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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH: TB MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Lương Văn Minh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/03/1986 Nơi sinh: T.T.Huế Quê quán: Hương Xuân – Hương Trà – T.T.Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 215 Bùi Thị Xuân, P1, Q Tân Bình, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại quan: 01683091004 Điện thoại nhà riêng: Fax: minh.nguyen.dkc@gmail.com E-mail: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 9/ 2010 Nơi học (trường, thành phố): TP Hồ Chí Minh Ngành học: Điện khí hóa cung cấp điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy đo công suất tác dụng công suất phản kháng thị kim dùng IC MCP3905 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 1/2010 trường ĐH SP KT TP.HCM Người hướng dẫn: TS Trương Việt Anh i Luan van III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2010-3/2011 Trường CĐN Đồng Nai Giáo viên 3/2011-9/2011 Trường ĐH SPKT TP.HCM Học viên 9/2011 đến Trường ĐH SPKT TP.HCM Học viên Trường CĐKT Cao thắng Giáo viên i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Lương Văn Minh ii Luan van 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 cơng 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 thơng 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 Luan van 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 Luan van 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 MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 2.1 Mơ hình tốn ĐCKĐB chế độ xác lập 10 2.2 Mơ 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 Luan van 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 thơng số 58 Chƣơng MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 5.1 Mô 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = 0.5×Crn = 25,2 (Nm) thời điểm t = 1.5s 76 Luan van 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 Luan van Chương Chương KẾT LUẬN 78 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van Luan van ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH:... tìm hiểu, áp dụng kỹ thuật điều khiển đại FOC cho hệ truyền động động khơng 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