Luận văn thạc sĩ điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc chiếm hơn 70% tổng lượng điện năng tiêu thụ trong toàn bộ hệ thống truyền động điện nhờ kết cấu cơ khí bền bỉ, chi phí chế tạo thấp và độ tin cậy vận hành cao. Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ loại động cơ này luôn là bài toán phức tạp do mô hình toán học có tính chất phi tuyến mạnh, các thông số nội tại biến thiên liên tục theo nhiệt độ và sự phụ thuộc phi tuyến giữa từ thông với moment. Các giải thuật điều khiển kinh điển như tỷ lệ - tích phân (PI/PID) thường bộc lộ nhiều hạn chế khi tải trọng biến động đột ngột hoặc điểm làm việc thay đổi trên dải rộng.

Nhằm giải quyết triệt để bài toán này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Nguyễn Thanh Sang, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Minh Tâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung nghiên cứu đề tài "Điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ". Mục tiêu trọng tâm của công trình là xây dựng cấu trúc điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) thông minh, có khả năng tự thích ứng cao để điều khiển chính xác tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha công suất 4 kW (5.5 HP), điện áp 400V trong các kịch bản công nghiệp và nông nghiệp thực tế.

Nghiên cứu được triển khai toàn diện trong giai đoạn 2016-2018 với phạm vi khảo sát chuyên sâu trên không gian mô phỏng Matlab Simulink. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc: cải thiện chất lượng động học hệ thống truyền động, giảm thời gian đáp ứng quá độ xuống dưới 0.2 giây, triệt tiêu độ vọt lố và duy trì sai số xác lập dưới mức 1%. Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ khả thi, sẵn sàng chuyển giao cho các dây chuyền tự động hóa công nghiệp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm điện năng vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành:

Thứ nhất, lý thuyết mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ không gian quay d-q và hệ tọa độ cố định alpha-beta. Bằng cách áp dụng phép biến đổi Park và Clark, hệ thống phương trình vi phân phi tuyến bậc cao của động cơ được chuyển đổi về hệ trục tọa độ định hướng theo từ thông rotor. Kỹ thuật này giúp tách rời việc điều khiển hai thành phần dòng điện stator: thành phần trục d chịu trách nhiệm tạo từ thông kích từ và thành phần trục q điều khiển trực tiếp moment điện từ, tương tự nguyên lý điều khiển độc lập ở động cơ điện một chiều.

Thứ hai, lý thuyết tập mờ và hệ thống logic mờ (Fuzzy Logic) do Lotfi Zadeh khởi xướng từ năm 1965. Cấu trúc bộ điều khiển mờ gồm 4 khối chức năng chính: khối mờ hóa (Fuzzification) biến đổi sai số tốc độ và đạo hàm sai số thành các biến ngôn ngữ thông qua các hàm liên thuộc tam giác, hình thang và Singleton; khối luật mờ (Rule Base) bao gồm ma trận luật If-Then phản ánh kinh nghiệm chuyên gia; khối suy luận mờ hợp thành theo quy tắc SUM-MIN hoặc MAX-MIN; và khối giải mờ (Defuzzification) áp dụng phương pháp điểm trọng tâm (Center of Gravity) hoặc phương pháp độ cao để tái tạo tín hiệu điều khiển rõ.

Thứ ba, lý thuyết điều khiển kinh điển PID và phương pháp hiệu chỉnh tham số theo Ziegler-Nichols (phương pháp thực nghiệm đáp ứng quá độ bậc thang và phương pháp biên giới ổn định dao động tới hạn), đóng vai trò làm hệ quy chiếu tiêu chuẩn để đối sánh chất lượng điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số học chuyên sâu trên môi trường Matlab Simulink kết hợp SimPowerSystems. Mô hình đối tượng chấp hành là động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có công suất định mức 4 kW, điện áp dây 400V, tần số 50 Hz, số đôi cực từ 2p=4. Nguồn cấp cho động cơ sử dụng bộ nghịch lưu áp ba pha gồm 6 khóa van bán dẫn IGBT được kích đóng cắt bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung vector không gian và điều chế sin (SPWM).

Quy trình chọn mẫu và thiết lập kịch bản thử nghiệm bao gồm 3 trường hợp ứng dụng thực tiễn điển hình:

• Kịch bản 1: Hệ thống băng tải vận chuyển hàng công nghiệp với chu trình khởi động đến 1000 vòng/phút, đóng thêm tải định mức tại thời điểm 0.6 giây và đảo chiều giảm tốc về 500 vòng/phút tại thời điểm 0.7 giây.
• Kịch bản 2: Hệ thống quạt thông gió trang trại chăn nuôi gia cầm kiểm soát nhiệt độ từ 18°C đến 35°C kết hợp độ ẩm không khí.
• Kịch bản 3: Hệ thống bơm nước tưới tiêu nông nghiệp tích hợp nguồn phát năng lượng pin quang điện mặt trời (PV).

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng này là vì tính linh hoạt, khả năng kiểm soát chặt chẽ các thông số nhiễu động học, đo lường chính xác các biến trạng thái bên trong động cơ mà không gây ra nguy cơ hư hỏng cơ khí hoặc quá dòng nguy hiểm cho thiết bị phần cứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích dữ liệu thực nghiệm trên Matlab Simulink đã mang lại các kết quả nổi bật sau:

Thứ nhất, về tốc độ đáp ứng động học khi khởi động: Bộ điều khiển Logic mờ giúp động cơ 4 kW đạt tốc độ đặt 1000 vòng/phút chỉ trong 0.15 giây với đường cong đáp ứng trơn tru, trong khi bộ điều khiển PI truyền thống mất tới 0.35 giây để đưa hệ thống vào vùng ổn định. Tốc độ xác lập của bộ điều khiển mờ nhanh hơn khoảng 57% so với phương pháp cổ điển.

Thứ hai, về triệt tiêu độ vọt lố (Overshoot): Bộ điều khiển PID kinh điển sau khi hiệu chỉnh theo Ziegler-Nichols có độ vọt lố tốc độ lên tới 18.5% đến 25%, gây ứng suất cơ học và dòng điện xung kích lớn khi khởi động. Ngược lại, bộ điều khiển Logic mờ hoàn toàn triệt tiêu hiện tượng vọt lố (độ vọt lố xấp xỉ 0%), đảm bảo động cơ tăng tốc êm dịu.

Thứ ba, về khả năng kháng nhiễu và bù tải đột ngột: Tại thời điểm t = 0.6 giây khi hệ thống băng tải đột ngột chịu tải trọng định mức, độ sụt giảm tốc độ của hệ mờ chỉ ở mức 2.1% (tương đương 21 vòng/phút) và tự phục hồi về tốc độ đặt trong thời gian ngắn hơn 0.08 giây. Đối với bộ điều khiển PI, tốc độ bị sụt giảm tới 8.5% (khoảng 85 vòng/phút) và cần đến 0.28 giây mới có thể ổn định trở lại.

Thứ tư, tính ổn định khi thay đổi giá trị đặt: Khi tốc độ đặt chuyển đổi đột ngột từ 1000 vòng/phút xuống 500 vòng/phút tại thời điểm t = 0.7 giây, giải thuật mờ bám sát tín hiệu điều khiển mới với sai số xác lập triệt tiêu dưới 0.4%, không xuất hiện dao động duy trì quanh điểm làm việc.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội của bộ điều khiển Logic mờ bắt nguồn từ cơ chế xử lý thông tin phi tuyến và khả năng thích ứng động của tập luật If-Then. Khác với bộ điều khiển PI có các hệ số khuếch đại cố định (Kp, Ki), hệ mờ liên tục điều chỉnh ma trận độ lợi dựa trên mức độ lệch tốc độ (Error) và tốc độ biến thiên của sai số (Change of Error). Nhờ đó, khi sai số lớn ở giai đoạn đầu, hệ thống tạo ra tín hiệu điều khiển mạnh để tăng tốc nhanh; khi sai số tiến dần về 0, hệ thống tự động hãm mềm để ngăn ngừa hiện tượng vọt lố.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đáp ứng tốc độ kép (Dual Speed Response Curves) và đồ thị phân tích dạng sóng dòng điện - moment điện từ stator. Bảng so sánh định lượng các chỉ tiêu chất lượng (thời gian tăng trưởng, thời gian xác lập, độ quá điều chỉnh và tổn hao công suất quá độ) khẳng định giải thuật mờ đơn giản hóa cấu trúc mạch nhưng nâng cao đáng kể tính bền vững của toàn hệ thống truyền động. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các lý thuyết điều khiển thông minh hiện đại và mở ra hướng ứng dụng hiệu quả cho các hệ thống công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các kết quả nghiên cứu đạt được, luận văn đưa ra 4 giải pháp trọng tâm nhằm ứng dụng rộng rãi và hoàn thiện công nghệ điều khiển mờ:

Thứ nhất, triển khai nhúng trực tiếp giải thuật Logic mờ vào các vi điều khiển xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP TMS320F28335 hoặc chip FPGA). Giải pháp này do nhóm kỹ sư R&D phần cứng thực hiện với mục tiêu tối ưu thời gian chu kỳ tính toán giải mờ xuống dưới 50 micro giây, hoàn thành giai đoạn thử nghiệm phần cứng trong vòng 6 đến 12 tháng tới.

Thứ tư, mở rộng nghiên cứu giải thuật lai thông minh Neuro-Fuzzy (ANFIS) kết hợp giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) để tự động tối ưu hóa cơ sở dữ liệu hàm liên thuộc và bảng luật mờ. Nghiên cứu này do các nhóm nghiên cứu sau đại học chủ trì với mục tiêu giảm sai số tĩnh xuống dưới 0.2%, lộ trình thực hiện kéo dài 18 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa thiết kế mô-đun biến tần mờ cho các dây chuyền băng tải vận chuyển hàng hóa và hệ thống nâng hạ trong các nhà máy sản xuất tự động. Chủ thể thực hiện là phòng kỹ thuật và cơ điện của doanh nghiệp với mục tiêu nâng cao tuổi thọ động cơ thêm 20% và tiết kiệm 15% điện năng tiêu thụ, triển khai trong lộ trình 24 tháng.

Thứ tư, áp dụng rộng rãi hệ thống điều khiển mờ vào các trạm bơm nước năng lượng mặt trời và hệ thống thông gió chuồng trại gia cầm tại các vùng nông nghiệp công nghệ cao. Giải pháp do các đơn vị chuyển giao công nghệ phụ trách nhằm tối ưu hóa điểm làm việc cực đại (MPPT) của pin quang điện, nâng cao hiệu suất tưới tiêu thêm 12% trong khung thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang tính ứng dụng kỹ thuật cao, phù hợp với các nhóm độc giả sau:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp xây dựng mô hình toán học động cơ không đồng bộ 3 pha, kỹ thuật mô phỏng SimPowerSystems và thuật toán điều khiển thông minh.
2. Kỹ sư R&D thiết kế thiết bị điện tử công suất và biến tần: Cung cấp sơ đồ chi tiết về khối chỉnh lưu cầu 3 pha 6 diode, nghịch lưu cầu H 3 pha sử dụng 6 van IGBT/MOSFET và giải thuật phát xung SPWM điều khiển biến tần.
3. Kỹ sư tự động hóa và quản lý kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp: Ứng dụng trực tiếp cấu trúc điều khiển mờ cho các hệ thống truyền động băng tải, máy khuấy, quạt thổi khí nhằm khắc phục sự cố sụt tốc và rung lắc cơ khí khi đổi tải.
4. Chuyên gia phát triển hệ thống năng lượng tái tạo và nông nghiệp thông minh: Tiếp cận giải pháp điều khiển động cơ bơm nước sử dụng nguồn pin mặt trời và hệ thống quạt thông gió điều hòa vi khí hậu trang trại gia cầm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên sử dụng Logic mờ thay cho bộ điều khiển PID truyền thống?

Bộ điều khiển PID kinh điển chỉ hoạt động tối ưu quanh một điểm làm việc tuyến tính cố định. Khi động cơ không đồng bộ 3 pha biến thiên thông số hoặc chịu tải va đập, PID dễ gây vọt lố trên 20% và thời gian xác lập kéo dài. Logic mờ không cần biết chính xác hàm truyền đối tượng, xử lý xuất sắc các yếu tố phi tuyến và giúp giảm 57% thời gian quá độ.

Động cơ thử nghiệm trong mô hình mô phỏng có thông số kỹ thuật ra sao?

Mô hình mô phỏng sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có công suất định mức 4 kW (tương đương 5.5 HP), điện áp định mức 400V/230V, tần số làm việc tiêu chuẩn 50 Hz và số đôi cực từ 2p=4. Các thông số điện trở và điện cảm stator, rotor được chuẩn hóa trong thư viện Matlab Simulink.

Phương pháp giải mờ nào được ưu tiên ứng dụng trong luận văn?

Nghiên cứu tập trung phân tích phương pháp giải mờ điểm trọng tâm (Center of Gravity) và phương pháp độ cao (Height Method) trên luật hợp thành SUM-MIN. Phương pháp điểm trọng tâm mang lại giá trị điều khiển liên tục, độ chính xác cao và giúp đầu ra điện áp điều khiển mượt mà, hạn chế sóng hài bậc cao cho bộ nghịch lưu IGBT.

Hệ thống phản ứng như thế nào khi băng tải đột ngột mang tải ở 0.6 giây?

Tại thời điểm 0.6 giây khi đóng tải đột ngột, bộ điều khiển mờ ngay lập tức phát hiện sai số và tốc độ biến thiên sai số, từ đó tăng độ rộng xung kích mở van nghịch lưu để nâng moment điện từ. Tốc độ động cơ chỉ suy giảm 2.1% và nhanh chóng tái lập trạng thái cân bằng trong vòng chưa đầy 0.08 giây.

Luận văn đã kiểm chứng thuật toán trên những mô hình ứng dụng nào?

Thuật toán được xây dựng và kiểm chứng thành công trên 3 hệ thống thực tế: hệ thống băng chuyền công nghiệp vận chuyển sản phẩm thay đổi tải trọng liên tục, hệ thống điều khiển quạt thông gió chuồng trại gia cầm theo ma trận nhiệt độ - độ ẩm, và hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học và cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 4 kW bằng giải thuật Logic mờ trên nền tảng Matlab Simulink.
• Nâng cao vượt bậc chất lượng động học hệ thống truyền động: rút ngắn hơn 50% thời gian xác lập, triệt tiêu hoàn toàn độ vọt lố và giữ sai số xác lập dưới 0.4%.
• Khẳng định khả năng kháng nhiễu và thích ứng tải trọng xuất sắc khi tải thay đổi đột ngột tại thời điểm 0.6 giây và khi đảo tốc độ đặt tại thời điểm 0.7 giây.
• Ứng dụng thành công giải thuật mờ vào 3 bài toán công nghệ thực tiễn gồm băng tải công nghiệp, quạt thông gió chuồng trại gia cầm và bơm nước pin quang điện.
• Đặt nền tảng khoa học vững chắc để phát triển các sản phẩm biến tần công nghiệp thông minh tích hợp chip vi xử lý nhúng trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới.

Công trình luận văn của tác giả Nguyễn Thanh Sang là tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao cho cộng đồng nghiên cứu tự động hóa truyền động điện. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp sản xuất có thể tham khảo, ứng dụng và phát triển giải pháp này để hiện đại hóa dây chuyền công nghệ, nâng cao năng suất và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.

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.