BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGÀNH: TB MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Lương Văn Minh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/03/1986 Nơi sinh: T.T.Huế Quê quán: Hương Xuân – Hương Trà – T.T.Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 215 Bùi Thị Xuân, P1, Q Tân Bình, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại quan: 01683091004 Điện thoại nhà riêng: Fax: minh.nguyen.dkc@gmail.com E-mail: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 9/ 2010 Nơi học (trường, thành phố): TP Hồ Chí Minh Ngành học: Điện khí hóa cung cấp điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy đo công suất tác dụng công suất phản kháng thị kim dùng IC MCP3905 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 1/2010 trường ĐH SP KT TP.HCM Người hướng dẫn: TS Trương Việt Anh i III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2010-3/2011 Trường CĐN Đồng Nai Giáo viên 3/2011-9/2011 Trường ĐH SPKT TP.HCM Học viên 9/2011 đến Trường ĐH SPKT TP.HCM Học viên Trường CĐKT Cao thắng Giáo viên i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Lương Văn Minh ii TÓM TẮT Động điện xoay chiều, đặc biệt đồng không đồng rotor lồng sóc thường có nhiều lợi như: cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp, bảo trì; động không đồng có nhiều ứng dụng công nghiệp Việc điều khiển tốc độ động không đồng đóng vai trò quan trọng nhằm tối ưu hóa mô-men hiệu suất Có nhiều kỹ thuật điều khiển tốc độ khác như: điều khiển V/f; điều khiển trực tiếp mô-men, điều khiển tựa theo từ trường Hệ truyền động điều khiển tựa theo từ trường điều chỉnh tốc độ mô-men tốt cho động xoay chiều Cho phép điều khiển động xoay chiều chiều, phù hợp cho ứng dụng sử dụng động chiều trước Hệ thống truyền động điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường truyền thống cho động không đồng thường sử dụng hiệu chỉnh PI thông cho giá trị hồi tiếp thường có độ xác thấp làm giảm hiệu suất hệ thống Để khắc phục vấn đề này, thay điều khiển PI điều khiển thông minh dựa lý thuyết tập mờ đề xuất Điều khiển mờ tự động hiệu chỉnh thông số điều khiển với khả thích ứng cao điều chỉnh tốc độ xác Chất lượng điều khiển thông minh khảo sát thông qua việc mô công cụ MATLAB-SIMULINK điều kiện khác thay đổi đột ngột tốc độ mô-men tải Kết mô cho thấy chất lượng điều khiển đề xuất tốt so với điều khiển PI thông thường iv ABSTRACT AC motors, particularly the squirrel-cage induction motor (SCIM), enjoy several inherent advantages like simplicity, reliability, low cost and maintenance, induction motors have many applications in the industries The speed control of induction motor is more important to achieve maximum torque and efficiency Various speed control techniques like V/f Control, Direct Torque Control and Field Oriented Control are discussed in this thesis Field Oriented Control drives provide the best speed and torque regulation available for AC motors It provides DC like performance for AC motors, and is well suited for typical DC applications Traditional Indirect Field Oriented Control system of induction motor introduces conventional PI regulator in outer loop; it is proved that the low precision of the speed regulator debases the performance of the whole system To overcome this problem, replacement of PI controller by an intelligent controller based on fuzzy set theory is proposed The fuzzy control can realize the automatic adjustment of the control parameter, with strong adaptability and good speed governing The performance of the intelligent controller has been investigated through simulation using MATLAB-SIMULINK package for different operating conditions such as sudden change in reference speed and load torque The simulation results demonstrate that the performance of the proposed controller is better than that of the conventional PI controller iv MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt v Abstract iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách hình vii Danh sách bảng viii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan 1.3 Định hướng đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ luận văn 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 1.3.3 Kết mong muốn đạt Chƣơng MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Mô hình toán ĐCKĐB chế độ xác lập 10 2.2 Mô hình động động không đồng 12 2.3 Các phương trình toán học 14 2.4 Mô hình trạng thái động hệ tọa độ stator 16 2.5 Mô hình trạng thái động hệ trục quay dq 20 2.5.1 Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ 20 2.5.2 Mô hình trạng thái động hệ trục quay dq 22 v Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 Điều khiển động cách thay đổi nguồn áp (V/f) 25 3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động (DTC Direct torque trol) 29 3.3 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC - Field Oriented Control) 29 3.3.1 Đại cương phương pháp FOC 29 3.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 34 3.3.3 Xây dựng cấu trúc điều khiển đại IFOC Matlab/Simulink 37 Chƣơng LÝ THUYẾT HỆ MỜ, ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ 4.1 Lý thuyết hệ mờ 47 4.1.1 Một số khái niệm 47 4.1.2 Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ 49 4.1.3 Giải mờ 50 4.1.4 Bộ điều khiển mờ 52 4.2 Điều khiển PID - Mờ 54 4.2.1 Điều khiển PID truyền thống 54 4.2.2 Điều khiển PID - Mờ 56 4.3 Xây dựng điều khiển mờ FLC Simulink/Matlab 58 4.3.1 Cấu trúc điều khiển mờ FLC 58 4.3.2 Thiết lập thông số 58 Chƣơng MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 5.1 Mô 63 5.2 Kết luận 73 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 6.1 Kết luận 74 6.2 Kiến nghị nghiên cứu 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT FOC - Field Oriented Control IFOC - Indirect Field Oriented Control DFOC - Direct Field Oriented Control DTC - Direct Torque Control FLC - Fuzzy Logic Controller SLC - Slide Mode Control VSC - Variable Structure Control ĐCKĐB - Động Cơ Không Đồng Bộ vi Chương + Tốc độ đặt ωr = 0,3× ωrn = 89.29 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1s 69 Chương + Tốc độ đặt ωr = 0,5× ωrn = 148.8 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1s 70 Chương + Tốc độ đặt ωr = 0,8× ωrn = 238.08 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1.5s 71 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1.5s 72 Chương + Tốc độ đặt ωr = 1.2* ωr = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Crn = 50.4 (Nm) thời điểm t = 1.75s 73 Chương Trường hợp 2: TỐC ĐỘ ĐẶT LÀ ĐỊNH MỨC, THAY ĐỔI MÔ-MEN + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = (Nm) thời điểm 74 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = 0.25×Crn = 12,6 (Nm) thời điểm t = 1.5s 75 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = 0.5×Crn = 25,2 (Nm) thời điểm t = 1.5s 76 Chương + Tốc độ đặt ωr = ωrn = 297.6 (rad/s) thời điểm t = 0.5s, mô-men đặt Cr = Crn = 50,4 (Nm) thời điểm t = 1.5s 77 Chương Chương KẾT LUẬN 78 Chương Chương 6: KẾT LUẬN 6.1.KẾT LUẬN Trong luận văn này, nguyên tắc tính hữu dụng logic mờ điều khiển mờ minh họa thông qua ứng dụng điều khiển thông minh hệ truyền động với cấp tốc độ khác Nghiên cứu ứng dụng logic mờ phát triển nhanh, với kết đầy hứa hẹn truyền động điện điện tử công suất tương lai Hệ thống phần cứng cho hệ mờ đamg phát triển, bao gồm bo mạch thực quy tắc mờ, thiết bị dùng cho suy luận mờ Những khó khăn việc sử dụng hệ mờ phải có kiến thức chuyên gia đối tượng điều khiển không chắn việc diễn tả cấu trúc ngôn ngữ cho quy trình điều khiển Đáp ứng tốc độ thu mô điều kiện vận hành khác tiến hành thay đổi tốc độ thay đổi tải Bộ điều khiển PI cổ điển thường cho đáp ứng tối ưu điều kiện giới hạn, điều khiển mờ mang lại hiệu tốt thời gian đáp ứng nhanh dòng điện khởi động thấp Bộ điều khiển mờ đề xuất đáp ứng tốc độ với độ vọt lố không vượt 2% Hệ thống truyền động sử dụng điều khiển mờ không bị ảnh hưởng thay đổi đột ngột tốc độ Vì vậy, đáp ứng tốt thường đạt với điều khiển mờ, điều khiển PI bị ảnh hưởng tốc độ đột ngột thay đổi tốc độ với sai số xác lập cao với dòng khởi động lớn Đáp ứng tốc độ bị ảnh hưởng điều kiện tải khác Đây nhược điểm điều khiển PI với điều kiện vận hành khác Đáp ứng mômen xoắn cho gợn sóng nhỏ với điều khiển mờ cho gợn sóng lớn với điều khiển PI tương ứng Từ kết mô cho thấy hệ truyền động sử dụng điều khiển mờ FLC xử lý lỗi sai số tốc độ cách nhanh chóng, giảm tối đa độ vọt lố hạn chế sai số xác lập, đáp ứng hệ PI cổ điển sử dụng hệ truyền động nhanh điều khiển mờ  Các nội dung thực luận văn:  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển đại, đề xuất phương pháp điều khiển FOC 79 Chương  Nghiên cứu lý thuyết mờ, đề xuất điều khiển mờ thay cho khối điều khiển PI cổ điển nhằm tăng chất lượng điều khiển trình vận hành động  Mô hệ điều khiển động sử dụng Matlab-Simulink 6.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI  Tạo mã nhúng để đưa vào vi điều khiển nhằm đưa lý thuyết vào thực tiễn để kiểm chứng  Phát triển hệ truyền động động không đồng không dùng hồi tiếp tốc độ (sensorless), ước lượng tốc độ có sử dụng hệ logic mờ 80 TÀI LỆU THAM KHẢO Bimal K Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives”, Third impression, INDIA: Pearson Education, Inc., 2007 Minh Ta-Cao, J L Silva Neto and H Le-Huy, “Fuzzy Logic based Controller for Induction Motor Drives”, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Volume 2, Issue, 26-29 May 1996 M N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Fuzzy-Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225, September/October, 2002 Ned mohan, Tore M.Undeland and Wiliam P.Robbins,” Power Electronics”, New York, John Wiley & Sons, Press, 1998 F.Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new transvector closed-loop control system for rotating-field machine,” Siemens Rev., Vol.34, no.3, May 1972 H Sugimoto and S Tamai, “Secondary resistance identification of an Induction Motor Applied Model reference Adaptive Systems and its Characteristics”, IEEE Trans on Ind Appl., Vol IA-23, No.1, Mar/Apr, 1987 C Y Won and B K Bose, “An induction Motor servo Systems with Improved Sliding Mode Control”, in Proc IEEE IECON’92 T L Chern and Y C Wu, “Design of Integral Variable Structure Controller and Applications to Electro Hydraulic Velocity Servo Systems”, Proc In Elec Eng., Vol 138, no 5, Sept 1991 J C Hung, “Practical Industrial Control techniques”, in Proc IEEE IECON’94 10 M Nasir Udin,Tawfik S.Radwan,and M.Azizur Rahman,“ Performance of FuzzyLogic-Based Indirect vector control for induction motor drive,”IEEE Transaction on Industry Applications,vol.38,no.5,September/October 2002 11 http://www.mathworks.com/ (The official site for MATLAB&SIMULINK as well as Fuzzy Logic Toolbox) 81 TÀI LỆU THAM KHẢO Bimal K Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives”, Third impression, INDIA: Pearson Education, Inc., 2007 Minh Ta-Cao, J L Silva Neto and H Le-Huy, “Fuzzy Logic based Controller for Induction Motor Drives”, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Volume 2, Issue, 26-29 May 1996 M N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Fuzzy-Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225, September/October, 2002 Ned mohan, Tore M.Undeland and Wiliam P.Robbins,” Power Electronics”, New York, John Wiley & Sons, Press, 1998 F.Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new transvector closedloop control system for rotating-field machine,” Siemens Rev., Vol.34, no.3, May 1972 H Sugimoto and S Tamai, “Secondary resistance identification of an Induction Motor Applied Model reference Adaptive Systems and its Characteristics”, IEEE Trans on Ind Appl., Vol IA-23, No.1, Mar/Apr, 1987 C Y Won and B K Bose, “An induction Motor servo Systems with Improved Sliding Mode Control”, in Proc IEEE IECON’92 T L Chern and Y C Wu, “Design of Integral Variable Structure Controller and Applications to Electro Hydraulic Velocity Servo Systems”, Proc In Elec Eng., Vol 138, no 5, Sept 1991 J C Hung, “Practical Industrial Control techniques”, in Proc IEEE IECON’94 10 M Nasir Udin,Tawfik S.Radwan,and M.Azizur Rahman,“ Performance of FuzzyLogic-Based Indirect vector control for induction motor drive,”IEEE Transaction on Industry Applications,vol.38,no.5,September/October 2002 11 http://www.mathworks.com/ (The official site for MATLAB&SIMULINK as well as Fuzzy Logic Toolbox) 81 [...]... truyền động động cơ khơng đồng bộ 3 pha Do đó học viên thực hiện luận văn quyết định thực hiện đề tài: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha” 1.3.1 Nhiệm vụ luận văn Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC (Field Orientated Control) Tìm hiểu, ứng dụng hệ logic mờ trong điều khiển động. .. cho động cơ các đặc tính cao cấp hơn để đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của q trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền động Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC Động cơ khơng đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong Băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng. .. nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,… a /Ứng dụng vào sàn rung b/ Ứng dụng bơm chân khơng 2 Chương 1 c/ Ứng dụng trong Máy khử từ d/ Ứng dụng trong bơm Pít-tơng Hình 1.1: Một số ứng dụng của động cơ khơng đồng bộ Những ưu điểm được biết đến của động cơ khơng đồng bộ 3 pha như:  Cấu tạo đơn giản  Làm việc tin cậy  Khởi động đơn giản  Chi phí cho bảo... sốt tốc độ bằng cách hiệu chỉnh đòng điện thực hiện bởi bộ ngịch lưu nguồn áp cung cấp cho động cơ cảm ứng đã được thảo luận Bộ điều khiển Logic mờ thay cho bộ điều khiển PI cổ điển sử dụng trong truyền động động cơ cảm ứng đã được đề xuất bởi Minh Ta-Cao Hiệu suất của hệ thống này được so sánh với hệ truyền động điều khiển vector sử dụng bộ điều khiển PI thơng thường [3] M N Uddin, T S Radwan and M... tử cơng suất như IGBT góp phần làm cho điều khiển thơng minh được điều khiển rộng rãi trong các kỹ thuật truyền động Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia làm hai nhóm [4]  Tính tốn cứng  Tính tốn mềm Hệ thống chun gia thuộc về tính tốn cứng được xem là kỹ thuật trí tuệ nhân tạo đầu tiên Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật tính tốn mềm được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện đó là:  Mạng nơ-ron nhân. .. và logic mờ cho động cơ khơng đồng bộ ba pha nhằm thoả mãn các u cầu: thời gian đáp ứng, sai số xác lập, đảm bảo hoạt động tốt ở nhiều mức vận tốc và ổn định ngay cả khi thay đổi tải 8 Chương 2 Chƣơng 2 MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 9 Chương 2 Chƣơng 2: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA 2.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1.1 Cấu tạo Động cơ khơng đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần:... của động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc như hình 2.8 Hình 2.8 Mơ hình vật lí của động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc  So sánh động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn: – Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến – Động cơ rotor quấn dây có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng cấu tạo phức tạp, dễ có sự cố, nên chỉ được dùng trong những ứng dụng. .. đến các thay đổi tham số trong động cơ Các vấn đề điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng thường được giải quyết bằng các bộ điều khiển PI và PID Tuy nhiên các bộ điều khiển trên rất nhạy cảm với sự thay đổi tham số, và phân bố tải… Vì vậy, các thơng số điều khiển phải được điều chỉnh liên tục Vấn đề có thể được giải quyết bằng một số kỹ thuật điều khiển thích nghi như điều khiển thích nghi theo mơ hình... dụng hệ logic mờ trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha, đề xuất bộ điều khiển mờ FLC (Fuzzy Logic Controller) thay thế cho bộ điều khiển PI cổ điển Dùng phần mềm MATLAB-SIMULINK mơ phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha theo phương pháp FOC (Field Orientated Control) dùng bộ điều khiển mờ thay cho PI cổ điển nhằm tăng hiệu suất truyền động 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu Thu... tốn học của động cơ khơng đồng bộ ba pha Xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha kết hợp với bộ điều khiển mờ FLC (Fuzzy Logic Controller) Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị Đánh giá tổng qt tồn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề tài 1.3.3 Kết quả mong muốn đạt được Xây dựng hệ điều khiển truyền động kết hợp phương pháp điều khiển hiện