Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn giữ vai trò quan trọng nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt và chính xác. Theo ước tính, động cơ một chiều được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như cán thép, giao thông vận tải và khai thác mỏ, nơi yêu cầu điều khiển tốc độ cao và ổn định. Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ động cơ một chiều truyền thống gặp nhiều hạn chế do đặc tính phi tuyến và sự thay đổi tải trọng trong quá trình vận hành. Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển mờ lai nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển tốc độ động cơ một chiều, đồng thời ứng dụng công nghệ FPGA để hiện thực hóa hệ thống điều khiển này. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi động cơ điện một chiều kích từ độc lập, với thời gian nghiên cứu chủ yếu trong năm 2020 tại Đại học Thái Nguyên. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số như thời gian đáp ứng, sai số tĩnh và khả năng chịu nhiễu, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống điều khiển trong thực tế sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: lý thuyết động cơ điện một chiều và lý thuyết điều khiển mờ. Động cơ một chiều được mô hình hóa qua các phương trình đặc tính cơ - điện, trong đó vận tốc động cơ tỷ lệ thuận với sức điện động phần ứng và dòng điện phần ứng. Các khái niệm quan trọng bao gồm sức phản điện động (counter-EMF), mô men điện từ, và đặc tính cơ của động cơ. Về điều khiển mờ, luận văn áp dụng lý thuyết tập mờ và logic mờ, trong đó các hàm liên thuộc (membership functions) như tam giác, thang, và Gaussian được sử dụng để mô tả các biến ngôn ngữ đầu vào và đầu ra. Bộ điều khiển mờ lai (F-PID) kết hợp giữa bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ, tận dụng ưu điểm của cả hai để xử lý các hệ thống phi tuyến và có nhiễu. Các khái niệm chính gồm: tập mờ, hàm liên thuộc, luật điều khiển mờ, giải mờ, và cấu trúc điều khiển mờ lai với switch chuyển mạch.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu bao gồm các thông số kỹ thuật của động cơ một chiều Planetary DCM50-775 24VDC, các đặc tính điện - cơ thu thập từ tài liệu chuyên ngành và kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB-Simulink. Phương pháp phân tích chủ yếu là mô phỏng hệ thống điều khiển hai mạch vòng (dòng điện và tốc độ) với bộ điều khiển mờ lai, đánh giá các chỉ số như thời gian đáp ứng, sai số tĩnh và khả năng chịu nhiễu. Cỡ mẫu thực nghiệm là một hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng FPGA DE2-115, với chương trình điều khiển viết bằng ngôn ngữ VHDL trên phần mềm Quartus II. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm giai đoạn thiết kế, mô phỏng, lập trình FPGA và thực nghiệm kiểm chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công bộ điều khiển mờ lai: Bộ điều khiển mờ lai kết hợp FLC và PID được thiết kế với cấu trúc switch chuyển mạch, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai bộ điều khiển dựa trên sai lệch và đạo hàm sai lệch. Mô phỏng trên MATLAB-Simulink cho thấy thời gian đáp ứng giảm khoảng 20% so với bộ điều khiển PID truyền thống, đồng thời sai số tĩnh giảm xuống dưới 2%.

  2. Mô phỏng hai mạch vòng ổn định tốc độ: Hệ thống điều khiển hai mạch vòng (dòng điện và tốc độ) với bộ điều khiển mờ lai cho kết quả ổn định tốt khi có nhiễu tác động. Thời gian ổn định sau nhiễu giảm khoảng 15%, và độ lệch tốc độ tối đa khi tải thay đổi giảm 10% so với bộ điều khiển PID.

  3. Ứng dụng công nghệ FPGA: Việc hiện thực bộ điều khiển mờ lai trên FPGA DE2-115 thành công, với chương trình VHDL chạy ổn định, cho phép điều khiển tốc độ động cơ một chiều trong phạm vi từ 600 vòng/phút đến 1800 vòng/phút. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số tốc độ trung bình dưới 3%, đáp ứng nhanh và mượt mà khi thay đổi tốc độ đặt.

  4. Khả năng chịu nhiễu và ổn định hệ thống: Bộ điều khiển mờ lai thể hiện ưu thế vượt trội trong việc duy trì ổn định tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ, với độ biến thiên tốc độ giảm 25% so với bộ điều khiển PID kinh điển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các cải tiến trên xuất phát từ khả năng xử lý phi tuyến và thích ứng của bộ điều khiển mờ lai, giúp hệ thống phản ứng nhanh và chính xác hơn trong các vùng sai lệch lớn. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PID hoặc PI, việc kết hợp logic mờ giúp giảm thiểu sai số và tăng tính ổn định khi tải thay đổi hoặc có nhiễu. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được minh họa qua các biểu đồ đáp ứng tốc độ và sai số theo thời gian, cho thấy rõ sự ưu việt của cấu trúc điều khiển mờ lai. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu suất điều khiển động cơ một chiều mà còn mở rộng khả năng ứng dụng công nghệ FPGA trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi bộ điều khiển mờ lai trong công nghiệp: Khuyến nghị các doanh nghiệp sản xuất và vận hành thiết bị sử dụng động cơ một chiều áp dụng bộ điều khiển mờ lai để nâng cao hiệu quả và độ ổn định hệ thống, đặc biệt trong các dây chuyền yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển trên nền tảng FPGA: Đề xuất các trung tâm nghiên cứu và trường đại học tiếp tục phát triển các thuật toán điều khiển mờ lai trên FPGA nhằm tận dụng ưu điểm về tốc độ xử lý và khả năng lập trình linh hoạt. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển mờ và công nghệ FPGA cho kỹ sư vận hành và bảo trì nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống điều khiển mới. Thời gian đào tạo nên được thực hiện trong 6 tháng đầu sau khi triển khai.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ khác: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục áp dụng bộ điều khiển mờ lai cho các loại động cơ khác như động cơ không đồng bộ hoặc động cơ servo nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả điều khiển. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển mờ, mô hình động cơ một chiều và ứng dụng FPGA, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

  2. Kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển mờ lai trong thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ, nâng cao hiệu suất và độ ổn định.

  3. Doanh nghiệp sản xuất sử dụng động cơ một chiều: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến hệ thống điều khiển, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

  4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ FPGA: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các ứng dụng điều khiển nhúng trên nền tảng FPGA, mở rộng phạm vi ứng dụng trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển mờ lai là gì và có ưu điểm gì so với PID truyền thống?
    Bộ điều khiển mờ lai kết hợp bộ điều khiển PID kinh điển với bộ điều khiển mờ, tận dụng khả năng xử lý phi tuyến và thích ứng của logic mờ. Ví dụ, nó giúp giảm thời gian đáp ứng và sai số tĩnh, đồng thời tăng khả năng chịu nhiễu so với PID truyền thống.

  2. Tại sao sử dụng FPGA trong thiết kế bộ điều khiển?
    FPGA cho phép lập trình linh hoạt, xử lý song song và tốc độ cao, phù hợp với các thuật toán điều khiển phức tạp như mờ lai. Thực nghiệm trên FPGA DE2-115 cho thấy hệ thống điều khiển hoạt động ổn định và chính xác.

  3. Phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển mờ lai trong công nghiệp là gì?
    Bộ điều khiển này thích hợp cho các hệ thống yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác và ổn định như máy cán thép, robot công nghiệp, và các thiết bị vận tải sử dụng động cơ một chiều.

  4. Làm thế nào để chuyển đổi giữa bộ điều khiển mờ và PID trong cấu trúc mờ lai?
    Sự chuyển đổi được thực hiện qua switch chuyển mạch dựa trên giá trị sai lệch và đạo hàm sai lệch. Khi sai lệch lớn, bộ điều khiển mờ hoạt động; khi sai lệch nhỏ, bộ PID đảm nhận, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

  5. Có thể áp dụng bộ điều khiển mờ lai cho các loại động cơ khác không?
    Có thể. Mặc dù nghiên cứu tập trung vào động cơ một chiều, nguyên lý điều khiển mờ lai có thể mở rộng cho động cơ không đồng bộ hoặc servo, tùy thuộc vào đặc tính và yêu cầu điều khiển của từng loại động cơ.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công bộ điều khiển mờ lai kết hợp FLC và PID, nâng cao hiệu quả điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
  • Mô phỏng và thực nghiệm trên MATLAB-Simulink và FPGA DE2-115 chứng minh tính ổn định, chính xác và khả năng chịu nhiễu của hệ thống.
  • Đề xuất cấu trúc điều khiển mờ lai với switch chuyển mạch giúp tối ưu hóa phản ứng trong các vùng sai lệch khác nhau.
  • Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, phù hợp ứng dụng trong công nghiệp và đào tạo kỹ thuật.
  • Khuyến nghị tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ FPGA trong các hệ thống điều khiển tự động hiện đại.

Hành động tiếp theo là triển khai ứng dụng thực tế bộ điều khiển mờ lai trong các dây chuyền sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các loại động cơ và hệ thống điều khiển phức tạp hơn. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, độc giả có thể liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên.