Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi để cân bằng tải cho hệ hai động cơ một chiều kích từ độc lập nối cứng trục

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THỊ PHƯỢNG

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN

BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH

TỪ ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THỊ PHƯỢNG

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ĐỂ CÂN

BẰNG TẢI CHO HỆ HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ

ĐỘC LẬP NỐI CỨNG TRỤC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN, 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thị Phượng

Sinh ngày: 25 tháng 12 năm 1982

Học viên lớp cao học khoá 18 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công

Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp-Giáo dục thường

xuyên huyện Võ Nhai tỉnh Thái Nguyên.

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của

giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Lê Thị Phượng

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Phòng đào

tạo, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các đồng nghiệp đã giúp đỡ

và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận

văn của mình.

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các

thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái

Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy

PGS.TS. Trần Xuân Minh đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi

xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề

tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các

thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa

trong quá trình công tác sau này.

Học viên

Lê Thị Phượng

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1

1. Mục tiêu của luận văn ....................................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................... 1

3. Nội dung của luận văn....................................................................................... 2

Chương 1.............................................................................................................. 2

TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU... 3

NỐI CỨNG TRỤC.............................................................................................. 3

1.1. Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều .......................................... 3

1.1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ [1]............... 3

1.1.1.1. Hướng điều chỉnh tốc độ.......................................................................... 3

1.1.1.2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh)............................................ 3

1.1.1.3. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ....................................... 4

1.1.1.4. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ .......................... 4

1.1.1.5. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: ............................................. 5

1.1.1.6. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:..................................... 5

1.1.2. Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều ........................... 5

1.1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

............................................................................................................................. 5

1.1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông........................................ 6

1.1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 7

1.1.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng ..................................... 8

1.1.2.5. Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ ( F - Đ ).......... 10

1.2. Bài toán điều khiển hai động cơ một chiều nối cứng trục ........................... 11

1.2.1. Giải pháp truyền thống [8]........................................................................ 13

1.2.2. Giải pháp đề xuất [1, 9, 10]....................................................................... 17

1.3. Mô hình điều khiển hệ thống ....................................................................... 19

1.3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................. 19

1.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển ................................................................... 20

1.3.3. Mô hình điều khiển hệ thống 02 động cơ một chiều ................................ 22

1.4. Kết luận chương 1 ........................................................................................ 25

Chương 2............................................................................................................ 26

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI ........ 26

2.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ.................................................... 26

2.1.1. Hệ Logic mờ.............................................................................................. 26

iv

2.1.1.1. Khái niệm về tập mờ .............................................................................. 26

2.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ........................................................... 27

2.1.2. Bộ điều khiển mờ ...................................................................................... 35

2.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động .......................................................................... 35

2.1.2.3. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ..................... 36

2.1.2.4. Điều khiển mờ thích nghi....................................................................... 36

2.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng .... 37

2.2.1. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh

điển ...................................................................................................................... 37

2.2.2. Sơ đồ điều khiển thích nghi mờ kiểu truyền thẳng (FMRAFC) ............... 39

2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song........... 41

2.3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................. 41

2.3.2. Mô hình toán học của bộ điều khiển mờ................................................... 42

2.3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song ..... 46

2.4. Cấu trúc điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển mờ thích nghi ................ 48

2.5. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 48

Chương 3............................................................................................................ 49

KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG

MATLAB/SIMULINK...................................................................................... 49

3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID cho động cơ 01 .............................................. 49

3.2. Khảo sát chất lượng với với bộ điều khiển mờ thích nghi cho mạch vòng

dòng điện ............................................................................................................. 55

3.2.1. Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................ 55

3.2.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 56

3.3. Khảo sát chất lượng điều khiển khi có mạch vòng tốc độ ........................... 60

3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ.................................................................. 60

3.3.2. Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................ 62

3.3.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 63

3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 67

1. Kết luận ........................................................................................................... 67

2. Kiến nghị......................................................................................................... 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT

Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 F-C Máy phát-động cơ

2 CKT Cuộn kích từ

3 BĐK Bộ điều khiển

4 BBĐ Bộ biến đổi

5 DC1 Động cơ 1

6 DC2 Động cơ 2

7 PID Bộ điều khiển

8 DC Một chiều

9 AC Xoay chiều

10 FLC Một cấu trúc thông dụng nhất của hệ mờ

11 MRAFC Thích nghi mờ theo mô hình mẫu

12 FMRAFC Thích nghi mờ theo mô hình mẫu kiểu truyền thẳng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Luật điều khiển mờ............................................................................. 43

Bảng 2.2 Kết quả của phép lấy Max - Min trong ô suy luận .............................. 45

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Nguyên lý hệ thống một động cơ một chiều làm việc với tải............. 12

Hình 1.2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ nối cứng trục với tải........................... 13

Hình 1.3: Giải pháp truyền thống sử dụng 02 động cơ với 2 cuộn phần ứng, kích

từ mắc nối tiếp..................................................................................................... 14

Hình 1.4: Hệ thống 02 động cơ với 2 bộ biến đổi (điều khiển) riêng rẽ............. 15

Hình 1.5: Giải pháp điều khiển truyền thống với 2 mạch vòng điều khiển (vòng

điều khiển dòng kép)........................................................................................... 16

Hình 1.6: Giải pháp điều khiển đề xuất sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo

mô hình mẫu........................................................................................................ 18

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập........................... 19

Hình 1.8: Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều.................................... 20

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của động cơ một chiều....................... 22

Hình 1.10: Cấu trúc trạng thái động của hệ thống 02 động cơ một chiều chung

tải, nối cứng trục.................................................................................................. 23

Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi của hệ thống 02 động cơ một

chiều .................................................................................................................... 24

chung tải, nối cứng trục....................................................................................... 24

Hình 2.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ................................................................... 27

Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ........................................................ 27

Hình 2.3: Luật hợp thành .................................................................................... 29

Hình 2.4: Mờ hoá ................................................................................................ 30

Hình 2.5: Thực hiện phép suy diễn mờ............................................................... 31

Hình 2.6: Thực hiện phép hợp mờ ...................................................................... 32

Hình 2.7: Những nguyên lý giải mờ. ................................................................. 33

Hình 2.8: Cấu trúc một hệ logic mờ.................................................................... 34

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD .................................................. 35

Hình 2.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1).............................. 35

Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2).............................. 36

Hình 2.12: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID36

Hình 2.14: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp ................................... 37

Hình 2.15: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K............................. 39