rãnh Rotor và được ghép ngắn mạch hai đầu thanh dẫn qua vòng ngắn mạch ở hai đầu Rotor. Do kết cấu đơn giản và chắc chắn nên động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong sinh hoạt. Mặc khác chúng còn rất dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ nên đã chiếm được ưu thế trên thị trường. Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn.

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ. Rs Ls Lr 1 2 E 1 2 Is 1 Vs Im Lm E Rr 2 Mach stator Mach rotor Hình 2.1: Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ. HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 10 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Từ sơ đồ tương đương 1 pha của động cơ không đồng bộ ba pha ta được phương trình điện áp trên Stator của động cơ không đồng bộ ba pha là: Vs  E  I * ( Rs  js Ls ) (2.1) Với:  s : Tốc độ góc của Stator khi được cấp điện lưới. Vs : Điện áp pha vào động cơ.

Lm : Hỗ cảm. E : Sức điện động trên dây quấn Stator. Khảo sát Vector không gian trên động cơ không đồng bộ ba pha. Hệ trục tọa độ (  ,  ).

Đặt hệ trục toạ độ ảo (  ,  ) lên mặt cắt ngang của động cơ. Với trục thực α trùng với trục của Vector điện áp pha a của động cơ, trục ảo β đặt vuông góc với trục α theo hướng dương 90o trong không gian. Ta có hệ tọa độ cố định Stator (  ,  ) như hình 2. Từ hệ trục toạ độ (α, β) ta có được Vector điện áp:  u sa  u s   1 3 u sb   u s  u s (2.2)  2 2  1 3 u sc  u sa  u sb   u s  u s  2 2 Suy ra: u s  u sa   u s  1 u sa  2u sb   1 u sb  u sc  (2.3)  3 3 HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 11 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Hình 2.

Hệ trục tọa độ (d, q). Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (  ,  ) ta thêm một hệ trục tọa độ d, q có gốc toạ độ trùng với hệ trục toạ độ (  ,  ) và lệch một góc  s. Khi đó Vector không gian có thể biểu diễn trên hai hệ tọa độ này.3: Mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ (  ,  ) và (d,q). HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 12 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Trong đó d s a  dt  s  a t  a0 Quan hệ giữa hệ trục toạ độ (α, β) và hệ trục toạ độ (d, q): [1] u s  u sd cos s  u sq sin  s   (2.5) u s  u sd sin  s  u sq cos s  u    s  u s  ju s Và  dq (2.6)  u s  u sd  ju sq  Ta có được phương trình điện áp Stator trên hệ trục (d, q) u sd  u s cos s  u s sin  s  (2.7)  u sq  u s sin  s  u s cos s  Khi xét hệ tọa độ (d,q), ta cho trục d trùng với trục từ thông Rotor và quay với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của Vector từ thông Rotor.

Trong hệ tọa độ từ thông Rotor, các Vector dòng Stator và các Vector từ thông Rotor quay cùng với hệ tọa độ (d,q), do đó các phần tử của Vector dòng Rotor là các đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi; còn trong quá trình quá độ, các đại lượng này biến thiên theo một thuật toán đã định trước. HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 13 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Hình 2.4 Biểu diễn Vector không gian trên hệ tọa độ (d,q). Thành phần từ thông Rotor trên trục q ( rq ) bằng 0 do vuông góc với từ thông Rotor trùng với trục d, nên từ thông Rotor chỉ còn thành phần theo trục d và là đại lượng một chiều. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha.

Các thông số của động cơ. Ls  Lm  Ls : Điện cảm Stator.8) Lr  Lm  Lr : Điện cảm Rotor.9) Ls Ts  : Hằng số thời gian Stator.10) Rs Lr Tr  : Hằng số thời gian Rotor.11) Rr L2m   1 : Hệ số từ tản tổng.12) Ls Lr Trong đó : HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 14 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Xm Lm  : Hỗ cảm (2.13) 2f s X r Lr  : Điện cảm tiêu tán phía Rotor.14) 2f s X s Ls  : Điện cảm tiêu tán phía Stator.15) 2f s Rs : : Điện trở Stator. Rr : : Điện trở Rotor. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha.

Phương trình điện áp trên ba cuộn dây phía Stator [8]: d sa (t ) u sa (t )  Rs i sa (t )  (2.18) dt Dạng Vector điện áp:  2 u ss (t )  (u sa (t )  u sb (t )e j120  u sc (t )e j 240 ) 0 0 (2.19) 3 Thay các phương trình điện áp ta được:  s s d ss (t ) u s (t )  Rs is (t )  (2.20) dt Phương trình dòng điện Stator và từ thông Stator [8]:  2 is s (t )  (isa (t )  i sb (t )e j120  isc (t )e j 240 ) 0 0 (2.21) 3 HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 15 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm  2  ss (t )  ( sa (t )   sb (t )e j120   sc (t )e j 240 ) 0 0 (2.5: Sơ đồ tương đương mạch điện không đồng bộ. Phương trình điện áp của mạch Stator khi quan sát trên hệ quy chiếu Rotor [8]:  r  r d rr (t ) u s (t )  0  Rr ir (t )  (2.23) dt Các Vector từ thông Stator và Rotor:     s  L s i s  Lm ir (2.25) Phương trình Moment: 3   3   M p s  is   p r  ir  (2.26) 2 2 Phương trình chuyển động: d M  Mc  j (2.27) dt HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 16 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm 2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ: R2' 3U12 M s  R2  ' 2  1  R1    X nm 2   s   Ta có thể dựa vào đó để điểu khiển Moment bằng cách thay đổi các thông số như điện áp cung cấp, điện trở phụ, tốc độ trượt và tần số nguồn. Tới nay đã có các phương pháp điều khiển chủ yếu sau: Tổn thất Kinh tế Stator Điều chỉnh điện áp Điều chỉnh tần số Stator nguồn cấp Stator Điều chỉnh công suất trượt Rotor Điều chỉnh bằng phương pháp xung điện trở Rotor Hình 2. Các phương pháp điều khiển. HVTH: Nguyễn Thanh Sang MSHV: 1680616 Trang 17 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm 2.

Điều khiển điện áp Stator. Do Moment động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Stator, do đó có thể điều chỉnh được Moment và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp Stator trong khi giữ nguyên tần số. Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, Thyristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn Stator. Phương pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được không tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió.

Điều khiển điện trở Rotor. Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nước: bằng việc điểu khiển tiếp điểm hoặc Thyristor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của Rotor ta điều khiển được tốc độ động cơ, phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ. Nhược điểm: đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp, vùng điều chỉnh không rộng. Điều khiển công suất trượt.

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs=sPdt được tiêu tán trên điện trở mạch Rotor, ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này là đáng kể, vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng/nối cấp). P1 =Pcơ +Ps =P1(1-s)+sP1 =const.