Luận văn Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ (Phần 1)

1. 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 0 4 1 5 0 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013
2. 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
3. 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 ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 215 Bùi Thị Xuân, P1, Q. Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 01683091004 Fax: E-mail: minh.nguyen.dkc@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. 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 và cung cấp điện Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy đo công suất tác dụng và công suất phản kháng chỉ thị kim dùng IC MCP3905 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2010 tại trường ĐH SP KT TP.HCM Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh i
4. 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 nay Trường ĐH SPKT TP.HCM Học viên Trường CĐKT Cao thắng Giáo viên i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Lương Văn Minh ii
6. TÓM TẮT Động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là đồng cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thường có nhiều lợi thế như: cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp, ít bảo trì; động cơ không đồng bộ có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ đóng vai trò quan trọng nhằm tối ưu hóa mô-men và hiệu suất. Có nhiều kỹ thuật điều khiển tốc độ khác nhau 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 và mô-men tốt nhất cho động cơ xoay chiều. Cho phép điều khiển động cơ xoay chiều như một chiều, phù hợp cho các ứng dụng sử dụng động cơ một chiều trước kia. Hệ thống truyền động điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường truyền thống cho động cơ không đồng bộ thường sử dụng các bộ hiệu chỉnh PI thông cho các giá trị hồi tiếp thường có độ chính xác thấp và làm giảm hiệu suất của hệ thống. Để khắc phục vấn đề này, thay thế bộ điều khiển PI bởi bộ điều khiển thông minh dựa trên lý thuyết tập mờ được đề xuất. Điều khiển mờ có thể tự động hiệu chỉnh các thông số điều khiển với khả năng thích ứng cao và điều chỉnh tốc độ chính xác. Chất lượng của bộ điều khiển thông minh đã được khảo sát thông qua việc mô phỏng bằng công cụ MATLAB-SIMULINK dưới các điều kiện khác nhau như thay đổi đột ngột tốc độ và mô-men tải. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng chất lượng của bộ điều khiển đề xuất tốt hơn so với bộ điều khiển PI thông thường. iv
7. 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
8. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt v Abstract iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt vi Danh sách các hình vii Danh sách các bảng viii Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Một số công trình nghiên cứu có liên quan 6 1.3. Định hướng đề tài 7 1.3.1. Nhiệm vụ luận văn 7 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu 8 1.3.3. Kết quả mong muốn đạt được 8 Chƣơng 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1. Mô hình toán của ĐCKĐB ở chế độ xác lập 10 2.2. Mô hình động của động cơ không đồng bộ 12 2.3. Các phương trình toán học cơ bản 14 2.4. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator 16 2.5. Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq 20 2.5.1. Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ 20 2.5.2. Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq 22 v
9. Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1. Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi nguồn áp (V/f) 25 3.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC - Direct torque con trol) 29 3.3. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC - Field Oriented Control) 29 3.3.1. Đại cương về phương pháp FOC 29 3.3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển 34 3.3.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển hiện đại IFOC trong Matlab/Simulink 37 Chƣơng 4 LÝ THUYẾT HỆ MỜ, ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ 4.1. Lý thuyết hệ mờ 47 4.1.1. Một số khái niệm cơ bản 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 bộ điều khiển mờ FLC trong Simulink/Matlab 58 4.3.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ FLC 58 4.3.2. Thiết lập thông số 58 Chƣơng 5 MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 5.1. Mô phỏng 63 5.2. Kết luận 73 Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 6.1. Kết luận 74 6.2. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 v
10. 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
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1. Một số ứng dụng của động cơ không đồng bộ 2 Hình 1.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 4 Hình 2.1. Đặc tính cơ tiêu biểu của ĐCKĐB lớp A, B, C, D (Tiêu chuẩn NEMA – Mỹ) 10 Hình 2.2. Mô hình ĐCKĐB 10 Hình 2.3. Hệ trục toạ độ abc và hệ trục tọa độ αβ 12 Hình 2.4. Các vectơ sức từ động khi θ = ωt = 0 13 Hình 2.5. Các vectơ sức từ động khi θ = ωt = 600 13 Hình 2.6. Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator 13 Hình 2.7. Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq 17 Hình 2.8. Dòng điện stator is trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβ 20 Hình 2.9. Vec-tơ không gian dòng stator trên hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq 21 Hình 3.1. Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số 27 Hình 3.2. Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở 28 Hình 3.3. Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín 28 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC 29 Hình 3.5. Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC 30 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp 31 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp 32 Hình 3.8. Cấu trúc hiện đại của hệ TĐĐ điều chỉnh tựa theo từ thông 34 Hình 3.9. Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q) 35 Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp IFOC sử dụng khâu hiệu chỉnh PI truyền thống 37 vii
12. Hình 3.11. Khối dò từ thông 38 Hình 3.12. Bảng dò từ thông thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và từ thông 39 Hình 3.13. Khối chuyển trục tọa độ (a; b; c) → (α; β) 39 Hình 3.14. Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (a; b; c) 40 Hình 3.15. Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (d; q) 40 Hình 3.16. Khối chuyển trục tọa độ (d; q) → (α; β) 41 Hình 3.17. Mô hình tính toán của động cơ 41 Hình 3.18. Mô hình tính toán của đọng cơ trên khung tham chiếu (α; β) 42 Hình 3.19. Mô hình ước lượng hồi tiếp – tiếp dòng 43 Hình 3.20. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp IFOC sử dụng bộ điều khiển mờ FLC 44 Hình 4.1. Hàm liên thuộc 47 Hình 4.2. Ví dụ về logic mờ trong ứng dụng đo nhiệt độ 48 Hình 4.3. Cấu trúc của một hệ điều khiển mờ 52 Hình 4.4. Nguyên lý điều khiển mờ 53 Hình 4.5.Điều khiển PID truyền thống 54 Hình 4.6. Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 56 Hình 4.7. Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 57 Hình 4.8. Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 57 Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển mờ FLC 58 Hình 5.1. Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC ở tốc độ định mức ω = 297,6rad/s, mô-men tải định mức TL = 50,4Nm tại thời điểm t = 1,2s cho bộ điều khiển FLC và PI truyền thống 66 Hình 5.2: Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC khi tốc độ thay đổi ω = [148,8 297,6]rad/s, ứng với các thời điểm t = [0 1,5]s, đặt tải TL=50,4Nm tại thời điểm t = 1s cho bộ điều khiển FLC và PI truyền thống 69 vii
13. Hình 5.3: Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC khi tốc độ thay đổi ω = [148,8 297,6]rad/s ứng với các thời điểm t = [0 1,5]s, đặt tải TL=50,4Nm tại thời điểm t = 1s cho bộ diều khiển FLC và PI truyền thống 72 vii
14. Chương 1 Chương 1 TỔNG QUAN 1
15. Chương 1 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. Ngày nay, công nghiệp là lĩnh vực phát triển với tốc độ rất nhanh, đi kèm theo đó thì truyền động là khâu không thể thiếu được, ban đầu là các khâu truyền động bằng cơ khí, nhưng dần dần để tự động hóa các quá trình thì khâu truyền động điện đã được sử dụng rộng rãi và trở thành không thể thiếu. Động cơ điện cũng là một phần không kém phần quan trọng trong khâu truyền động với nhiệm vụ chuyển hóa điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Do đó truyền động điện là một môn khoa học được ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết điều khiển tự động, các tiến bộ của công nghệ vi xử lý nhằm gán cho động cơ các đặc tính cao cấp hơn để đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của quá 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 không 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 dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện, a/Ứng dụng vào sàn rung b/ Ứng dụng bơm chân không 2
16. Chương 1 c/ Ứng dụng trong Máy khử từ d/ Ứng dụng trong bơm Pít-tông Hình 1.1: Một số ứng dụng của động cơ không đồng bộ Những ưu điểm được biết đến của động cơ không đồng bộ 3 pha như: Cấu tạo đơn giản Làm việc tin cậy Khởi động đơn giản Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp nhất so với các loại động cơ khác Giá thành thấp. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ không đồng bộ tương đối phức tạp so với động cơ một chiều, các vấn đề thường gặp phải như: Yêu cầu độ chính xác cao của mô hình toán Hiệu suất mong muốn không đạt được do sự biến động tải, sự bảo hòa từ trong động cơ và sự thay đổi về nhiệt độ Điều khiển tuyến tính cổ điển chỉ đáp ứng tốt với một tốc độ vận hành nhất định Các hệ số phải được lựa chọn thích hợp cho các kết quả được chấp nhận, nhưng trái lại lựa chọn các hệ số thích hợp với nhiều tham số khác nhau như việc thiết lập điểm là rất khó Việc thiết kế các bộ điều khiển cổ điển đem lại hiệu suất cao thường tăng thêm tính phức tạp của hệ thống vì vậy gia tăng giá thành của sản phẩm 3
17. Chương 1 Trên thế giới ngày nay đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển động cơ, các phương pháp được phát triển từ đơn giản đến phức tạp, từ cổ điển đến hiện đại. Với yêu cầu truyền động như ngày nay thì các phương pháp điều khiển hiện đại ngày càng được áp dụng nhiều. Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nhưng điểm khác nhau giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành. Dưới đây là một số phương pháp điều khiển hiện đại đang được áp dụng trong thực tế:  Phương pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp. Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc của mạch thì đơn giản và thường sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ. Tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác không cao trong đáp ứng tốc độ và moment.  Phương pháp DTC: đây là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator và moment và cũng là phương pháp có hiệu suất cao. Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment và từ thông. Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước. Tuy nhiên có thể hai vấn đề thương thấy trong truyền động DTC dựa trên khâu so sánh trễ là: - Tần số đóng ngắt thay đổi do khâu sánh trễ được sử dụng cho khối ước lượng từ thông và mô-men. - Ước lượng từ thông stator không chính xác có thể làm giảm hiệu suất của truyền động.  Phương pháp FOC: là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập. FOC là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trưng là các vector. Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hướng việc khảo sát động cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơ DC. 4
18. Chương 1 Điều khiển hiện đại dựa trên kỹ thuật trí tuệ nhân tạo hay còn gọi là điều khiển thông minh, các hệ thống ứng dụng trí tuệ nhân tạo được gọi là các hệ thống tự tổ chức. Thập niên 80, sản xuất vi mạch và vi xử lý với khả năng tính toán cao và tốc độ xử lý cực nhanh. Các vi xử lý hiện đại có tốc độ xử lý cao, công suất lớn, giá thành thấp như DSP, FPGA và ASIC cùng với các khóa điện tử công suất như IGBT góp phần làm cho điều khiển thông minh được điều khiển rộng rãi trong các kỹ thuật truyền động. Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia làm hai nhóm [4] Tính toán cứng Tính toán mềm Hệ thống chuyên gia thuộc về tính toán cứng được xem là kỹ thuật trí tuệ nhân tạo đầu tiên. Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật tính toán mềm được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện đó là: Mạng nơ-ron nhân tạo Hệ logic mờ Mạng nơ-ron – Mờ Giải thuật di truyền Logic mờ là một kỹ thuật thể hiện suy nghĩ con người vào trong hệ thống điều khiển. Một bộ điều khiển mờ có thể được thiết kế để mô phỏng suy diễn của con người, một hình thức mà con người xử lý thông tin để phỏng đoán các kết luận từ những gì mà họ biết. Điều khiển mờ được áp dụng chủ yếu vào các quy trình điều khiển thông qua việc diễn tả bằng ngôn ngữ mờ. Hệ thống điều khiển mờ được chỉ ra như bên dưới: Hình 1.2: Cấu trúc của hệ điều khiển mờ Mạng nơ-ron và kỹ thuật logic mờ hoàn toàn khác biệt, tuy nhiên có thể hợp nhất với nhau trong việc xử lý thông tin bằng cách xác định các quan hệ toán học giữa các 5
19. Chương 1 biến số trong trong một hệ thống phức tạp, mang tính ước chừng; điều khiển hệ thống phi tuyến ở một mức độ mà hệ thống tuyến tính là không thể. Trong hệ thống một hệ thống truyền động tối ưu, tốc độ động cơ cần theo đúng quỹ đạo quy định đặt ra bất kể sự thay đổi tải cũng như thay đổi các tham số mô hình. Để đạt được hiệu suất cao, điều khiển tựa theo từ trường trong truyền động động cơ cảm ứng được sử dụng [5]. Tuy nhiên khâu thiết kế điều khiển của hệ thống đóng một vai trò trong hệ thống. Việc tách biệt các thành phần của véc tơ điều khiển động cơ cảm ứng bị ảnh hưởng bất lợi 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 thông 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 mô hình tham chiếu, kiểm soát chế độ trượt (Slide Mode Control), kiểm soát cấu trúc biến (Variable Structure Control) và bộ điều khiển tự điều chỉnh PI [6-9]. Thiết kế các bộ điều khiển trên phụ thuộc vào các hệ thống mô hình toán học chính xác. Tuy nhiên thường rất khó để phát triển một mô hình toán học chính xác do sự thay đổi tải chưa biết và các biến thể tham số không thể tránh khỏi do bão hòa, sự thay đổi nhiệt độ và sự xáo trộn hệ thống. Để khắc phục những vấn đề trên, điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Control) đang được sử dụng cho mục đích điều khiển động cơ. Có một số lợi thế của điều khiển mờ so với thông thường PI, PID và điều khiển thích nghi chẳng hạn như nó không đòi hỏi bất kỳ mô hình toán học, nó được dựa trên các quy tắc ngôn ngữ trong cấu trúc chung IF-THEN, là cơ bản của logic của con người [10]. Khi đưa ra cách thức điều khiển mới cho hệ thống truyền động, để thuận tiện thường nghiên cứu hiệu suất của hệ thống bằng cách mô phỏng trước khi xây dựng mô hình thử nghiệm. Mô phỏng không chỉ xác nhận các hoạt động hệ thống, mà còn cho phép tối ưu hóa hiệu suất hệ thống bằng cách thực hiện phép lặp đối với các thông số của nó. Bên cạnh các tham số điều khiển và tham số mạch, ảnh hưởng do thay đổi tham số của đối tượng cũng được nghiên cứu. Nhờ đó tiết kiệm thời gian trong việc phát triển và thiết kế của sản phẩm, và các khâu lỗi do thiết kế có thể loại bỏ. Chương trình mô phỏng cũng giúp tạo ra các ‘mã nhúng’ điều khiển thời gian thực trên phần mềm để tải về bộ vi xử lý hoặc bộ xử lý tín hiệu số. Nhiều chương trình mô phỏng như PSPICE, EMTP, MATLAB/SIMULINK kết hợp các tính năng này. Những lợi thế của SIMULINK hơn các chương trình mô phỏng 6
20. Chương 1 khác là dễ dàng mô hình hóa các quá trình quá độ của các máy điện, truyền động điện và điều khiển trong mô phỏng. Để giải quyết các mục tiêu của luận văn này phần mềm MATLAB/ SIMULINK được sử dụng. Khâu điều khiển PI-mờ đề xuất được thực hiện bởi SIMULINK sử dụng hộp công cụ logic mờ cho các điều kiện vận hành khác nhau [11]. 1.2 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN. [1] “Modern Power Electronics and AC Drives”, Third impression, Bimal K. Bose, INDIA: Pearson Education, Inc., 2007. Hiệu suất động tốt cho truyền động điện là bắt buộc để đáp ứng với những thay đổi trong điều khiển tốc độ và mômen xoắn. Các yêu cầu của truyền động AC có thể được thực hiện bởi các hệ thống điều khiển vector. Với sự ra đời của phương pháp điều khiển vector, động cơ cảm ứng đã được điều khiển như một động cơ DC kích thích độc lập cho đem lại hiệu suất cao. Phương pháp này cho phép điều khiển các từ thông và mô-men xoắn của động cơ cảm ứng độc lập (tách biệt) bằng cách điều chỉnh các đại lượng tựa theo từ trường [2] 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. Kiểm soát 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 thông thường. [3] 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. Hệ thống điều khiển vector gián tiếp truyền thống sử dụng bộ điều khiển PI thông thường trong vòng lặp tốc độ bên ngoài vì sự đơn giản và ổn định. Tuy nhiên, sự thay đổi bất ngờ điều kiện tải trọng hoặc các yếu tố môi trường sẽ tạo ra vọt lố, dao động của tốc độ động cơ, dao động của mô-men xoắn, thời gian để đạt ổn định kéo dài và do đó làm giảm hiệu suất truyền động. Để khắc phục điều này, một bộ điều khiển thông minh dựa vào logic mờ có thể được sử dụng gọi là bộ điều chỉnh PI. Logic mờ có 7
21. Chương 1 những lợi thế nhất định so với các bộ điều khiển cổ điển như điều khiển đơn giản, chi phí thấp, và có thể thiết kế mà không cần biết các mô hình toán học chính xác của đối tượng. 1.3 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI. Với một số các ưu điểm của bộ điều khiển logic mờ đã được đề cập bên trên, cộng thêm mong muốn được tìm hiểu, áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại FOC cho các hệ truyền động động cơ không 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 không 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 không 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 cơ không 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 mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không 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 thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. Nghiên cứu mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không 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 quát toàn 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 đại FOC (Field Oriented Control) và logic mờ cho động cơ không đồng bộ ba pha nhằm thoả mãn các yêu 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