MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay khái niệm điều khiển mờ đã không còn xa lạ và trở nên phổ biến với tất cả mọi người. Rất nhiều thiết bị ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trở nên phổ biến và có mặt trong rất nhiếu lĩnh vực công nghiệp cũng như dân dụng: sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, máy giặt, máy ảnh, y học… Nguyên nhân của sự phát triển nhanh chóng của bộ điều khiển mờ dựa trên cơ sở suy luận mờ, cho phép người điều khiển tự động hóa được kinh nghiệm điều khiển của họ cho một quá trình, một thiết bị… tạo ra được những bộ điều khiển làm việc tin cậy thay thế được họ song chất lượng điều khiển vẫn tốt như người điều khiển đã làm được. Trong thực tế, bộ điều khiển mờ có khả năng giải quyết các hệ thống có độ phức tạp cao, độ phi tuyến lớn, sự thay đổi thường xuyên của trạng thái và cấu trúc đối tượng.
Sự phát triển mạnh mẽ của điều khiển mờ gắn liền với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi xử lý – một cầu nối quan trọng không thể thiếu giữa kết quả nghiên cứu của lý thuyết mờ với ứng dụng trong thực tế. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành , máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ).
Mặc dù, so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn 1 nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn.
Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật như trong luyện kim, trong công nghệ giấy hoặc ở một số hệ thống khác, thường người ta cung cấp điện cho một nhóm động cơ từ một bộ biến đổi có điện áp không đổi, để thay đổi tốc độ động cơ thường người ta thực hiện việc thay đổi từ thông kích từ. Trong các nhà máy cán thép, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất. Vì vậy hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động cơ điện một chiều kích từ độc lập đóng vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứu.
Bộ điều khiển mờ ra đời trên cơ sở ứng dụng logic mờ, là một bộ điều khiển thông minh, hiện đang đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật, tính bền vững và ổn định cao, dễ thay đổi, dễ lập trình. Vấn đề đặt ra như thế, hướng nghiên cứu xây dựng đề tài của tác giả ở đây là nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài được chọn: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều” làm đề tài cho luận văn Thạc sĩ. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu các bộ điều khiển mờ 2 - Xây dựng mô hình bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều 3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu các bộ điều khiển mờ - Xây dựng và lựa chọn phần cứng mô hình bộ điều khiển mờ - Xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều bằng phần mềm MATLAB - Chế tạo, lắp đặt, kiểm tra, hiệu chỉnh và thử nghiệm * Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc ứng dụng bộ điều khiển mờ. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên nền Matlab & Simulink. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập, phân tích và thiết kế các bộ điều khiển mờ, ứng dụng bộ điều khiển mờ. - Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cách thức thiết kế và mô phỏng trên Matlab Simulink. * Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển, nhằm giải quyết vấn đề cấp bách hiện nay là nâng cao chất lượng điều khiển truyền động động cơ điện một chiều. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1. Các khái niệm cơ bản của điều khiển mờ Trong các suy luận thông thường hay các suy luận khoa học, suy luận logic toán học đóng vai trò rất quan trọng.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nếu chỉ với hai giá trị đúng (1) hoặc sai (0) không thể giải quyết được hết các bài toán phức tạp như chưa biết trước đặc tính đối tượng điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế lý thuyết điều khiển mờ đã ra đời. Khái niệm đầu tiên về logic mờ được giáo sư Lotfi Zadeh của trường đại học California - Mỹ đưa ra lần đầu tiên vào năm 1965. Công trình đã khai sinh ra một ngành khoa học mới là: lý thuyết tập mờ và đã thu hút được sự chú ý của rất nhiều các nhà nghiên cứu công nghệ mới và đã được áp dụng ngay vào trong các ứng dụng thực tế như: sản xuất xi măng, trong y học giúp chuẩn đoán và điều trị bệnh … Trong lĩnh vực điều khiển tự động, vai trò của logic mờ ngày càng quan trọng, có rất nhiều ứng dụng được thực hiện điều khiển bằng cách dùng logic mờ.
Ưu điểm lớn nhất của điều khiển mờ là không cần biết trước đặc tính của đối tượng điều khiển một cách chính xác, so với điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào thông tin chính xác tuyệt đối của đối tượng điều khiển, điều này trong nhiều ứng dụng là không thể có được. Khái niệm về tập mờ Tập mờ dựa trên những cơ sở từ tập kinh điển nên ta nhắc lại tập kinh điển trước. Tập kinh điển là tập chỉ có hai giá trị: đúng (1) hoặc sai (0) như đã đề cập ở trên. Hàm liên thuộc của tập thể hiện mức độ phụ thuộc của các giá trị trong tập hợp đó [2], từ đây có thể suy ra hàm liên thuộc của tập kinh điển: nếu x A thì có độ phụ thuộc là 1, còn x A thì có độ phụ thuộc 0.
Hàm liên thuộc của tập hợp A ký hiệu là A ( x ) [2] 1 khi x A A (x) (1.1) 0 khi x A 4 Trong logic mờ, hàm liên thuộc của tập mờ không chỉ nhận 2 giá trị là 0 và 1 mà là toàn bộ các giá trị từ 0 đến 1 tức là 0 B ( x ) 1 [2]. Như vậy, ở logic mờ không có sự suy luận thuận ngược như ở tập hợp kinh điển. Vì vậy trong định nghĩa tập mờ phải trình bày thêm về hàm liên thuộc, do vai trò của của hàm liên thuộc là làm rõ ra chính tập mờ đó. Định nghĩa tập mờ [2]: tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, f(x)), trong đó x M và f là ánh xạ f : M [0, 1] , ánh xạ f được gọi là hàm liên thuộc (phụ thuộc) của tập mờ F.
Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F. Các tính chất cơ bản tập mờ [2] Độ cao của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở M) là giá trị: H = sup f(x), x M (1.2) nếu tập mờ có H = 1 gọi là chính tắc, H luôn < 1 là không chính tắc. Miền xác định của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở M) ký hiệu bằng S, là tập con của M thoả mãn S = { x M; f(x) > 0} (1.3) Miền tin cậy của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở M), ký hiệu bằng T, là tập con của M thoả mãn T = {x M; f(x) = 1} (1. Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 5 1.
Các dạng hàm thuộc Hàm liên thuộc có rất nhiều dạng: dạng tam giác, dạng singleton dạng hình thang, dạng quả chuông, dạng chữ S… tuỳ từng trường hợp ứng dụng khác nhau mà ta phải lựa chọn các hàm liên thuộc cho phù hợp. Tuy nhiên, các hàm liên thuộc vẫn có thể viết ở dạng chung nhất như sau [2]: I( x ) x a , b H x (b, c) ( x, a , b, c, d, H) (1.