Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều

LỜI CAM ĐOAN Kính gửi :- Ban giám hiệu trường Đại học Hàng hải - Các thầy, cô Khoa Điện – Điện tử trường ĐHHH Việt Nam - Viện đàotạo sau đại học trường ĐHHH Việt Nam Em tên Nguyễn Thị Hồng Ngân, học viên lớp tự động hóa khóa 20132015/ đợt Em nhận đề tài luận văn: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động điện chiều” Em xin cam đoan rằng: Các nội dung luận văn em tự nghiên cứu trình bày hướng dẫn thầy PGS TS Trần Anh Dũng, phần tham khảo trích dẫn rõ ràng , khơng chép từ nghiên cứu người khác Nếu có gian dối nội dung luận văn, em xin chụi trách nhiệm trước Khoa, Nhà trường pháp luật Em xin chân thành cảm ơn Hải phòng, ngày tháng năm 2015 Người viết cam đoan KS Nguyễn Thị Hồng Ngân i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa - Khoa sau đại học - Trường Đại học Hàng hải, dạy dỗ hướng dẫn nhiệt tình thầy đến tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Trong trình làm luận văn, bên cạnh cố gắng nỗ lực không ngừng thân điều kiện vừa học tập, vừa cơng tác, tơi nhận nhiều ý kiến đóng góp từ thầy giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS TS Trần Anh Dũngngười trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ q trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa sau đại học thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử, Ban giám hiệu- Trường Đại học Hàng hải tạo điều kiện thuận lợi để giúp tơi hồn thành luận văn Song với thời gian kinh nghiệm hạn chế nên luận văn tránh khỏi khiếm khuyết, mong đóng góp ý kiến thầy, bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tác giả KS Nguyễn Thị Hồng Ngân ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH iv MỞ ĐẦU CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ .4 1.1 Những khái niệm điều khiển mờ 1.2 Cấu trúc điều khiển mờ 10 1.3 Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ CHƯƠNG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 24 2.1 Tổng quan động điện chiều 24 2.2 Điều khiển tốc độ động điện chiều 2.3 Mô điều khiển hệ thống Matlab CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG 45 3.1 Thiết kế, xây dựng mạch công suất .45 3.2 Đề xuất lưu đồ thuật toán xây dựng điều khiển mờ 3.3 Xây dựng điều khiển mờ miền thời gian thực 57 3.4 Xây dựng điều khiển mờ Matlab điều khiển động điện chiều KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Tên hình Miền xác định miền tin cậy tập mờ Phép hợp hai tập mờ có sở Hàm liên thuộc tập mờ không sở Phép giao hai tập mờ Giao hai tập mờ không sở Trang 9 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 Phép bù tập mờ Nguyên lý điều khiển mờ Cấu trúc điều khiển mờ Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err) Hàm thuộc biến đầu vào thay đổi sai lệch tốc độ 10 12 14 14 14 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 speed_err_var Hàm thuộc biến đầu pwm_var Mơ hình ma trận luật hợp thành Xác định giá trị rõ từ miền Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận phải Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận trái Mơ hình thực việc giải mờ Cấu tạo stato động điện chiều Cấu tạo roto động điện chiều Cấu tạo cổ góp động điện chiều Cấu tạo chổi than động điện chiều Mô tả nguyên lý làm việc động điện chiều Sơ đồ động điện chiều kích từ độc lập Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 15 18 19 19 20 20 25 26 27 27 28 29 31 2.8 độc lập Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 33 2.9 thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc 34 2.10 lập giảm từ thông Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 35 2.11 độc lập điện áp phần ứng thay đổi Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 36 2.12 2.13 2.14 độc lập điện áp phần ứng thay đổi Sơ đồ nguyên lý hệ xung áp – động Đồ thị đặc tính hệ xung áp – động Sử dụng chip mờ chuyên dụng điều khiển tốc độ động 37 38 39 iv 2.15 2.16 2.17 điện chiều Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập Mơ hình tốn động điện chiều kích từ độc lập Xây dựng hệ đánh dấu mơ hình động điện 41 42 43 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 chiều Mơ hình tốn động điện chiều Simulnk Đặc tính tốc độ động Đặc tính dịng điện động Xây dựng biến vào điều khiển Tạo hàm liên thuộc cho biến vào/ra Xây dựng luật điều khiển mờ View Rules cho phép kiểm tra lại kêt luật mờ xây 43 43 44 44 45 46 46 2.25 2.26 3.1 dựng Kiểm tra lại luật điều khiển View Surface Mơ hình hệ thống Simulink Sơ lược hệ thống sử dụng logic mờ điều khiển tốc độ 47 47 48 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 động điện chiều Sơ đồ khối mạch cấp nguồn Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC Sơ đồ chân Atmega8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 49 49 50 51 51 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Hình dạng IC L298N Nối song song hai mạch cầu H L298N Sơ đồ nguyên lý mạch công suất Động chiều thực điều khiển Mô hình encoder tương đối Hai kênh A B lệch pha encoder Thuật tốn thực chương trình Thuật tốn thực việc mờ hóa Thuật tốn xây dựng ma trận luật hợp thành Thuật toán thực giải mờ Chương trình điều khiển động điện chiều dùng 52 52 53 54 54 55 57 58 59 60 62 3.18 3.19 3.20 điều khiển mờ Mơ hình động điện chiều xây dựng imulink Đặc tính động điện chiều Điều khiển động điện chiều dùng điều khiển mờ 63 64 65 3.21 3.22 thay đổi tốc độ nhận tải Đặc tính tốc độ có tải động điện chiều Đặc tính chỉnh 66 67 v MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày khái niệm điều khiển mờ khơng cịn xa lạ trở nên phổ biến với tất người Rất nhiều thiết bị ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trở nên phổ biến có mặt nhiếu lĩnh vực công nghiệp dân dụng: sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, máy giặt, máy ảnh, y học… Nguyên nhân phát triển nhanh chóng điều khiển mờ dựa sở suy luận mờ, cho phép người điều khiển tự động hóa kinh nghiệm điều khiển họ cho trình, thiết bị… tạo điều khiển làm việc tin cậy thay họ song chất lượng điều khiển tốt người điều khiển làm Trong thực tế, điều khiển mờ có khả giải hệ thống có độ phức tạp cao, độ phi tuyến lớn, thay đổi thường xuyên trạng thái cấu trúc đối tượng Sự phát triển mạnh mẽ điều khiển mờ gắn liền với phát triển vượt bậc kỹ thuật vi xử lý – cầu nối quan trọng thiếu kết nghiên cứu lý thuyết mờ với ứng dụng thực tế Cùng với tiến khoa học kỹ thuật chứng kiến phát triển rầm rộ kể quy mơ lẫn trình độ sản xuất đại Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản công suất lớn, dễ vận hành , máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên, động điện chiều giữ vị trí định cơng nghiệp giao thơng vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù, so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp ưu điểm mà máy điện chiều thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản Động điện chiều ứng dụng phổ biến lĩnh vực kinh tế khoa học kĩ thuật luyện kim, công nghệ giấy số hệ thống khác, thường người ta cung cấp điện cho nhóm động từ biến đổi có điện áp khơng đổi, để thay đổi tốc độ động thường người ta thực việc thay đổi từ thơng kích từ Trong nhà máy cán thép, tàu điện ngầm cánh tay Robot Để thực nhiệm vụ công nghiệp điện tử với độ xác cao, lắp ráp dây chuyền sản xuất Vì hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động điện chiều kích từ độc lập đóng vai trị quan trọng việc nghiên cứu Bộ điều khiển mờ đời sở ứng dụng logic mờ, điều khiển thơng minh, đóng vai trị quan trọng hệ thống điều khiển đại, đáp ứng tốt tiêu kỹ thuật, tính bền vững ổn định cao, dễ thay đổi, dễ lập trình Vấn đề đặt thế, hướng nghiên cứu xây dựng đề tài tác giả nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động điện chiều kích từ độc lập Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài chọn: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động điện chiều” làm đề tài cho luận văn Thạc sĩ Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu điều khiển mờ - Xây dựng mơ hình điều khiển mờ điều khiển tốc độ động chiều Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu điều khiển mờ - Xây dựng lựa chọn phần cứng mô hình điều khiển mờ - Xây dựng hệ điều khiển mờ cho động điện chiều phần mềm MATLAB - Chế tạo, lắp đặt, kiểm tra, hiệu chỉnh thử nghiệm * Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc ứng dụng điều khiển mờ - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ động điện chiều kích từ độc lập Matlab & Simulink Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu cấu trúc động điện chiều kích từ độc lập, phân tích thiết kế điều khiển mờ, ứng dụng điều khiển mờ - Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để xây dựng mơ hình mơ động điện chiều kích từ độc lập Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học Đề tài tài liệu tham khảo hữu ích cho quan tâm đến ứng dụng điều khiển mờ điều khiển truyền động động điện chiều kích từ độc lập, cách thức thiết kế mơ Matlab Simulink * Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu đề tài góp phần hồn thiện phương pháp điều khiển khắc phục số nhược điểm phương pháp điều khiển kinh điển, nhằm giải vấn đề cấp bách nâng cao chất lượng điều khiển truyền động động điện chiều CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1 Các khái niệm điều khiển mờ Trong suy luận thông thường hay suy luận khoa học, suy luận logic toán học đóng vai trị quan trọng Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật với hai giá trị (1) sai (0) giải hết toán phức tạp chưa biết trước đặc tính đối tượng điều khiển Xuất phát từ yêu cầu thực tế lý thuyết điều khiển mờ đời Khái niệm logic mờ giáo sư Lotfi Zadeh trường đại học California - Mỹ đưa lần vào năm 1965 Cơng trình khai sinh ngành khoa học là: lý thuyết tập mờ thu hút ý nhiều nhà nghiên cứu công nghệ áp dụng vào ứng dụng thực tế như: sản xuất xi măng, y học giúp chuẩn đoán điều trị bệnh … Trong lĩnh vực điều khiển tự động, vai trò logic mờ ngày quan trọng, có nhiều ứng dụng thực điều khiển cách dùng logic mờ Ưu điểm lớn điều khiển mờ không cần biết trước đặc tính đối tượng điều khiển cách xác, so với điều khiển kinh điển hoàn toàn dựa vào thơng tin xác tuyệt đối đối tượng điều khiển, điều nhiều ứng dụng khơng thể có 1.1.1 Khái niệm tập mờ Tập mờ dựa sở từ tập kinh điển nên ta nhắc lại tập kinh điển trước Tập kinh điển tập có hai giá trị: (1) sai (0) đề cập Hàm liên thuộc tập thể mức độ phụ thuộc giá trị tập hợp [2], từ suy hàm liên thuộc tập kinh điển: x  A có độ phụ thuộc 1, cịn x  A có độ phụ thuộc Hàm liên thuộc tập hợp A ký hiệu  A ( x ) [2] 1 x  A  A ( x )  0 x  A (1.1) Trong logic mờ, hàm liên thuộc tập mờ không nhận giá trị mà toàn giá trị từ đến tức  B ( x ) 1 [2] Như vậy, logic mờ khơng có suy luận thuận ngược tập hợp kinh điển Vì định nghĩa tập mờ phải trình bày thêm hàm liên thuộc, vai trò của hàm liên thuộc làm rõ tập mờ Định nghĩa tập mờ [2]: tập mờ F xác định tập kinh điển M tập mà phần tử cặp giá trị (x, f(x)), x  M f ánh xạ  f : M  [0, 1] , ánh xạ f gọi hàm liên thuộc (phụ thuộc) tập mờ F Tập kinh điển M gọi sở tập mờ F 1.1.2 Các tính chất tập mờ [2] Độ cao tập mờ F (định nghĩa sở M) giá trị: H = sup f(x), x M (1.2) tập mờ có H = gọi tắc, H ln < khơng tắc Miền xác định tập mờ F (định nghĩa sở M) ký hiệu S, tập M thoả mãn S = { x  M; f(x) > 0} (1.3) Miền tin cậy tập mờ F (định nghĩa sở M), ký hiệu T, tập M thoả mãn T = {x M; f(x) = 1} (1.4) Hình 1.1 Miền xác định miền tin cậy tập mờ