(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ

(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ(Luận văn thạc sĩ) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Lương Văn Minh ii TÓM TẮT Động điện xoay chiều, đặc biệt đồng khơng đồng rotor lồng sóc thường có nhiều lợi như: cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp, bảo trì; động khơng đồng có nhiều ứng dụng công nghiệp Việc điều khiển tốc độ động không đồng đóng vai trị quan trọng nhằm tối ưu hóa mơ-men hiệu suất Có nhiều kỹ thuật điều khiển tốc độ khác như: điều khiển V/f; điều khiển trực tiếp mô-men, điều khiển tựa theo từ trường Hệ truyền động điều khiển tựa theo từ trường điều chỉnh tốc độ mô-men tốt cho động xoay chiều Cho phép điều khiển động xoay chiều chiều, phù hợp cho ứng dụng sử dụng động chiều trước Hệ thống truyền động điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường truyền thống cho động không đồng thường sử dụng hiệu chỉnh PI thông cho giá trị hồi tiếp thường có độ xác thấp làm giảm hiệu suất hệ thống Để khắc phục vấn đề này, thay điều khiển PI điều khiển thông minh dựa lý thuyết tập mờ đề xuất Điều khiển mờ tự động hiệu chỉnh thông số điều khiển với khả thích ứng cao điều chỉnh tốc độ xác Chất lượng điều khiển thông minh khảo sát thông qua việc mô công cụ MATLAB-SIMULINK điều kiện khác thay đổi đột ngột tốc độ mô-men tải Kết mô cho thấy chất lượng điều khiển đề xuất tốt so với điều khiển PI thông thường iv ABSTRACT AC motors, particularly the squirrel-cage induction motor (SCIM), enjoy several inherent advantages like simplicity, reliability, low cost and maintenance, induction motors have many applications in the industries The speed control of induction motor is more important to achieve maximum torque and efficiency Various speed control techniques like V/f Control, Direct Torque Control and Field Oriented Control are discussed in this thesis Field Oriented Control drives provide the best speed and torque regulation available for AC motors It provides DC like performance for AC motors, and is well suited for typical DC applications Traditional Indirect Field Oriented Control system of induction motor introduces conventional PI regulator in outer loop; it is proved that the low precision of the speed regulator debases the performance of the whole system To overcome this problem, replacement of PI controller by an intelligent controller based on fuzzy set theory is proposed The fuzzy control can realize the automatic adjustment of the control parameter, with strong adaptability and good speed governing The performance of the intelligent controller has been investigated through simulation using MATLAB-SIMULINK package for different operating conditions such as sudden change in reference speed and load torque The simulation results demonstrate that the performance of the proposed controller is better than that of the conventional PI controller iv MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt v Abstract iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách hình vii Danh sách bảng viii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Một số cơng trình nghiên cứu có liên quan 1.3 Định hướng đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ luận văn 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 1.3.3 Kết mong muốn đạt Chƣơng MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 2.1 Mơ hình tốn ĐCKĐB chế độ xác lập 10 2.2 Mô hình động động khơng đồng 12 2.3 Các phương trình tốn học 14 2.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ stator 16 2.5 Mơ hình trạng thái động hệ trục quay dq 20 2.5.1 Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ 20 2.5.2 Mơ hình trạng thái động hệ trục quay dq 22 v Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 Điều khiển động cách thay đổi nguồn áp (V/f) 25 3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động (DTC Direct torque trol) 29 3.3 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC - Field Oriented Control) 29 3.3.1 Đại cương phương pháp FOC 29 3.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 34 3.3.3 Xây dựng cấu trúc điều khiển đại IFOC Matlab/Simulink 37 Chƣơng LÝ THUYẾT HỆ MỜ, ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ 4.1 Lý thuyết hệ mờ 47 4.1.1 Một số khái niệm 47 4.1.2 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ 49 4.1.3 Giải mờ 50 4.1.4 Bộ điều khiển mờ 52 4.2 Điều khiển PID - Mờ 54 4.2.1 Điều khiển PID truyền thống 54 4.2.2 Điều khiển PID - Mờ 56 4.3 Xây dựng điều khiển mờ FLC Simulink/Matlab 58 4.3.1 Cấu trúc điều khiển mờ FLC 58 4.3.2 Thiết lập thông số 58 Chƣơng MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 5.1 Mơ 63 5.2 Kết luận 73 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 6.1 Kết luận 74 6.2 Kiến nghị nghiên cứu 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT FOC - Field Oriented Control IFOC - Indirect Field Oriented Control DFOC - Direct Field Oriented Control DTC - Direct Torque Control FLC - Fuzzy Logic Controller SLC - Slide Mode Control VSC - Variable Structure Control ĐCKĐB - Động Cơ Không Đồng Bộ vi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Một số ứng dụng động khơng đồng Hình 1.2 Cấu trúc hệ điều khiển mờ Hình 2.1 Đặc tính tiêu biểu ĐCKĐB lớp A, B, C, D (Tiêu chuẩn NEMA – Mỹ) 10 Hình 2.2 Mơ hình ĐCKĐB 10 Hình 2.3 Hệ trục toạ độ abc hệ trục tọa độ αβ 12 Hình 2.4 Các vectơ sức từ động θ = ωt = 13 Hình 2.5 Các vectơ sức từ động θ = ωt = 600 13 Hình 2.6 Các thành phần lực từ động hệ trục tọa độ stator 13 Hình 2.7 Vec-tơ dịng stator hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay dq 17 Hình 2.8 Dịng điện stator is hệ tọa độ abc hệ tọa độ αβ 20 Hình 2.9 Vec-tơ khơng gian dịng stator hệ tọa độ αβ hệ tọa độ dq 21 Hình 3.1 Quan hệ moment điện áp theo tần số 27 Hình 3.2 Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng hở 28 Hình 3.3 Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng kín 28 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC 29 Hình 3.5 Sơ đồ khối phương pháp FOC 30 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp 31 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiế p 32 Hình 3.8 Cấu trúc đại hệ TĐĐ điều chỉnh tựa theo từ thơng 34 Hình 3.9 Vector dịng điện, điện áp, từ thông rotor hệ trục tọa độ (d, q) 35 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc đại phương pháp IFOC sử dụng khâu hiệu chỉnh PI truyền thống 37 vii Hình 3.11 Khối dị từ thơng 38 Hình 3.12 Bảng dị từ thơng thể mối quan hệ tốc độ từ thơng 39 Hình 3.13 Khối chuyển trục tọa độ (a; b; c) → (α; β) 39 Hình 3.14 Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (a; b; c) 40 Hình 3.15 Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (d; q) 40 Hình 3.16 Khối chuyển trục tọa độ (d; q) → (α; β) 41 Hình 3.17 Mơ hình tính tốn động 41 Hình 3.18 Mơ hình tính tốn đọng khung tham chiếu (α; β) 42 Hình 3.19 Mơ hình ước lượng hồi tiếp – tiếp dịng 43 Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc đại phương pháp IFOC sử dụng điều khiển mờ FLC 44 Hình 4.1 Hàm liên thuộc 47 Hình 4.2 Ví dụ logic mờ ứng dụng đo nhiệt độ 48 Hình 4.3 Cấu trúc hệ điều khiển mờ 52 Hình 4.4 Nguyên lý điều khiển mờ 53 Hình 4.5.Điều khiển PID truyền thống 54 Hình 4.6 Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 56 Hình 4.7 Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 57 Hình 4.8 Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 57 Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển mờ FLC 58 Hình 5.1 Đáp ứng ngõ DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC tốc độ định mức ω = 297,6rad/s, mô-men tải định mức TL = 50,4Nm thời điểm t = 1,2s cho điều khiển FLC PI truyền thống 66 Hình 5.2: Đáp ứng ngõ DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC tốc độ thay đổi ω = [148,8 297,6]rad/s, ứng với thời điểm t = [0 1,5]s, đặt tải TL=50,4Nm thời điểm t = 1s cho điều khiển FLC PI truyền thống 69 vii Hình 5.3: Đáp ứng ngõ DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC tốc độ thay đổi ω = [148,8 297,6]rad/s ứng với thời điểm t = [0 1,5]s, đặt tải TL=50,4Nm thời điểm t = 1s cho diều khiển FLC PI truyền thống 72 vii Chương Chương TỔNG QUAN Chương + Tốc độ đặt ωr = 0,3× ωrn = 89.29 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1s 69 Chương + Tốc độ đặt ωr = 0,5× ωrn = 148.8 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1s 70 Chương + Tốc độ đặt ωr = 0,8× ωrn = 238.08 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1.5s 71 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1.5s 72 Chương + Tốc độ đặt ωr = 1.2* ωr = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1.75s 73 Chương Trường hợp 2: TỐC ĐỘ ĐẶT LÀ ĐỊNH MỨC, THAY ĐỔI MÔ-MEN + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = (Nm) thời điểm 74 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mơ-men đặt Cr = 0.25×Crn = 12,6 (Nm) thời điểm t = 1.5s 75 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mơ-men đặt Cr = 0.5×Crn = 25,2 (Nm) thời điểm t = 1.5s 76 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = Crn = 50,4 (Nm) thời điểm t = 1.5s 77 Chương Chương KẾT LUẬN 78 Chương Chương 6: KẾT LUẬN 6.1.KẾT LUẬN Trong luận văn này, nguyên tắc tính hữu dụng logic mờ điều khiển mờ minh họa thông qua ứng dụng điều khiển thông minh hệ truyền động với cấp tốc độ khác Nghiên cứu ứng dụng logic mờ phát triển nhanh, với kết đầy hứa hẹn truyền động điện điện tử công suất tương lai Hệ thống phần cứng cho hệ mờ đamg phát triển, bao gồm bo mạch thực quy tắc mờ, thiết bị dùng cho suy luận mờ Những khó khăn việc sử dụng hệ mờ phải có kiến thức chuyên gia đối tượng điều khiển không chắn việc diễn tả cấu trúc ngơn ngữ cho quy trình điều khiển Đáp ứng tốc độ thu mô điều kiện vận hành khác tiến hành thay đổi tốc độ thay đổi tải Bộ điều khiển PI cổ điển thường cho đáp ứng tối ưu điều kiện giới hạn, điều khiển mờ mang lại hiệu tốt thời gian đáp ứng nhanh dòng điện khởi động thấp Bộ điều khiển mờ đề xuất đáp ứng tốc độ với độ vọt lố không vượt 2% Hệ thống truyền động sử dụng điều khiển mờ không bị ảnh hưởng thay đổi đột ngột tốc độ Vì vậy, đáp ứng tốt thường đạt với điều khiển mờ, điều khiển PI bị ảnh hưởng tốc độ đột ngột thay đổi tốc độ với sai số xác lập cao với dòng khởi động lớn Đáp ứng tốc độ bị ảnh hưởng điều kiện tải khác Đây nhược điểm điều khiển PI với điều kiện vận hành khác Đáp ứng mơmen xoắn cho gợn sóng nhỏ với điều khiển mờ cho gợn sóng lớn với điều khiển PI tương ứng Từ kết mô cho thấy hệ truyền động sử dụng điều khiển mờ FLC xử lý lỗi sai số tốc độ cách nhanh chóng, giảm tối đa độ vọt lố hạn chế sai số xác lập, đáp ứng hệ PI cổ điển sử dụng hệ truyền động nhanh điều khiển mờ  Các nội dung thực luận văn:  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển đại, đề xuất phương pháp điều khiển FOC 79 Chương  Nghiên cứu lý thuyết mờ, đề xuất điều khiển mờ thay cho khối điều khiển PI cổ điển nhằm tăng chất lượng điều khiển trình vận hành động  Mô hệ điều khiển động sử dụng Matlab-Simulink 6.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI  Tạo mã nhúng để đưa vào vi điều khiển nhằm đưa lý thuyết vào thực tiễn để kiểm chứng  Phát triển hệ truyền động động không đồng không dùng hồi tiếp tốc độ (sensorless), ước lượng tốc độ có sử dụng hệ logic mờ 80 TÀI LỆU THAM KHẢO Bimal K Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives”, Third impression, INDIA: Pearson Education, Inc., 2007 Minh Ta-Cao, J L Silva Neto and H Le-Huy, “Fuzzy Logic based Controller for Induction Motor Drives”, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Volume 2, Issue, 26-29 May 1996 M N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Fuzzy-Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225, September/October, 2002 Ned mohan, Tore M.Undeland and Wiliam P.Robbins,” Power Electronics”, New York, John Wiley & Sons, Press, 1998 F.Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new transvector closed-loop control system for rotating-field machine,” Siemens Rev., Vol.34, no.3, May 1972 H Sugimoto and S Tamai, “Secondary resistance identification of an Induction Motor Applied Model reference Adaptive Systems and its Characteristics”, IEEE Trans on Ind Appl., Vol IA-23, No.1, Mar/Apr, 1987 C Y Won and B K Bose, “An induction Motor servo Systems with Improved Sliding Mode Control”, in Proc IEEE IECON’92 T L Chern and Y C Wu, “Design of Integral Variable Structure Controller and Applications to Electro Hydraulic Velocity Servo Systems”, Proc In Elec Eng., Vol 138, no 5, Sept 1991 J C Hung, “Practical Industrial Control techniques”, in Proc IEEE IECON’94 10 M Nasir Udin,Tawfik S.Radwan,and M.Azizur Rahman,“ Performance of FuzzyLogic-Based Indirect vector control for induction motor drive,”IEEE Transaction on Industry Applications,vol.38,no.5,September/October 2002 11 http://www.mathworks.com/ (The official site for MATLAB&SIMULINK as well as Fuzzy Logic Toolbox) 81 TÀI LỆU THAM KHẢO Bimal K Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives”, Third impression, INDIA: Pearson Education, Inc., 2007 Minh Ta-Cao, J L Silva Neto and H Le-Huy, “Fuzzy Logic based Controller for Induction Motor Drives”, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Volume 2, Issue, 26-29 May 1996 M N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Fuzzy-Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225, September/October, 2002 Ned mohan, Tore M.Undeland and Wiliam P.Robbins,” Power Electronics”, New York, John Wiley & Sons, Press, 1998 F.Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new transvector closedloop control system for rotating-field machine,” Siemens Rev., Vol.34, no.3, May 1972 H Sugimoto and S Tamai, “Secondary resistance identification of an Induction Motor Applied Model reference Adaptive Systems and its Characteristics”, IEEE Trans on Ind Appl., Vol IA-23, No.1, Mar/Apr, 1987 C Y Won and B K Bose, “An induction Motor servo Systems with Improved Sliding Mode Control”, in Proc IEEE IECON’92 T L Chern and Y C Wu, “Design of Integral Variable Structure Controller and Applications to Electro Hydraulic Velocity Servo Systems”, Proc In Elec Eng., Vol 138, no 5, Sept 1991 J C Hung, “Practical Industrial Control techniques”, in Proc IEEE IECON’94 10 M Nasir Udin,Tawfik S.Radwan,and M.Azizur Rahman,“ Performance of FuzzyLogic-Based Indirect vector control for induction motor drive,”IEEE Transaction on Industry Applications,vol.38,no.5,September/October 2002 11 http://www.mathworks.com/ (The official site for MATLAB&SIMULINK as well as Fuzzy Logic Toolbox) 81 ... tìm hiểu, áp dụng kỹ thuật điều khiển đại FOC cho hệ truyền động động không đồng pha Do học viên thực luận văn định thực đề tài: ? ?Ứng dụng trí tuệ nhân tạo điều khiển động không đồng ba pha”... văn Tìm hiểu phương pháp điều khiển đại điều khiển động không đồng ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC (Field Orientated Control) Tìm hiểu, ứng dụng hệ logic mờ điều khiển động không đồng. .. rung b/ Ứng dụng bơm chân không Chương c/ Ứng dụng Máy khử từ d/ Ứng dụng bơm Pít-tơng Hình 1.1: Một số ứng dụng động không đồng Những ưu điểm biết đến động không đồng pha như:  Cấu tạo đơn