(Luận văn thạc sĩ) sử dụng logic mờ để 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 HUỲNH THANH TUẤN SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH THANH TUẤN SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & Tên: Huỳnh Thanh Tuấn Giới Tính: Nam Ngày,tháng,năm sinh: 01/ 03/ 1986 Nơi Sinh: Đồng Nai Quê quán: Thạnh Phú – Vĩnh Cửu – Đồng Nai Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Ấp 6, xã Thạnh Phú, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai Điện thoại: 0946762434 Email: huynhtuan072@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ năm 2004 đến 2006 Trung cấp Nơi học (trường, thành phố): Trường kinh Tế Kỹ Thuật Nghiệp Vụ Nguyễn Tất Thành, Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Điện Cơng Nghiệp Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 08/2007 đến 08/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM i Ngành học: Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC TẬP CUNG CẤP ĐIỆN SỬ DỤNG RELAY ABB Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: tháng 07 năm 2011 Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007- 2011 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Đang theo học đại học Thuật Tp.HCM 2012-2013 Giảng dạy trường trung cấp Giáo viên Nguyễn Hữu Cảnh 2014 - 2015 Giảng dạy trường Đại Học Công Giảng viên Nghệ Đồng Nai ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp “sử dụng logic mờ điều khiển động không đồng bộ” tự thực hướng dẫn Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, kết số liệu hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối luận văn em đảm bảo khơng chép cơng trình hay luận văn tốt nghiệp người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Huỳnh Thanh Tuấn iii LỜI CẢM ƠN Kính thưa quý thầy cô, sau thời gian miệt mài nơi giảng đường, em q thầy tận tình dìu dắt, dạy dỗ ân cần truyền đạt cho em kiến thức bổ ích Hơm phải xa rời mái trường để tiếp bước vào đời với hành trang kiến thức mà quý thầy cô trang bị cho em, em vơ kính trọng biết ơn thầy làm cho em mà khơng ngại khó khăn vất vả Đặt biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA người tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên em suốt trình thực đề tài Với phương pháp làm việc khoa học, kinh nghiệm thực tiễn, thầy cho em lời khuyên quý báo để đồ án tốt nghiệp hoàn thành theo yêu cầu Em xin cảm ơn thầy cô, bạn học viên lớp Kỹ thuật điện, bạn bè đồng nghiệp, người thân gia đình tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ động viên, giúp đỡ em hoàn thành luận văn tiến độ đạt yêu cầu mục tiêu đề Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2015 Học viên Huỳnh Thanh Tuấn iv TÓM TẮT Động không đồng ba pha thiết bị chủ lực truyền động điện xoay chiều ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắn, vận hành tin cậy, bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ, hiệu suất cao…so với động chiều Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn, phức tạp động khơng đồng hệ phi tuyến mạnh cần thuật toán điều khiển chặt chẽ Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) có khả điều khiển độc lập từ thông moment, sử dụng phổ biến để điều khiển động Tác giả kết hợp tính ưu việt phương pháp điều khiển khác nhau, với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong luận văn thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng logic mờ điều khiển động không đồng bộ” thực Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số Kp Ki cố định) cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ (với thay đổi động thông số Kp Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động -IM) Các kết mô cho thấy hiệu phương pháp đề xuất v ABSTRACT Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their simple construction, much lower cost, lack of commutating elements, better power to mass ratio compared to the DC motors, which make them an attractive alternative in these applications However, the advantages above mentioned come with the very complicated, strongly coupled nonlinear dynamics, which requires putting in place sophisticated control algorithms in order to obtain good controlling Field Oriented Control (FOC), provides independent control of torque and flux method is being used popularly to control induction motor response improving Writer (author) combined other method’s advantage; together with high expection of wide & deep study of induction motor drivers In this Master thesis, the theme: ‘The application of Fuzzy Logic control of induction motor’ are presented With an aim of improving the PI normally control method (with parameter point of Kp and Ki) by proposed the PI Fuzzy hybrid control method (with variable parameter of Kp and Ki) Simulation results show the effectiveness of the proposed method vi MỤC LỤC Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh sách hình xi Danh sách chữ viết tắt xvi Danh sách bảng xvii Chương 1: TỔNG QUAN 01 1.1 Tổng quan đề tài 01 1.2 Các phương pháp điều khiển 02 1.2.1 Điều khiển vô hướng động không đồng (scalar) 02 1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 04 1.2.3 Điều khiển định hướng trường 06 1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 06 1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 07 1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường 08 1.2.7 Nhận xét 09 1.3 Những kỹ thuật tiên tiến 09 1.3.1 Điều khiển thông minh 09 1.3.2 Những kỹ thuật khác 11 1.4 Trình tự mơ động khơng đồng 12 vii 1.4.1 Xây dựng mơ hình tốn học động không đồng cho cấu trúc điều khiển 12 1.4.2 Kiểm tra thiết bị truyền động AC 13 1.4.3 Phương pháp điều khiển, xây dựng thiết kế điều khiển kèm 13 1.5 Định hướng 13 1.6 Mục tiêu đề tài 13 1.7 Phạm vi nghiên cứu 13 1.8 Nội dung luận văn 14 1.9 Ý nghĩa đề tài 14 1.10 Đề tài tham khảo 14 Chương 2: MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 15 2.1 Giới thiệu động không đồng bap 15 2.2 Vector không gian đại lượng bap 16 2.2.1 Xây dựng vector không gian 16 2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 19 2.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor 21 2.3 Mơ hình động khơng đồng ba pha 24 2.3.1 Lý xây dựng mơ hình 24 2.3.2 Hệ phương trình động 25 2.3.3 Các tham số động 27 2.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ stator 28 2.3.5 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor 30 2.3.6 Ưu điểm việc mô tả động không đồng ba pha hệ tọa độ từ thông rotor 32 Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG 33 viii LUẬN VĂN THẠC SĨ - Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC Monent động Hình 4.27 Moment động sử dụng phương pháp fuzzy logic - Dòng điện động Hình 4.28 Dịng điện động sử dụng phương pháp fuzzy logic HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 79 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC 4.5.6 Đảo chiều quay động (mT=5 N.m) - Từ thơng động Hình 4.29 Từ thơng động sử dụng phương pháp fuzzy logic - Tốc độ động Hình 4.30 Tốc độ động sử dụng phương pháp fuzzy logic HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 80 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ - Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC Monent động Hình 4.31 Moment động sử dụng phương pháp fuzzy logic - Dịng điện động Hình 4.32 Dòng điện động sử dụng phương pháp fuzzy logic HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 81 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC 4.6 Nhận xét: Từ kết mô ta nhận thấy: + Về từ thơng sử dụng logic mờ có đáp ứng tốt so với sử dụng PID Từ thông bám theo giá trị đặt nhanh đáp ứng từ thông yêu cầu, không vọt lố + Về tốc độ động bám theo giá trị đặt, đáp ứng tốt so với điều khiển PID Khi tăng tải điều khiển logic mờ cho đáp ứng tốt điều khiển PID + Dòng điện sử dụng điều khiển logic mờ có dịng khởi động dòng điện mang tải nhỏ so với sử dụng điều khiển PID + Về phần moment đáp ứng tốt bám theo giá trị đặt, có vọt lố thay đổi tải thay đổi tốc độ động Tóm lại: Khi sử dụng logic mờ có đáp ứng tốt so với sử dụng PID có ưu nhược điểm phương pháp điều khiển Khi sử dụng fuzzy logic địi hỏi người lập trình có nhiều kinh nghiệm để chọn thông số nguyên tắc ngõ vào, ngõ cho phù hợp (sai số tốc độ đạo hàm sai số tốc độ) HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 82 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC Phần So sánh với khâu PID mờ đề tài Thạc sỹ Phạm Văn Lực Hình 4.33 Mơ hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ SIMULINK/MATLAB Hình 4.34 Sơ đồ khối điều khiển PI mờ xây dựng Simulink/Matlab HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 83 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC 4.7 Cấu trúc điều khiển PID mờ lai: Hình 4.35 Sơ đồ khối điều khiển PI mờ lai 4.8 Xây dựng điều khiển PI mờ Hình 4.36 Sơ đồ khối điều khiển tốc độ PI mờ Từ sơ đồ khối cho thấy, điều khiển mờ PI thực chất kết hợp hai điều khiển mờ P (Kp) I (KI) riêng lẽ Sai số tốc độ tốc độ mong muốn wref tốc độ động hồi tiếp w ngõ vào khối Kp mờ khối Ki mờ Kết ngõ thay đổi tác động điều khiển đưa vào trình điều khiển động không đồng Hàm liên thuộc Trapmf dùng cho tập mờ ngõ vào ngõ Đối với Kp mờ, tín hiệu sai lệch ngõ vào bao gồm tập mờ NL, HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 84 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC S, PL (negative large, small, possitive large) với tập giá trị mờ hình 4.17 Hình 4.37 Tập mờ sai số tốc độ Hình 4.38 Tập mờ sai số ngõ vào HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 85 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC 4.9 Mô điều khiển định hướng trường động không đồng dựa vào ước lượng từ thơng rotor có điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động khơng đồng Hình 4.39 Mơ hình điều khiển mờ từ thơng- moment tốc độ HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 86 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC Hình 4.40 Kết điều khiển PID mờ lai Hình 4.41 Tốc độ động HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 87 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA SỬ DỤNG FUZZY LOGIC 4.10 Nhận xét So với đề tài học viên Phạm Văn Lực thì: - Từ thơng dịng điện khởi động phần mơ Tơi có khả đáp ứng nhanh - Tốc độ phần mô đáp ứng chậm bên phần mô học viên Phạm Văn Lực 4.11 Mặt tích cực hạn chế luận văn so sánh: - Tích cực: o Đáp ứng tốt nhu cầu việc điều khiển động khơng đồng o Phân tích rõ có nhiều khâu ổn định ước lượng - Hạn chế: o Về phần logic mờ thiếu bảng Quy tắc thiết kế cho đầu Không thể quy tắc đầu vào nên khơng thể biết xác phần mô sử dụng fuzzy HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 88 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Chương 5- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận: Thông qua đề tài “Sử dụng logic mờ để điều khiển động không đồng bộ”, Luận văn gồm nội dung nghiên cứu sau: - Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường - Đề xuất thay điều khiển PI cổ điển fuzzy lai Nó có ưu điểm đưa kinh nghiệm người thiết kế dạng ngôn ngữ - Mô hệ thống điều khiển đề xuất môi trường Matlab Simulink Kết thực cho thấy: Hệ thống làm việc tin cậy, bị ảnh hưởng thay đổi thông số động Như vậy, kết mô phương pháp đề xuất dùng điều khiển Fuzzy cho đáp ứng tốt, cải thiện đáp ứng dùng điều khiển PI thông thường 5.2 Hạn chế: Mặc dù có nhiều cố gắng với giúp đỡ quý Thầy Cô bạn học viên, song điều kiện thời gian không cho phép nên nội dung đề tài nghiên cứu nhiều thiếu sót hạn chế Trong luận văn, việc đề xuất phương pháp điều khiển fuzzy cho việc điều khiển tốc độ động không đồng pha đóng góp cải tiến đáng kể cho điều khiển PI thông thường; song việc xây dựng điều khiển fuzzy số hạn chế việc xây dựng hàm liên thuộc luật điều khiển chưa phong HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 89 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 5- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI phú, chưa đưa nhiều kinh nghiệm cho luật suy diễn để điều khiển tốc độ động không đồng p h a 5.3 Hướng phát triển đề tài: Trong tương lai, đề tài phát triển theo hướng sau: - Triển khai thực nghiệm - Ước lượng trực tiếp thông số động để thích nghi với thay đổi thơng số Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 90 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [TV] [1] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất giáo dục – 1988 [2] Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2006 [3] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003 [4] Phan Quốc Dũng – Tơ Hữu Phúc, Truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003 [5] Nguyễn Hữu Phúc, Máy điện 2-Phần máy điện quay, NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2007 [6] Trần Công Binh, Hệ thống điều khiển số, ĐHBK TP HCM, 2007 [7] TS Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 [8] Nguyễn Đức Thành, Matlab ứng dụng điều khiển, NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM, 2005 [9] Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở tự động điều khiển trình, NXB Giáo Dục, 2004 [10] PGS.TS Dương Hồi Nghĩa, Cơng nghệ tính toán mềm, Đại Học Bách Khoa TP HCM HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 91 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG ANH [TA] [1] Do Thi Hong Tham, Duong Hoai Nghia, Sliding mode control of induction motor, University of Technology, National University – HCMC, Vietnam, 2007 [2] Andrezej M.Trzynadlowski, The field orientation priciple in Control of Induction Motors, Kluwer academic Publishers, 1994 [3] B Leke Betechuoh, T Marwala and T Tettey, Using Inverse Neural Networks for HIV Adaptive Control, International Journal of Computational Intelligence Research, ISSN 0973-1873 Vol.3, pp 11-15, No 1, 2007 [4] Mouloud Azzedine Denai_, Sid Ahmed Attia, Fuzzy and neural control of an induction motor, Int J Appl Math Comput Sci., 2002, Vol.12, No.2, 221–233 [5] Ercument Karakas And Soner Vardarbasi, Speed control of SR motor by selftuning fuzzy PI controller with artificial neural network, Sadhana Vol 32, Part 5, , pp 587– 596, October 2007 [6] Hassan Baghgar Bostan Abad, Ali Yazdian Varjani, Taheri Asghar, Using Fuzzy Controller in Induction Motor Speed Control with Constant Flux, Proceedings Of World Academy Of Science, Engineering And Technology Volume April 2005 Issn 1307- 6884 [7] Holtz, J., Methods for speed sensorless control of AC drives In: Sensorless Control of AC Motor Drives, pp 21-29 IEEE Press, NewYork, NY, U.S.A, 1993 [8] K L Shi, T F Chan, Y K Wong And S L Ho, Modelling And Simulation Of The Three-Phase Induction Motor Using Simulink, Int J Elect Enging Educ., Vol 36, pp 163–172 Manchester U.P., Printed in Great Britain, 1999 [9] Kevin warwick, Arthur Ekwue, Raj Aggarwal, Artifical intellisgence tenchniques in Power System, Published by the Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1997 HVTH: HUỲNH THANH TUẤN 92 GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA ... phương pháp điều khiển định hướng trường, phương pháp - điều khiển tốt ứng dụng rộng rãi điều khiển động điện - Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển PID mờ để điều khiển tốc độ động Các... vực điều khiển động 1.4 TRÌNH TỰ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Thông thường, để điều khiển động không đồng bộ, người ta thường tiến hành theo bước sau: 1.4.1 Xây dựng mơ hình tốn học động không. .. pháp sử dụng logic mờ để điều khiển động khơng đồng bộ, cách thức thiết kế mơ hình hóa điều khiển Simulink Control System Toolbox 1.10 ĐỀ TÀI THAM KHẢO Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết