Thiết kế bộ điều khiển cho tốc độ động cơ một chiều theo thuật toán logic mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG ISO 9001:2015 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP Sinh viên: PHẠM ĐÌNH THANH Giảng viên hướng dẫn: THS NGÔ QUANG VĨ HẢI PHÒNG - 2019 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU THEO THUẬT TỐN LOGIC MỜ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP Sinh viên: PHẠM ĐÌNH THANH Giảng viên hướng dẫn: THS NGƠ QUANG VĨ HẢI PHỊNG – 2019 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Phạm Đình Thanh - Mã SV: 1512102027 Lớp: DC1901 - Ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài: Thiết kế điều khiển cho tốc độ động chiều theo thuật toán logic mờ iii NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Địa điểm thực tập tốt nghiệp …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… iv CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên : Th.S Ngô Quang Vĩ Học hàm, học vị : Thạc Sĩ Cơ quan công tác : Trường Đại Học Quản Lý Công Nghệ Hải Phịng Nội dung hướng dẫn : Tồn đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Phạm Đình Thanh Th.S Ngơ Quang Vĩ Hải Phịng, ngày tháng năm 2019 Hiệu trưởng GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị v CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T T.N mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu…) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) vi CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giáo viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) vii MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1 Các khái niệm điều khiển mờ 1.2 Cấu trúc điều khiển mờ 10 1.3.Tổng hợp điều khiển mờ 20 CHƯƠNG Các phương pháp điều khiển động chiều 24 2.1 Tổng quan động điện chiều 24 2.2 Điều khiển tốc độ động điện chiều 31 CHƯƠNG Mơ hình mơ động chiều ứng dụng logic mờ 36 3.1 Mô điều khiển hệ thống Matlab 36 3.2 Mô phần mềm Matlab Simulink 43 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Miền xác định miền tin cậy tập mờ 1.2 Phép hợp hai tập mờ có sở 1.3 Hàm liên thuộc tập mờ không sở 1.4 Phép giao hai tập mờ 1.5 Giao hai tập mờ không sở 1.6 Phép bù tập mờ 10 1.7 Nguyên lý điều khiển mờ 12 1.8 Cấu trúc điều khiển mờ 14 1.9 Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err) 14 1.10 Hàm thuộc biến đầu vào thay đổi sai lệch tốc độ 14 speed_err_var 1.11 Hàm thuộc biến đầu pwm_var 15 1.12 Mơ hình ma trận luật hợp thành 18 1.13 Xác định giá trị rõ từ miền 18 1.14 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận phải 19 1.15 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận trái 19 1.16 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 20 1.17 Mơ hình thực việc giải mờ 20 2.1 Cấu tạo stato động điện chiều 25 2.2 Cấu tạo roto động điện chiều 26 2.3 Cấu tạo cổ góp động điện chiều 27 2.4 Cấu tạo chổi than động điện chiều 27 2.5 Mô tả nguyên lý làm việc động điện chiều 28 2.6 Sơ đồ động điện chiều kích từ độc lập 29 2.7 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 31 độc lập ix 2.8 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 33 thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 2.9 Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc 34 lập giảm từ thông 2.10 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ 35 độc lập điện áp phần ứng thay đổi 2.11 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động 36 3.1 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 41 3.2 Mơ hình tốn động điện chiều kích từ độc lập 42 3.3 Xây dựng hệ đánh dấu mơ hình động điện 43 chiều 3.4 Mơ hình tốn động điện chiều Simulnk 43 3.5 Đặc tính tốc độ động 43 3.6 Xây dựng biến vào điều khiển 44 3.7 Tạo hàm liên thuộc cho biến vào/ra 45 3.8 Xây dựng luật điều khiển mờ 46 3.9 View Rules cho phép kiểm tra lại kêt luật mờ xây 46 dựng 3.10 Kiểm tra lại luật điều khiển View Surface x 47 Khi Rf lớn, β nhỏ nghĩa đặc tính dốc Ứng với Rf = ta có đặc tính tự nhiên β tự nhiên có giá tị lớn nên có độ cứng tất đường đặc tính có điện trở phụ Như thay đổi Rf cho ta họ đặc tính sau: Hình 2.8 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Nếu giá trị điện trở Rf lớn tốc độ động giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch (Inm ) mô men ngắn mạch (Mnm ) giảm Phương pháp dùng để hạn chế dòng khởi động động Phương pháp điều khiển tốc độ đồng cách thay đổi từ thơng kích từ Ngun lý điều chỉnh: Phương pháp điều khiển tốc độ đồng cách thay đổi từ thơng kích từ động điện chiều thực điều chỉnh mô men điện từ động M = k.Φ.Iư sức điện động quay động Eư = k.Φ.ω Theo phương trình đặc tính ω = f(U, φkt , Rf ), thực giữ U = Uđm = const, Rư = const (Rf =0) lúc tốc độ động phụ thuộc vào từ thơng kích từ ω = f(Φkt) Vậy để điều chỉnh từ thơng kích từ Φkt ta thực mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ động cơ, điều chỉnh từ thơng kích từ Φkt ta phải tuân theo 32 điều kiện sau: khơng tăng dịng kích từ Ikt lớn dịng định mức cuộn kích từ Khi thay đổi tốc độ cách thay đổi từ thơng kích từ ta có: Tốc độ khơng tải lý tưởng động cơ: ω0 = U đm = var k  x (k  x ) Độ cứng đặc tính : β = = var Ru (2.14) (2.15) Do cấu tạo động điện, từ thơng kích từ: Φkt = Φđm bão hòa, muốn thực tăng dịng kích từ Ikt Φkt tăng khơng tăng đáng kể (do từ thơng bão hịa) nên thực tế thường ta điều chỉnh cách giảm từ thơng kích từ Φkt Khi từ thơng kích từ giảm tốc độ động (ωx )tăng, cịn độ cứng đặc tính (β) giảm Ta có đồ thị đặc tính (hình 2.9) với ω0 tăng dần độ cứng đặc tính giảm dần giảm từ thơng Hình 2.9 Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thơng Từ hình 2.9 ta thấy từ thơng kích tù thay đổi với Φđm > Φ1 > Φ2 ta có: Dịng điện ngắn mạch: Inm = U đm = const Ru Mô men ngắn mạch: Mnm = K.Φx.Inm = var (Mnm > Mnm1 >Mnm2) Từ đồ thị đặc tính (hình 2.9)ta thấy ω0 < ω01 < ω02 33 Phương pháp điều khiển tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng Từ phương trình đặc tính (2.7): ω = U Ru  R f  M k  (k  ) Thực điều chỉnh để giữ: Φ = Φđm = const, Rư =const, (Rf =0), M = const Lúc tốc độ động phụ thuộc vào điện áp phần ứng: ω = f(Uư) Khi thực thay đổi điện áp phần ứng động tốc độ khơng tải lý tưởng thay đổi, độ cứng đặc tính không đổi Tốc độ không tải lý tưởng động cơ: ω0 = Uu = var k  (2.16) Độ cứng đặc tính động cơ: β =  (k  ) = const Ru (2.17) Như thay đổi điện áp phần ứng động ta thu họ đặc tính hình 2.10 Hình 2.10 Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ độc lập điện áp phần ứng thay đổi Từ hình 2.10 ta thấy thay đổi điện áp phần ứng động ta họ đặc tính nhân tạo song song với đặc tính tự nhiên Cũng từ hình 2.10 ta thấy thay đổi điện áp phần ứng động mơmen ngắn mạch (Mnm), dòng điện ngắn mạch (Inm) động giảm tốc độ 34 động giảm Do phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng dùng để thực điều chỉnh tốc độ động hạn chế dòng khởi động Để thực điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng biến đổi để thực điều chỉnh điện áp đầu cấp cho mạch phần ứng động (hình 2.11) Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều lưới điện thành điện áp chiều với giá trị điện áp đầu điều chỉnh theo yêu cầu người điều khiển Kết luận : Sau phân tích ba phương pháp điều khiển tốc độ động điện tác giả thấy phương pháp điều khiển thay đổi điện áp phần ứng tốt Vì tác giả lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều cách thay đổi điện áp phần ứng làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài 35 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG 3.1 Mô điều khiển hệ thống Matlab 3.1.1 Xây dựng mơ hình hệ thống Xây dựng mơ hình động điện chiều Động sử dụng luận văn động chiều kích từ độc lập, thay đổi tốc độ thay đổi điện áp phần ứng Mơ hình động điện chiều thể hình 2.15: Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Cấu tạo động điện chiều: Phần ứng (Armature): U a : điện áp phần ứng i a : dòng điện phần ứng 36 R a : điện trở phần ứng L a : điện cảm phần ứng Phần kích từ hay phần cảm (Field) U f : điện áp kích từ i f : dịng điện kích từ R f : điện trở phần cảm L f : điện cảm phần cảm Các thơng số liện quan để xây dựng mơ hình động điện chiều T M : momen đầu trục động (Torque Moment) T L : momen tải (Torque Load) Bf : hệ số ma sát (Viscous Damping constant) θ : tốc độ đầu trục độngcơ (Velocity) J : số ( const ) Từ sơ đồ nguyên lý động điện chiều ta có phương trình động điện chiều [5]: u a (t )  ub (t )  ia (t ).Ra  La ub (t )  k b dia (t ) dt (2.21) d (t ) dt (2.22) TM (t )  K ia (t ).i f (t )  K T ia (t ) ( i f (t )  const ) (2.23) d (t )  Bf  (t ) dt (2.24) TM  TL (t )  J 37 Từ (2.21), (2.22), (2.23), (2.24) xây dựng mơ hình tốn động chiều hình 2.16 Hình 3.2 Mơ hình tốn động điện chiều kích từ độc lập Xây dựng mơ hình mơ động điện chiều Simulnk Xây dựng mơ hình mơ động chiều kích từ độc lập Simulink thể hình 2.17: Hinh 3.3 Xây dựng hệ đánh dấu mơ hình động điện chiều 38 Hình 3.4 Mơ hình tốn động điện chiều Simulnk Từ mơ hình mơ ta thu đặc tính tốc độ dịng điện động điện chiều hình 2.19, hình 2.20 Hình 3.5 Đặc tính tốc độ động 3.1.2 Mô điều khiển mờ MATLAB đáp ứng hệ thống Xây dựng điều khiển mờ sử dụng công cụ fuzzy logic toolbox simulink Theo lý thuyết xây dựng điều khiển mờ trình bày chương 1, thực xây dựng điều khiển mờ sử dụng công nghệ fuzzy toolbox logic sau: ZFIS Editor chương trình tạo lập điều khiển mờ bản, cho phép xác định số đầu vào, số đầu ra, đặt tên biến vào, biến ra, tạo lập soạn thảo hàm liên thuộc… FIS Editor gọi đánh dòng lệnh “Fuzzy” từ dấu nhắc MatLab 39 Theo yêu cầu mơ hình, ta thiết kế điều khiển mờ có hai biến đầu vào NG(negative- âm cực) PG(positive- dương cực) biến đầu du (hình vẽ 2.21) Hình 3.6 Xây dựng biến vào điều khiển Kích đúp biến để chuyển tới cửa sổ soạn thảo Membership Function Editor tạo hàm liên thuộc cho biến vào/ra hình 2.22: Hình 3.7 Tạo hàm liên thuộc cho biến vào/ra 40 Sử dụng Rule Editor để tạo bảng luật điều khiển cho điều khiển mờ Từ menu View, chọn Edit Rules để kích hoạt Rule Editor (hình vẽ 2.23) Hình 3.8 Xây dựng luật điều khiển mờ Thực kiểm tra lại hoạt động điều khiển mờ, ta vào menu View, chọn View Rules (hình 2.24) Hình 3.9.View Rules cho phép kiểm tra lại kêt luật mờ xây dựng 41 Tại ô Input, ta nhập giá trị biến đầu vào để quan sát giá trị biến đầu Để xem luật điều khiển không gian, chọn View Surface menu View (hình 2.25) Hình 3.10 Kiểm tra lại luật điều khiển View Surface 42 3.2 Mô phần mềm Matlab Simulink Chọn động chiều với thơng số hình: Tiếp đến ta nhập giá trị thông số động biến mô vào mfile Matlab sau : - Các thông số động : Pdm = 1100; % Cong suat dinh muc Udm = 180; % Dien ap dinh muc Idm = 7.3; % Dong dien dinh muc n = 1500; % Toc dinh muc [vong/phut] w = (2*pi*n)/60; % Toc goc [rad/s] Mdm = Pdm / w; % Momen dinh muc [N.m] Ra = 0.85 ; % Dien tro phan ung [ohm] La = 0.00315 ; % Dien cam phan ung [H] Ta = La/Ra ; % Thoi gian dap ung phan ung [s] 43 Kmphi=Mdm/Idm; Udk=5; J = 0.0028; % Momen quan tinh tai Kcl = Udm/Udk; Tcl = 0.001; Kephi = (60*Pdm)/(2*pi*n*Idm); % Tu thong khong doi %Tinh bo dieu khien dong dien Ri Ti1 = Ta; Kp1 = La/(2*Kcl*Tcl); %Tinh bo dieu khien toc Rw k = (Kephi)/(J); T2 = 2*Tcl; Ti2 = 4*T2; Kp2 = 1/(k*T2*2); Kết mô : Cài đặt khối Step : step time =1 ; initial value =300 ; final value = -200 Ban đầu động chạy với tốc độ 300rad/s, sau khoảng thời gian 1s , động đảo chiều quay với tốc độ 200rad/s Ta kết mô Đáp ứng tốc độ Nhận xét:Quá trình đảo chiều quay 1.2s để đảo chiều động giá trị đặt 44 KẾT LUẬN Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu với bảo tận tình hỗ trợ nhiều mặt thầy giáo Ths Ngô Quang Vĩ, đề tài: “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU THEO THUẬT TOÁN LOGIC MỜ ” Đã giải vấn đề sau: - Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ vào điều khiển tốc độ động điện chiều - Xây dựng điều khiển mờ phần mềm MATLAB - Xây dựng mơ hình ứng dụng điều khiển mờ thưc điều khiển tốc độ động điện chiều Trong trình làm đồ án, cố gắng kiến thức kinh nghiệm cịn hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo đóng góp thầy, giáo bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths Ngơ Quang Vĩ, người trực tiếp tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện cho em nghiên cứu, xây dựng thành cơng mơ hình hồn thành đồ án Em xin cám ơn thây cô giáo mơn điện cơng nghiệp trường ĐHDL Hải Phịng, bạn sinh viên lớp DC1901 đưa nhiều góp ý để hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng , ngày tháng năm 2019 Sinh viên thực THANH PHẠM ĐÌNH THANH 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Gia Hanh (Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu)( 2006) “Máy điện tập 2” Nhà xuất KHKT Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước(2004) “Lý thuyết điều khiển mờ” Nhà xuất KHKT Bùi Quốc Khánh (Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền)( 2006) “Truyền Động điện” Nhà xuất KHKT Nguyễn Phùng Quang (2004) “Matlab dùng cho kĩ sư điều khiển tự động” Nhà xuất KHKT Tiếng Anh Carlos Dualibe, M.( 2003).”Design of Analog Fuzzy Logic Controller in CMOS Technologies” Kluwer Academi Publisher Pierre Guillemin (1996).” Fuzzy Logic Applied to Motor Control” IEEE Transactions On Industry Applications Một số trang Web: http://www.dientuvietnam.net/forums http://www.thaieasyelec.net http://www.tailieu.vn 46 ... việc giải mờ 1.3 Tổng hợp điều khiển mờ 1.3.1 Các bước thiết kế điều khiển mờ Để thiết kế điều khiển mờ người thiết kế phải có đầy đủ kinh nghiệm điều khiển thực tế hệ thống định điều khiển Khi... có chiều quay khơng đổi 26 Phân loại động điện chiều Dựa theo phương pháp kích từ, động chiều có loại sau: Động chiều kích từ độc lập Động chiều kích từ song song Động chiều kích từ nối tiếp Động. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU THEO THUẬT TỐN LOGIC MỜ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI