Luận văn 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 trong Khoa Điện – Điện tử trường ĐHHH Việt Nam. - Viện đàotạo sau đại học trường ĐHHH Việt Nam. Em tên là Nguyễn Thị Hồng Ngân, học viên lớp tự động hóa khóa 2013- 2015/ đợt 2. Em được nhận đề tài luận văn: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều”. Em xin cam đoan rằng: Các nội dung của luận văn này do em tự nghiên cứu và trình bày dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. TS. Trần Anh Dũng, những phần tham khảo sẽ được trích dẫn rõ ràng , không sao chép từ nghiên cứu của người khác. Nếu có bất kì sự gian dối nào trong nội dung của luận văn, em xin chụi trách nhiệm trước Khoa, Nhà trường và 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 và nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa - Khoa sau đại học - Trường Đại học Hàng hải, được sự dạy dỗ và hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô đến nay tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm luận văn, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực không ngừng của bản thân trong điều kiện vừa học tập, vừa công tác, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS. TS. Trần Anh Dũngngười đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa sau đại học và các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử, Ban giám hiệu- Trường Đại học Hàng hải đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để giúp tôi hoàn thành luận văn. Song với thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. 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........................................................................................vi Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi ....................................................................................................................vi Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ........................................vii Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập............................................vii Xây dựng hệ con đánh dấu mô hình động cơ điện một chiều................................vii Mô hình toán động cơ điện một chiều trên Simulnk...............................................vii Đặc tính tốc độ động cơ.........................................................................................vii Xây dựng các biến vào ra của bộ điều khiển...........................................................vii Tạo hàm liên thuộc cho các biến vào/ra.................................................................vii Xây dựng luật điều khiển mờ..................................................................................vii View Rules cho phép kiểm tra lại kêt quả luật mờ đã xây dựng.............................vii Mô hình hệ thống trên Simulink.............................................................................vii Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển..........................................................................vii Hình dạng IC L298N...............................................................................................vii Nối song song hai mạch cầu H của L298N............................................................vii Sơ đồ nguyên lý mạch công suất............................................................................vii Mô hình của encoder tương đối..............................................................................vii Hai kênh A và B lệch pha trong encoder................................................................vii Mô hình động cơ điện một chiều xây dựng trên imulink........................................vii Đặc tính của động cơ điện một chiều......................................................................vii Điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ khi thay đổi tốc độ và khi nhận tải....................................................................................................................vii Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều..............................................vii iii Đặc tính quá chỉnh..................................................................................................vii MỞ ĐẦU...................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .........................................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ...............................................4 1.1. Các khái niệm cơ bản của điều khiển mờ..........................................................................................4 1.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ.............................................................................................................10 1.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ............................................................................................................21 CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.....................................................................................................................24 2.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều............................................................................................24 2.2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.....................................................................................31 2.3. Mô phỏng bộ điều khiển và hệ thống trên Matlab.........................................................................38 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG..............................45 3.1. Thiết kế, xây dựng mạch công suất ................................................................................................45 Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch cấp nguồn....................................................................46 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC.................................................................................47 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC..............................................47 Hình 3.5. Hình dạng IC L298N...............................................................................48 Hình 3.6. Nối song song hai mạch cầu H của L298N.............................................48 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất............................................................................................50 Hình 3.11. Mô hình của encoder tương đối.............................................................51 Hình 3.12. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder...............................................52 3.2. Đề xuất lưu đồ thuật toán xây dựng bộ điều khiển mờ..................................................................53 3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ trên miền thời gian thực....................................................................57 3.4. Xây dựng bộ điều khiển mờ trên Matlab điều khiển động cơ điện 1 chiều....................................58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................64 iv TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................65 v DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 6 1.2 Phép hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở 7 1.3 Hàm liên thuộc của 2 tập mờ không cùng cơ sở 8 1.4 Phép giao của hai tập mờ 9 1.5 Giao của hai tập mờ không cùng cơ sở 9 1.6 Phép bù của một tập mờ 10 1.7 Nguyên lý điều khiển mờ 12 1.8 Cấu trúc của bộ 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 sự thay đổi sai lệch tốc độ speed_err_var 14 1.11 Hàm thuộc biến đầu ra pwm_var 15 1.12 Mô hình ma trận luật hợp thành 18 1.13 Xác định giá trị rõ từ miền này. 19 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 20 1.16 Mô hình thực hiện việc giải mờ 20 2.1 Cấu tạo stato động cơ điện một chiều 25 2.2 Cấu tạo roto động cơ điện một chiều 26 2.3 Cấu tạo cổ góp động cơ điện một chiều 27 2.4 Cấu tạo chổi than động cơ điện một chiều 27 2.5 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 28 2.6 Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 29 2.7 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 31 2.8 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 33 2.9 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. 34 2.10 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi 35 2.11 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi 36 2.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ xung áp – động cơ 37 2.13 Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ. 38 2.14 Sử dụng chip mờ chuyên dụng điều khiển tốc độ động cơ 39 vi điện một chiều 2.15 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 41 2.16 Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập 42 2.17 Xây dựng hệ con đánh dấu mô hình động cơ điện một chiều 43 2.18 Mô hình toán động cơ điện một chiều trên Simulnk 43 2.19 Đặc tính tốc độ động cơ 43 2.20 Đặc tính dòng điện động cơ 44 2.21 Xây dựng các biến vào ra của bộ điều khiển 44 2.22 Tạo hàm liên thuộc cho các biến vào/ra 45 2.23 Xây dựng luật điều khiển mờ 46 2.24 View Rules cho phép kiểm tra lại kêt quả luật mờ đã xây dựng 46 2.25 Kiểm tra lại các luật điều khiển trong View Surface 47 2.26 Mô hình hệ thống trên Simulink 47 3.1 Sơ lược hệ thống sử dụng logic mờ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 48 3.2 Sơ đồ khối mạch cấp nguồn 49 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC 49 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC 50 3.5 Sơ đồ chân Atmega8 51 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 51 3.7 Hình dạng IC L298N 52 3.8 Nối song song hai mạch cầu H của L298N 52 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 53 3.10 Động cơ một chiều thực hiện điều khiển 54 3.11 Mô hình của encoder tương đối 54 3.12 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 55 3.13 Thuật toán thực hiện chương trình chính 57 3.14 Thuật toán thực hiện việc mờ hóa 58 3.15 Thuật toán xây dựng ma trận luật hợp thành 59 3.16 Thuật toán thực hiện giải mờ 60 3.17 Chương trình điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ 62 3.18 Mô hình động cơ điện một chiều xây dựng trên imulink 63 3.19 Đặc tính của động cơ điện một chiều 64 3.20 Điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ khi thay đổi tốc độ và khi nhận tải. 65 3.21 Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều 66 3.22 Đặc tính quá chỉnh. 67 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay khái niệm điều khiển mờ đã không còn xa lạ và trở nên phổ biến với tất cả mọi người. Rất nhiều thiết bị ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trở nên phổ biến và có mặt trong rất nhiếu lĩnh vực công nghiệp cũng như dân dụng: sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, máy giặt, máy ảnh, y học Nguyên nhân của sự phát triển nhanh chóng của bộ điều khiển mờ dựa trên cơ sở suy luận mờ, cho phép người điều khiển tự động hóa được kinh nghiệm điều khiển của họ cho một quá trình, một thiết bị tạo ra được những bộ điều khiển làm việc tin cậy thay thế được họ song chất lượng điều khiển vẫn tốt như người điều khiển đã làm được. Trong thực tế, bộ điều khiển mờ có khả năng giải quyết các hệ thống có độ phức tạp cao, độ phi tuyến lớn, sự thay đổi thường xuyên của trạng thái và cấu trúc đối tượng. Sự phát triển mạnh mẽ của điều khiển mờ gắn liền với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi xử lý – một cầu nối quan trọng không thể thiếu giữa kết quả nghiên cứu của lý thuyết mờ với ứng dụng trong thực tế. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật chúng ta có thể chứng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành , máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ). Mặc dù, so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn 1 nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn. Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học kĩ thuật như trong luyện kim, trong công nghệ giấy hoặc ở một số hệ thống khác, thường người ta cung cấp điện cho một nhóm động cơ từ một bộ biến đổi có điện áp không đổi, để thay đổi tốc độ động cơ thường người ta thực hiện việc thay đổi từ thông kích từ. Trong các nhà máy cán thép, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất. Vì vậy hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động cơ điện một chiều kích từ độc lập đóng vai trò rất quan trọng trong việc nghiên cứu. Bộ điều khiển mờ ra đời trên cơ sở ứng dụng logic mờ, là một bộ điều khiển thông minh, hiện đang đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật, tính bền vững và ổn định cao, dễ thay đổi, dễ lập trình. Vấn đề đặt ra như thế, hướng nghiên cứu xây dựng đề tài của tác giả ở đây là nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài được chọn: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều” làm đề tài cho luận văn Thạc sĩ. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu các bộ điều khiển mờ 2 - Xây dựng mô hình bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu các bộ điều khiển mờ - Xây dựng và lựa chọn phần cứng mô hình bộ điều khiển mờ - Xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều bằng phần mềm MATLAB - Chế tạo, lắp đặt, kiểm tra, hiệu chỉnh và thử nghiệm * Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc ứng dụng bộ điều khiển mờ. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập trên nền Matlab & Simulink. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập, phân tích và thiết kế các bộ điều khiển mờ, ứng dụng bộ điều khiển mờ. - Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cách thức thiết kế và mô phỏng trên Matlab Simulink. * Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển, nhằm giải quyết vấn đề cấp bách hiện nay là nâng cao chất lượng điều khiển truyền động động cơ điện một chiều. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.1. Các khái niệm cơ bản của điều khiển mờ Trong các suy luận thông thường hay các suy luận khoa học, suy luận logic toán học đóng vai trò rất quan trọng. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nếu chỉ với hai giá trị đúng (1) hoặc sai (0) không thể giải quyết được hết các bài toán phức tạp như chưa biết trước đặc tính đối tượng điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế lý thuyết điều khiển mờ đã ra đời. Khái niệm đầu tiên về logic mờ được giáo sư Lotfi Zadeh của trường đại học California - Mỹ đưa ra lần đầu tiên vào năm 1965. Công trình đã khai sinh ra một ngành khoa học mới là: lý thuyết tập mờ và đã thu hút được sự chú ý của rất nhiều các nhà nghiên cứu công nghệ mới và đã được áp dụng ngay vào trong các ứng dụng thực tế như: sản xuất xi măng, trong y học giúp chuẩn đoán và điều trị bệnh Trong lĩnh vực điều khiển tự động, vai trò của logic mờ ngày càng quan trọng, có rất nhiều ứng dụng được thực hiện điều khiển bằng cách dùng logic mờ. Ưu điểm lớn nhất của điều khiển mờ là không cần biết trước đặc tính của đối tượng điều khiển một cách chính xác, so với điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào thông tin chính xác tuyệt đối của đối tượng điều khiển, điều này trong nhiều ứng dụng là không thể có được. 1.1.1. Khái niệm về tập mờ Tập mờ dựa trên những cơ sở từ tập kinh điển nên ta nhắc lại tập kinh điển trước. Tập kinh điển là tập chỉ có hai giá trị: đúng (1) hoặc sai (0) như đã đề cập ở trên. Hàm liên thuộc của tập thể hiện mức độ phụ thuộc của các giá trị trong tập hợp đó [2], từ đây có thể suy ra hàm liên thuộc của tập kinh điển: nếu Ax ∈ thì có độ phụ thuộc là 1, còn Ax ∉ thì có độ phụ thuộc 0. Hàm liên thuộc của tập hợp A ký hiệu là )x(Aµ [2]   ∉ ∈ =µ Axkhi0 Axkhi1 )x(A (1.1) 4 Trong logic mờ, hàm liên thuộc của tập mờ không chỉ nhận 2 giá trị là 0 và 1 mà là toàn bộ các giá trị từ 0 đến 1 tức là 1)x(0 B ≤µ≤ [2]. Như vậy, ở logic mờ không có sự suy luận thuận ngược như ở tập hợp kinh điển. Vì vậy trong định nghĩa tập mờ phải trình bày thêm về hàm liên thuộc, do vai trò của của hàm liên thuộc là làm rõ ra chính tập mờ đó. Định nghĩa tập mờ [2]: tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, µf(x)), trong đó x ∈ M và µf là ánh xạ ]1,0[M:f →µ , ánh xạ µf được gọi là hàm liên thuộc (phụ thuộc) của tập mờ F. Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F. 1.1.2. Các tính chất cơ bản tập mờ [2] Độ cao của tập mờ F (định nghĩa t