NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẠT HƯNG YÊN

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐÀO TẠO : KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU

KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Khắc Hanh

Nguyễn Thị Phương Trang Giáo viên hướng dẫn : Ths Phạm Đức Hùng

Ths Đỗ Công Thắng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu tất yếu đối với tất cả các máy sản xuất Hầu hết các máy sản xuất đều yêu cầu có nhiều tốc độ tùy theo từng công việc và điều kiện làm việc khác nhau mà ta lựa chọn tốc độ phù hợp để tối ưu hóa quá trình sản xuất

Động cơ điện một chiều là một đối tượng điều khiển thường gặp trong thực tế

nó được ứng dụng phổ biến trong: công nghiệp, dân dụng, quốc phòng, rôbôt Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều trong công nghiệp điều khiển và giám sát chiếm vai trò rất quan trọng Hệ thống điều khiển vòng kín giúp cho động cơ được điều khiển với tốc độ yêu cầu một cách ổn định

Bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều có thể sử dụng nhiều loại điều khiển khác nhau như: điều khiển mờ, PID tương tự, PID số, điều khiển theo phương pháp đặt cực, quan sát trạng thái, điều khiển tối ưu, LQG Thiết kế bộ điều khiển PI-

Mờ điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều là một bài toán đang được sử dụng rất hiệu quả

Chính vì vậy chúng em được giao đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển mờ trượt điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều “ và đã hoàn thành đề

tài với với nội dung gồm 5 chương chính như sau:

Chương 1: Động cơ điện một chiều và kỹ thuật điều khiển

Chương 2: Lý thuyết điề khiển mờ

Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương 4: Giải thuật chương trình

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Rất mong thầy cô và các bạn góp ý kiến để nội dung đề tài tốt nghiệp của chúng

em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn và các thầy cô trong Khoa Điện- Điện tử, người thân, bạn bè chúng em đã hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy

định

Để đạt được kết quả này chúng em xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn:

Th.s Phạm Đức Hùng và Th.s Đỗ Công Thắng đã luôn theo dõi, chỉ bảo tận tình,

góp ý kiến cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Bên cạnh đó chúng em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện- Điện tử đã luôn nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân cùng bạn bè đã tin tưởng, ủng hộ, và góp ý kiến xây dựng để nội dung đề tài ngày càng hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, ngày 10 tháng 8 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Khắc Hanh Nguyễn Thị Phương Trang

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cực từ chính

Hình 1.3: Phiến góp và cổ góp

Hình 1.4 : Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 1.5: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

Hình 1.7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ Hình 1.8: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

Hình 1.9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 1.10 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng

Hình 1.11 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện 1 chiều

Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện 1 chiều theo không gian trạng thái

Hình 1.14 : Đường đặc tính gần đúng của đối tượng

Hình 1.15: Đặc tính tốc độ của đối tượng bằng thực nghiệm

Hình 1.16: Đặc tính động học của đối tượng

Hình 2.1 Các thuật ngữ trong logic mờ

Hình 2.2 Miền các giá trị ngôn ngữ

Hình 2.3 Giải mờ bằng phương pháp cực đại

Hình 2.4 Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm

Hình 2.5 Bộ điều khiển MISO

Hình 2.6 Nguyên lý bộ điều khiển

Hình 2.7 Bộ điều khiển mờ trượt có 3 đầu vào

Hình 2.8 Định nghĩa các tập mờ cho biến vào / ra bộ điều khiển mờ trượt Hình 2.9 : Hệ thống điều khiển mờ I Đối tượng là khâu quá tính bậc nhất Hình 2.10 : Hệ thống điều khiển mờ PD Đối tượng là khâu quá tính bậc nhất Hình 2.11 : Hệ thống điều khiển mờ PI Đối tượng là khâu quá tính bậc nhất Hình 3.1: Cấu trúc chung mạch phần cứng

Hình 3.2: Khối nguồn điều khiển

Hình 3.3: Khối nguồn động lực

Hình 3.4: Hình dạng và sơ đồ chân LM7805

Hình 3.5: Khối dao động thạch anh

Hình 3.6: Khối vi điều khiển trung tâm

Hình 3.7: Sơ đồ chân của PIC 18F4431

Hình 3.8: Giao diện phần mềm nạp Pickit 2

Hình 3.9: Khối hiển thị LCD 16*2

Hình 3.10: Màn hình LCD thực tế

Hình 3.11: Khối nút bấm điều khiển

Hình 3.12 : Khối giao tiếp máy tính Max232

Hình 3.13: Cấu tạo cổng COM

Hình 3.14: Mạch động lực

Hình 3.15: Hình dạng và cấu tạo của IRF540

Hình 3.16: Hình dạng thực tế của B562

Hình 3.17: Hình dạng thực tế của D468

Hình 3.18: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển

Hình 3.19: Sơ đồ in mạch điều khiển

Hình 3.20: Mạch thi công mạch điều khiển

Hình 3.21: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch RS232

Hình 4.2: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của ET bằng tập mờ

Hình 4.3: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của DET bằng tập mờ

Hình 4.4: Mô tả các giá trị ngôn ngữ của bằng tập mờ

Hình 4.5: Giao diện điều khiển bằng Visual Basic

Hình 4.6 Đáp ứng của đối tượng khi có bộ điều khiển bằng thực nghiệm

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng luật hợp thành bộ điều khiển mờ trượt

Bảng 3.1 Thông số của IRF540

cơ và năng suất làm việc Có rất nhiều phương pháp điều khiển tốc độ và ổn định tốc

độ động cơ điện một chiều

Ngay từ khi mới ra đời vào những năm đầu của thập kỷ 90, chuyên ngành điều khiển mờ đã được phát triển mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu trong lĩnh vực điều khiển Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác , điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin “ không chính xác” hay không đầy đủ là đã đưa ra những quyết định chính xác

Bên cạnh đó sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số, các hệ thống điều khiển dần dần tự động hóa Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển , thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước

Để đáp ứng yêu cầu điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ, có nhiều phương pháp thực hiện, tuy nhiên nhóm nhận thấy phương pháp kết hợp điều khiển mờ và vi điều khiển là phương pháp mới, khả năng ổn định tốc độ tốt Vì vậy được sự đồng ý của khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển mờ trượt

điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.”

Chúng em đã có thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện đề tài đến nay đã hoàn thành các nội dung đề tài yêu cầu

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển mờ trượt điều khiển, ổn định tốc độ của động cơ điện một chiều công suất nhỏ

3 Đối tƣợng và khách thể

 Đối tượng: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển mờ trượt điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều “

 Khách thể: Động cơ điện một chiều công suất nhỏ

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Với nội dung đề tài chúng em đi tìm hiểu và nghiên cứu những nội dung sau:

- Tìm hiểu về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

- Mô hình toán học động cơ điện một chiều

- Tìm hiểu về luật điều khiển mờ và PID

- Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 18F4431 phần cứng và các tập lệnh điều khiển

- Hoàn thiện sản phẩm đảm bảo yêu cầu mỹ thuật và kỹ thuật

5 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

- Giới hạn: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển mờ trượt điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.”

- Phạm vi nghiên cứu: động cơ điện một chiều công suất nhỏ

6 Phương pháp nghiên cứu

 Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Phương pháp phân tích – tổng hợp

- Phương pháp giả định, giả thuyết

 Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp hỏi ý kiến

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

1.1 Động cơ điện một chiều

1.1.1 Khái niệm chung

Hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc và điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau để tối ưu hóa quá trình sản xuất Muốn có được các tốc độ yêu cầu khác nhau trên ta có thể thay đổi cấu trúc của máy

như: tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của chính động cơ truyền động Ở đây chúng em chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động cơ truyền động

Có rất nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh tham số

- Điều chỉnh điện áp nguồn

- Điều khiển cấu trúc sơ đồ

Tốc độ của động cơ do người điều khiển quy định gọi là tốc độ đặt Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ có thể thay đổi vì tốc độ động cơ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: thông số nguồn, mạch và tải nên các thông số thay đổi thì tốc độ động cơ

sẽ bị thay đổi theo Tình trạng đó có thể gây nên sai số về tốc độ không cho phép Để khắc phục tình trạng đó người ta dùng các phương pháp ổn định tốc độ

Độ ổn định của động cơ còn ảnh hưởng quan trọng đến dải điều chỉnh (phạm vi điều chỉnh tốc độ) và khả năng quá tải của động cơ Độ ổn định càng cao thì dải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và mômen tải càng lớn

1.1.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại và phương trình cơ bản của động

cơ điện một chiều

ông từ: Làm mạch dẫn từ, nối liền các cực từ chính và phụ, đồng thời làm vỏ

máy Máy nhỏ và vừa gông từ làm bằng thép tấm, máy lớn làm bằng thép đúc

ác bộ phận khác:

- N

ắp máy: che chắn bảo vệ khỏi các vật ngoài rơi vào máy và làm giá đỡ ổ bi

than được cố định trên nắp máy

lượng điện từ, là bộ phận sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Nó được phân bố trong các rãnh của lõi thép phần ứng

cơ khí

1.1.2.2 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều

Hình 1.4 : Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Một khung dây abcd hai đầu nối với 2 phiến góp, đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu N-S, hai chổi điện A và B đặt cố định và tỳ sát lên trên 2 phiến góp

Đặt điện áp một chiều U vào hai chổi than A, B Khi đó trong dây quấn phần

roto quay Chiều quay của roto cùng chiều với lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau đo đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều của lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Theo định luật cảm ứng điện từ trong các thanh dẫn ab và cd cắt các đường sức

từ trường sẽ cảm ứng được một s.đ.đ:

e = B.l.v (v) (1.1) Trong đó:

B: là từ cảm của nam châm N-S (T)

l: là chiều dài của thanh dẫn (m)

v: là vận tốc dài của thanh dẫn (m/s)

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

Mđt =Iư = KIư (1.2) Trong đó :

: số đôi cực của động cơ

: số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

: hệ số kết cấu của máy

1.1.2.3 Phân loại

Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại như sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

Ta thấy muốn điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi các thông số

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Hình 1.5: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi

từ thông

của mạch từ sẽ thay đổi Ta được:

+ Tốc độ không tải: = = var

+ Độ cứng đặc tính cơ: = = var

Hình 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

Đặc điểm:

- Do cấu trúc của máy, nên thực tế chỉ sử điều chỉnh giảm từ thông

- Khi từ thông giảm thì tốc độ không tải tăng dần (< <<…)

- Độ cứng đặc tính cơ giảm nên phương pháp này để tăng tốc độ >

+ Do việc điều chỉnh đựơc thực hiện ở mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ hơn rất nhiều so với mạch lực, nên công suất tổn hao ít Đây là ưu điểm nổi bật của ĐCĐMC so với các loại động cơ khác

+ Phương pháp này chịu ảnh hưởng của hiện tượng từ dư và các nhiễu, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của các hệ truyền động đảo chiều bằng kích từ

+ Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi do không thể đổi chiều và chịu hồ quang điện, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là momen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh Do đó giá trị lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện

+ Do điều kiện đổi chiều, các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này nhưng phải dùng thêm những phương pháp khống chế đặc biệt khác, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp khiến giá thành của máy tăng cao

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ điện trở phụ R f

Hình 1.7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ

+ Đặc tính cơ là: = M

+ Độ cứng đặc tính cơ: =

Hình 1.8: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

đặc tính cơ càng dốc tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi cũng như trên giao điểm

chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ

D =

- Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện ngắn

được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

đơn giản Tuy nhiên khi tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng U ƣ

Hình 1.9: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

- Nếu giữ = đm = const, R ư= const và thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta được :

+ Tốc độ không tải: = = var

+ Độ cứng đặc tính cơ: == const

Hình 1.10 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp phần ứng

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta được một họ đặc tính

cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên và có độ cứng đặc tính cơ là không đổi, trong đó đường đặc tính cơ tự nhiên là là đặc tính cơ lúc vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông đạt giá trị định mức và không nối thêm điện trở, điện kháng vào động cơ)

Khi giảm điện áp phần ứng đặt vào động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm (Inm= < Inmđm), momen ngắn mạch của động cơ ( Mnm = K.Inm) cũng sẽ giảm Và do vậy tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

> >>

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cho phép điều chỉnh dưới tốc độ định mức (Vì không thể tăng cao hơn điện áp định mức của động cơ điện) Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại

Điện áp phần ứng động cơ có thể điều khiển bằng cách sử dụng :

- Máy phát điện DC (Hệ máy phát – động cơ)

- Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC – DC)

- Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC – DC)

1.2.4 Phương pháp điều khiển độ rộng xung (PWM)

Có rất nhiều phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều như đã trình bày ở trên Nhưng trong trường hợp này ta quan tâm đến phương pháp thay đổi điện áp phần ứng sử dụng PWM

Phương pháp PWM_điều chế độ rộng xung là phương pháp hay được sử dụng nhất đặc biệt là trong tự động hóa, robot bởi nó đơn giản, dễ thực hiện và đảm bảo thay đổi trơn tốc độ động cơ Chúng ta sẽ chỉ đi nghiên cứu phương pháp này

Điều khiển độ rộng của xung được làm bằng cách tắt bật nhanh nguồn điện đặt lên động cơ Nguồn áp 1 chiều sẽ chuyển thành tín hiệu xung vuông, thay đổi từ 12V (24V) xuống 0V, bản chất của phương pháp này là thay đổi điện áp trung bình đặt vào động cơ

Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của tín hiệu (thay đổi độ rộng xung – PWM), tức là khoảng thời gian “Bật” ton, điện áp trung bình đặt lên động cơ sẽ thay đổi và dẫn đến thay đổi tốc độ

Với phương pháp này chúng ta có thể có hai cách để thực hiện đó là dùng “phần cứng” hoặc “phần mềm” để tiến hành điều chế xung

1.3 Mô hình hóa động cơ điện một chiều

1.3.1 Mô tả mô hình ĐCĐMC bằng phương trình vi phân

Hình 1.11 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Theo sơ đồ ta có :

Uư : là điện áp phần ứng (V) : là tốc độ động cơ (rad/s)

Eư : là sức điện động phần ứng (V) Mt : là mômen tải (Nm)

Rư : là điện trở phần ứng (Ω) f : là hệ số ma sát (Nms)

Lư : là điện cảm phần ứng (H) J : là mômen quán tính (Kgm2)

Iư : là dòng điện phần ứng (A)

- Áp dụng định luật Kirchoff cho mạch điện phần ứng ta có:

Uư(t) = iư(t)Rư + Lư + Eư(t) (1.3) Mômen điện từ kéo phần ứng động cơ quay quanh trục , các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng một sức điện đông Eư được xác định theo biểu thức :

Eư(t) = K(t) (1.4) Trong đó:

: là từ thông kích từ dưới mỗi cực (wb)

: là tốc độ góc (rad/s)

K : hệ số cấu tạo của động cơ

Ta cũng có thể xác định sức điện động của động cơ thông qua tốc độ quay n(vòng/phút) theo biểu thức sau :

- Áp dụng định luật Newton cho chuyển động quay của trục động cơ ta có:

M(t) = Mt(t) + f(t) + J

- Chuyển sang Laplace: M(p) - Mt(p) = f(p) + pJ(p) (1.10) Mặt khác ta lại có: M(p) = Ciư(p) (1.11) Suy ra ta có : (p) (1.12) Tc = : Hằng số thời gian cơ điện của động cơ

Từ (1.8),(1.9),(1.10),(1.11),(1.12) ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc đối tượng là động

cơ điện một chiều:

Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện 1 chiều

Khi không có tải ta có Mt = 0 Hàm truyền ĐCĐMC được tính như sau :

G(p) Hàm truyền của hệ hở :

G(p) Suy ra ta được hàm truyền của đối tượng ĐCĐMC là:

1.3.3 Xây dựng mô hình ĐCĐMC theo không gian trạng thái (KGTT)

+ Từ hàm truyền của đối tượng ĐCĐMC (1.13) ta thành lập sơ đồ cấu trúc của ĐCĐMC như sau :

Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện 1 chiều theo không gian trạng thái

Từ sơ đồ cấu trúc trên thành lập hệ phương trình như sau:

Hình 1.14 : Đường đặc tính gần đúng của đối tượng

* Tín hiệu vào U(t) = 1(t) là hàm bậc thang đơn vị và theo biến đổi Laplace thì (1)

Tín hiê ̣u ra của qúa trình được mô tả bằng phương trình

:trong đó là thời gian trễ

Chuyển chương trình sang da ̣ng toán tử Laplace:

Trong trong đó là hàm quá đô ̣ của nhiê ̣t đô ̣ được xác đi ̣nh dựa vào đă ̣c tính gần đúng của đổi tượng Từ đó có ảnh của Laplace

* Vậy tín hiê ̣u ra: Theo đi ̣nh nghĩa ta có hàm truyền đa ̣t của đối tương

Vâ ̣y đối tượng là khâu quán tính bậc nhất

 Cách xác định tham số cho mô hình:

Ta có - là thời gian trễ của đối tượng

Dựa trên (hình 2.12) ta có cách xác đi ̣nh tham số T gần đúng như sau:

1) Kẻ đường tiệm cận với y tại t để có y(), sau đó suy ra k =

2) Xác định điểm có tung độ bằng 0,623 y() của y

3) Hoành độ của điểm vừa xác định đó chính là tham số T cần tìm

 Bằng phương pháp thực nghiệm và qua nhiều lần làm thí nghiệm bằng mô hình thực tế chúng em đã đo được các thông số trên cơ sở đó tìm hàm truyền của hệ thống: Đây lầ hình ảnh lấy từ máy tính kết nối với động cơ dùng phần mềm Visual Basic

Hình 1.15: Đặc tính tốc độ của đối tượng bằng thực nghiệm (ứng với Duty=600)

Từ những thông số thu được ta xác định được hàm truyền theo cách xác định tham

số cho mô hình là ta biết đây là khâu quán tính bậc nhất dạng:

Theo hình 1.15 thì kU = 1380 , với duty = 600 ta có:

T là khoảng thời gian cần thiết sau để tiếp tuyến của h(t) tại điểm = 0(s) đạt được giá trị K Khi đó T =2,5 (ms) = 0,025s

Qua kết quả đó đối tượng có hàm truyền là:

Kiểm tra lại bằng chương trình mô phỏng Matlab ta được đặc tính động cơ như sau:

Hình 1.16: Đặc tính động học của đối tượng

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1 Lý thuyết điều khiển mờ

2.1.1 Giới thiệu về Logic Mờ ( Fuzzy Logic )

Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, bang California - Mỹ Từ đó lý thuyết mờ đã được phát triển

và ứng dụng rộng rãi

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronic vào

1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực Tự động hoá logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được

2.1.2 Một số khái niệm cơ bản

Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau :

Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các số

thực R, tập các số nguyên tố P={2,3,5, }… Những tập hợp như vậy được gọi là tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S chứa n

phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định được một giá trị y=S(x)

Giờ ta xét phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô : chậm, trung

bình, hơi nhanh, rất nhanh Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu km/h, như vậy từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h – 20km/h chẳng hạn Tập hợp L={chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh} như vậy được gọi là một tập các biến ngôn ngữ Với mỗi thành phần ngôn ngữ x k của phát biểu trên nếu nó nhận được một khả năng (x k ) thì tập hợp F gồm các cặp (x, (x k )) được gọi là tập mờ

2.1.2.1 Định nghĩa tập mờ, và các thuật ngữ liên quan

 Định nghĩa tập mờ

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là một

cặp giá trị (x, F (x)), với x X và F (x) là một ánh xạ :

F (x) : B  [0 1]

trong đó : F gọi là hàm thuộc , B gọi là tập nền

 Các thuật ngữ trong logic mờ

Hình 2.1 Các thuật ngữ trong logic mờ

- Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup F (x), trong đó supF (x) chỉ giá trị nhỏ nhất

trong tất cả các chặn trên của hàm F (x)

- Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn :

Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau :

Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy:

Hình 2.2 Miền các giá trị ngôn ngữ

Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị :

- Miền các giá trị ngôn ngữ :

N = { rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh }

Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ x=65km/h là:

+ Theo luật Max XY (b) = Max{ X (b) , Y (b) }

+ Theo luật Sum XY (b) = Min{ 1, X (b) + Y (b) }

+ Tổng trực tiếp XY (b) = X (b) + Y (b) - X (b).Y (b)

- Phép giao hai tập mờ: XY

+ Theo luật Min XY (b) = Min{ X (b) , Y (b) }

+ Theo luật Lukasiewicz XY (b) = Max{0, X (b)+Y (b)-1}

+ Theo luật Prod XY (b) = X (b).Y (b)

- Phép bù tập mờ: (b) = 1-  X (b)

2.1.3 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ

2.1.3.1 Mệnh đề hợp thành

Ví dụ điều khiển mực nước trong bồn chứa, ta quan tâm đến 2 yếu tố:

+ Mực nước trong bồn L = {rất thấp, thấp, vừa}

+ Góc mở van ống dẫn G = {đóng, nhỏ, lớn}

Ta có thể suy diễn cách thức điều khiển như thế này:

Nếu mực nước = rất thấp Thì góc mở van = lớn

Nếu mực nước = thấp Thì góc mở van = nhỏ

Nếu mực nước = vừa Thì góc mở van = đóng

Trong ví dụ trên ta thấy có cấu trúc chung là “Nếu A thì B” Cấu trúc này gọi là mệnh đề hợp thành, A là mệnh đề điều kiện, C = A B là mệnh đề kết luận

Định lý Mamdani:

“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện”

Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề suy diễn có dạng tổng quát như sau:

If N = n i and M = m i and … Then R = r i and K = k i and …

2.1.3.2 Luật hợp thành mờ

Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành

Các luật hợp thành cơ bản

+ Luật Max – Min

+ Luật Max – Prod

+ Luật Sum – Min

+ Luật Sum – Prod

a Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ SISO

Luật mờ cho hệ SISO có dạng “If A Then B”

Chia hàm thuộc A (x) thành n điểm x i , i = 1,2,…,n

Chia hàm thuộc B (y) thành m điểm y j , j = 1,2,…,m

Xây dựng ma trận quan hệ mờ R

R==

Hàm thuộc B’ (y) đầu ra ứng với giá trị rõ đầu vào x k có giá trị

B’ (y) = aT.R , với aT = { 0,0,0,…,0,1,0….,0,0 } Số 1 ứng với vị trí thứ k

Trong trường hợp đầu vào là giá trị mờ A’ thì B’(y) là:

B’ (y) = { l 1 ,l 2 ,l 3 ,…,l m } với l k =maxmin{a i ,r ik }

b Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MISO

Luật mờ cho hệ MISO có dạng:

“If cd 1 = A 1 and cd 2 = A 2 and … Then rs = B”

Các bước xây dựng luật hợp thành R:

 Rời rạc các hàm thuộc A1 (x 1 ), A2 (x 2 ),…, An (x n ), B (y)

 Xác định độ thoả mãn H cho từng véctơ giá trị rõ đầu vào x={c 1 ,c 2 ,…,c n } trong

đó c i là một trong các điểm mẫu của Ai (x i ) Từ đó suy ra

Hình 2.3 Giải mờ bằng phương pháp cực đại

 Nguyên lý trung bình: y’ =

 Nguyên lý cận trái : chọn y’ = y1

 Nguyên lý cận phải : chọn y’ = y2

b Phương pháp trọng tâm

Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục

hoành và đường B’ (y)

Công thức xác định :

y’ = trong đó S là miền xác định của tập mờ B’

Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min

Giả sử có m luật điều khiển được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ k là B’k (y) thì với quy tắc Sum-Min hàm thuộc sẽ là B’ (y) = , và y’

được xác định :

y’ = (4.1)

trong đó M i = và A i = i=1,2,…,m

Hình 2.4 Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm

Xét riêng cho trường hợp các hàm thuộc dạng hình thang như hình trên :

Đây là công thức giải mờ theo phương pháp độ cao

2.1.4 Bộ điều khiển mờ

2.1.4.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ

Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

Hình 2.5 Bộ điều khiển MISO

2.1.4.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.6 Nguyên lý bộ điều khiển

 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ

+ Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tích phân, vi phân …

+ Thiếp bị hợp thành : sự triển khai luật hợp thành R

+ Giao diện đầu ra gồm : khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng

2.1.4.3 Trình tự thiết kế bộ điều khiển mờ

 Các bước thiết kế:

B1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra

B2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá)

+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ

 Những lưu ý khi thiết kế BĐK mờ

- Không bao giờ dùng điều khiển mờ để giải quyết bài toán mà có thể dễ dàng thực hiện bằng bộ điều khiển kinh điển

- Không nên dùng BĐK mờ cho các hệ thống cần độ an toàn cao

- Thiết kế BĐK mờ phải được thực hiện qua thực nghiệm

 Phân loại các BĐK mờ

i Điều khiển Mamdani (MCFC)

ii Điều khiển mờ trượt (SMFC) iii Điều khiển tra bảng (CMFC)

iv Điều khiển Tagaki/Sugeno (TSFC)

2.3 Lý thuyết về điều khiển mờ trƣợt

Trong bộ thí nghiệm điều khiển quá trình, đối tượng phi tuyến bình mức, thực chất là điều chỉnh tốc độ động điện một chiều thực hiện chức năng bơm nước điều chỉnh bởi bộ điều chỉnh mờ 2 vị trí, 3 vị trí

Bộ điều khiển mờ trượt FSMC ( fuzzy sliding mode controller) hay bộ điều khiển mờ 2

vị trí ở chế độ trượt, là bộ điều khiển mang đặc tính động học tốt không quá nhạy đối với các biến đổi của đối tượng và đối với thiết kế mô hình không chính xác Với

khoảng chuyển đổi liên tục xác định theo đối tượng có f(y,y’)=0 như khâu tích phân kép và tích phân chủ đạo y0 là hằng số Thiết bị hợp thành bộ điều khiển mờ trượt gồm hai biến ngôn ngữ đầu vào x1 chỉ giá trị e và x2 chỉ giá trị e’ Biến ngôn ngữ đầu ra ký hiệu là y có cơ sở( miền giá trị vật lý) cùng với tín hiệu điều khiển u

Hình 2.7 Bộ điều khiển mờ trượt có 3 đầu vào

Thuật toán điều khiển mờ trượt gồm các bước:

 Bước 1:

- Chọn số đầu vào là 3, bao gồm x1= e’, x2=e, x3=e + e’

- Để chọn số hàm liên thuộc và kiểu hàm liên thuộc đầu vào ta làm như sau:

Chia hai nửa mặt phẳng trên và dưới đường chuyển đổi thành các miền liên thông (có thể chồng nhau) và định nghĩa các giá trị mờ trên các miền đó Vậy 2 đầu vào x1, x2 có 4 hàm liên thuộc kiểu trapmf

Hình 2.8 Định nghĩa các tập mờ cho biến vào / ra bộ điều khiển mờ trượt

- Phối hợp tập mờ các biến vào/ra bộ điều khiển trượt

Nhóm 1 Gồm các luật ứng với nửa mặt phẳng phía trên đường chuyển mức

BẢNG LUẬT HỢP THÀNH BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT

Bảng 2.1 Bảng luật hợp thành bộ điều khiển mờ trượt

Bước 3 Phương pháp giải mờ Dùng phương pháp điểm trọng tâm

Bước 4 Thiết kế và mô phỏng bằng Matlab

2.3 Lý thuyết về điều khiển mờ theo luật PID

2.3.1 Bộ điều khiển mờ theo luật PID

Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID được biết đến như là một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng lớn Định nghĩa về bộ điều khiển theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID Bộ điềukhiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai thuật toán:

- Thuật toán PID tốc độ

- Thuật toán chỉnh định PID mờ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào là sai lệch ET giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đầu vào, đạo hàm DET của sai lệch và tích phân IET của sai lệch Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t)

Mô hình toán học của bộ PID theo thuật toán chỉnh định có dạng:

(2.1)

Với thuật toán PID tốc độ , bộ điều khiển PID có 3đầu vào là sai lệch ET giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đầu vào, đạo hàm bậc nhất DET1 của sai lệch và đạo hàm bậc hai DET2 của sai lệch Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là đạo hàm của tín hiệu điều khiển u(t)

Mô hình toán học của bộ PID theo thuật toán tốc độ có dạng:

(2.2)

Do trong thực tế thường có một trong hai thành phần trong (2.1) và (2.2) được bỏ qua nên thay vì thiết kế bộ điều khiển PID hoàn chỉnh người ta lại thiết kế các bộ điều khiển PI với mô hình:

hoặc (2.3)

Hay bộ điều khiển PD với mô hình:

hoặc (2.4)