xây dựng mô hình thí nghiệm đặc tính động cơ điện một chiều

Trong đề tài này nội dung nghiên cứu được sắp xếp theo các chương:  Chương 1: Chương mở đầu  Chương 2: Giới thiệu chung về động cơ một chiều  Chương 3: Đặc tính cơ của động cơ một chi

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

MÃ SỐ: T2011- 43

Tp Hồ Chí Minh, 2011

S 0 9

S KC 0 0 3 3 6 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐẶC TÍNH

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

gày nay trong cuộc sống hằng ngày chúng ta thường xuyên gặp hệ truyền động điện ở bất kỳ nơi đâu Như trong các nhà máy xí nghiệp ở các dây chuyền sản xuất Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta cũng cần và sử dụng nhiều như thang máy, cầu trục, cần trục, Như vậy có thể nói truyền động điện đã khẳng định được vai trò của

nó trong cuộc sống và trong lao động sản xuất Do sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử và tin học nên các hệ truyền động điện cũng có các bước phát triển nhảy vọt

Như đã biết trong hệ thống truyền động điện không thể thiếu động cơ điện Động

cơ điện tạo ra moment quay để kéo cơ cấu sản xuất hoạt động nên nó đóng vai trò rất quan trọng trong hệ truyền động điện của cơ cấu sản xuất

Để chọn được loại động cơ hoạt động phù hợp với tính chất của tải thì ta cần phải biết đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính của tải Một vấn đề đặt ra là trong thực tế

có nhiều động cơ bị mất nhãn thì làm sao để ta chọn được cho phù hợp với yêu cầu hoạt động trong sản xuất Chính vì lẽ đó mà tác giả đã chọn đề tài: Khảo Sát Đặc Tính

Cơ Của Động Cơ Một Chiều

Ngoài ra với đề tài này sẽ cung cấp cho những sinh viên các ngành có liên quan đến bộ môn điện có cách nhìn trực quan và thực tế hơn về đặc tính cơ của động cơ Trong đề tài này nội dung nghiên cứu được sắp xếp theo các chương:

 Chương 1: Chương mở đầu

 Chương 2: Giới thiệu chung về động cơ một chiều

 Chương 3: Đặc tính cơ của động cơ một chiều

 Chương 4: Mạng neuron

 Chương 5: Thi công

N

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU

Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền thiết bị hiên đại đang du nhập vào nước ta Tác dụng của các công nghệ mới, thiết bị hiện đại đã và đang góp phần tích cực thúc đẩy sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá Các máy điện hiện đại trong mọi lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện năng thông qua các thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng trong các dây chuyền hiện đại, các thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không thể không kể đến các động cơ điện

Trong rất nhiều máy móc cần đến các loại động cơ điện một chiều với những mức công suất khác nhau phù hợp với chức năng hoạt động của nó

Động cơ điện một chiều dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng

Động cơ điện một chiều gồm có những loại:

o Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

o Động cơ điện một chiều kích từ song song

o Động cơ đện một chiều kích từ nối tiếp

o Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Nói tóm lại động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các dây chuyền sản xuất, các cơ cấu vận hành như thang máy, máy nâng, Nó có vai trò quan trọng và cần thiết trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá của đất nước ta hiện nay Với cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn cho chúng ta chế tạo và sửa chữa Góp phần cải thiện cuộc sống, sức lao động của con người nói chung và nhân dân Việt Nam ta nói riêng

2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính: phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor)

Hình 2.1: Phần tĩnh và phần động của động cơ điện một chiều

Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn dây:

Lõi sắt cực từ được làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon được ép lại với nhau và tán chặt thành một khối các cực từ được gắn vào vỏ máy bằng các bulông Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng với nhau qua trục động

cơ, tuỳ theo động cơ mà số cặp cực từ có thể có 1,2,3, hoặc nhiều hơn

Các máy điện nhỏ cực từ được làm bằng thép khối Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật được sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn Các cuộn dây được mắc nối tiếp với nhau Các cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận trước khi đặt vào các cực từ

Hình 2.2: Cực từ chính

2.1.1.2 Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều Cực

từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn Dây quấn cực từ phụ tương tự như dây quấn cực từ chính

2.1.1.3 Gông từ

Gông từ là phần nối tiếp các cực từ Đồng thời gông từ làm vỏ máy, từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín sẽ chạy trong mạch từ Trong máy điện lớn gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy điện nhỏ gông từ làm bằng thép lá được uốn lại thành hình trụ tròn rồi hàn

2.1.1.4 Các bộ phận khác

- Nắp máy: Nắp máy dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho các

vật bên ngoài rơi vào trong máy có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ Đồng thời nắp máy để cách ly người sử dụng với bộ phận của máy khi động cơ đang quay, đang có điện Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ

- Cơ cấu chổi than (chổi điện): Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ ngoài

vào nếu máy là động cơ và đưa dòng điện ra nếu máy là phát điện Cơ cấu chổi than gồm có 2 chổi than làm từ than cacbon thường là hình chữ nhật Hai chổi than được đựng trong hộp chổi than và luôn tỳ lên hai vành góp nhờ 2 lò xo Hộp chổi than có thể thay đổi được vị trí sao cho phù hợp

2.1.2 Phần quay

2.1.2.1 Lõi sắt phần ứng

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tôn Silic dầy 0,5mm có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy Phucô gây ra Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào Lõi sắt là hình trụ tròn và được ép cứng vào với trục tạo thành một khối thống nhất

Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh để khi

ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ

2.1.2.2 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động

2.1.2.3 Cổ góp

Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mica đặt ở giữa Đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau

2.1.2.4 Các bộ phận khác

- Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động cơ Cánh quạt được lắp trên

trục động cơ để hút gió từ ngoài qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từ ngoài vào qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn, mạch từ

- Trục máy: Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon Trên trục

máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi ở nắp máy

2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Để động cơ hoạt động ta phải cấp nguồn cho cuộn dây kích từ để tạo ra từ trường, và cấp nguồn cho cuộn dây phần ứng được đưa vào nhờ hai chổi than tì vào hai cổ góp của phần ứng

Hình 2.4: phương pháp đưa điện vào cuộn dây phần ứng

Đầu tiên ta cấp điện cho cuộn dây kích từ, cuộn cảm sẽ sinh ta một từ trường hướng từ cực bắc sang cực nam như hình vẽ

Nếu nối hai chổi điện A, B vào nguồn điện một chiều, dòng một chiều sẽ chạy trong các thanh dẫn ab, cd Tác dụng của từ trường nam châm lên các thanh dẫn có

dòng điện sẽ sinh ra lực điện từ Độ lớn của lực điện từ được xác định theo công thức:

F = B.l.i (2-1)

B - cảm ứng từ trung bình trong khe hở,

l - chiều dài thanh dẫn nằm trong từ trường,

i - dòng điện chạy trong thanh dẫn

Chiều của lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái (xem hình 2.5)

Lực điện từ tác dụng lên các thanh dẫn ở mỗi vùng cực có chiều không đổi nên mômen do lực điện từ sinh ra cũng có chiều không đổi, làm cho khung dây quay theo một chiều nhất định Đó chính là nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 2.5: Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ và moment của động cơ Mỗi loại động cơ đều

có dạng đặc tính cơ khác nhau Để cho cơ cấu truyền động làm việc ổn định ta cần phải nắm rõ đặc tính cơ của từng loại động cơ để lựa chọn động cơ phù hợp với tính chất của tải

Trong chương này sẽ giới thiệu về đặc tính cơ của:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

3.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song

- Động cơ điện một chiều kích tư độc lập và động cơ điện một chiều kích từ song song về nguyên tắc thì chúng giống nhau

- Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (Cuộn ứng)

Hình 3.1: Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ độc lập

- Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song

Hình 3.2: Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ song song

3.1.1 Phương trình đặc tính cơ

- Khi động cơ làm việc rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng, Có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ Theo sơ đồ nối dây của động

cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ một chiều kích từ song song ta có thể

viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

U = E + IưRư (3-1) Trong đó:

U: điện áp lưới [V]

E: Sức điện động của động cơ [V]

Iư:: dòng điện phần ứng của động cơ [A]

Rư: Điện trở toàn bộ của mạch phần ứng []

Rư = Rư + Rp (3-2)

Rp: Điện trở phụ thêm vào mạch phần ứng []

Rư: Điện trở mạch phần ứng []

Rư = rư +rct+ rcb + rcp (3-3)

rƣ : Điện trở cuộn dây phần ứng

rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

N: Thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

2 Hệ số cấu tạo của động cơ (3-5)

+ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

60 Hệ số sức điện động của động cơ (3-9)

Biểu thức (3-11) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Giả sử rằng phần ứng của động cơ được bù đủ, từ thông  =const, thì phương trình đặc tính cơ điện(3-11) và phương trình đặc tính cơ (3-14) là tuyến tính Khi đó đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình vẽ là những đường thẳng

Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

Khi đó thì 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi = 0

ta có từ phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta có:

= (3-19)

Tốc dộ động cơ 0 là tốc độ ứng với Mc = 0 nghĩa là khi không có lực cản nào

cả Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ổ chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra được trường hợp Mc = 0 (do lực ma sát luôn luôn tồn tai khi động

cơ quay) Vì vậy như ta đã nói ở trên 0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ

Khi mà toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thì Rư = Rư và phương trình đặc tính

cơ của động cơ được viết là:

- Với đường đặc tính cơ như vậy Khi mà phụ tải của động cơ tăng dần từ Mc =

0 đến Mc= Mđm (Mc = Mđm – 0) thì tốc độ động cơ sẽ giảm dần từ xuống đm (

= 0 - đm) Khi đó điểm A( đm , Mđm) gọi là điểm làm việc định mức của động cơ

3.1.2 Ảnh hưởng của các thông số với đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta thấy có ba

tham số ảnh hưởng tới đặc tính cơ của động cơ: từ thông động cơ , điện áp phần ứng

Uư, và điện trở phần ứng của động cơ Chúng ta sẽ lần lượt đề cập những ảnh hưởng

của các tham số này

3.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:

Giả thiết Uư = Uđm = const và  = đm =const

Để thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

=

dm

dmK

U

Φ = const (3-21)

Hình 3.5: Họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc khi thay đổi điện trở

phần ứng

Còn độ dốc (hay độ cứng) sẽ thay đổi theo tỷ lệ thuận theo điện trở tổng cộng phần

ứng:  = -

f u

dm

R R

K

+

2

)Φ(

= var (3-22)

Như vậy khi tăng điện trở phụ Rf trong mạch phần ứng ta được một họ đường

đặc tính nhân tạo cùng đi qua điểm O (0, )

Khi tăng Rf lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc Ứng với giá trị

Rf = 0 ta có đường đặc tính cơ tự nhiên,với độ dốc:

u

dm TN

R

KΦ )2(

=

β (3-23)

Từ đó suy ra TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất

cả các đướng đặc tính có điện trở phụ

Tóm lại khi ta thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đường đặc tính biến trở

có dạng như hình vẽ Ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động

cơ càng giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng

điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

3.1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả sử từ thông  = đm = const, điện trở phần ứng Rư = const Khi chúng thay

đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm Vì điện áp đặt vào phần ứng không thể thay

đổi vượt qua giá trị định mức Trong trường hợp này, dộ dốc (hay độ cứng) của đặc

tính cơ không thay đổi

 = -

u

R

KΦ)2(

cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên (TN) và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên Các đường đặc tính cơ này gọi là các đường đặc tính cơ nhân tạo

độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động

3.1.2.3 Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const Điện trở phần ứng Rư = const Để thay đổi dòng kích từ Ikt nhờ biến trở Rkt mắc ở cuộn cảm Trong trường hợp này tốc

độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi

+ Tốc độ không tải lý tưởng: (3-26) + Độ cứng đặc tính cơ: (3-27)

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từ

thông giảm thì tăng còn  giảm Ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ

cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch: const

R

U I

3.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

3.2.1 Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ:

Hình 3.8: a) Sơ đồ nối dây, b) Đặc tính từ hóa của động cơ kích từ nối tiếp

Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: nguồn một chiều cấp chung cho phần ứng nối tiếp kích từ.

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy dòng kích từ chính là dòng phần ứng,nên từ thông của động

cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng và phụ tải của động cơ

Theo sơ đồ hình….,ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

Trong đó: U là điện áp nguồn [V]

E: Sức điện động của động cơ [V]

Iư:: dòng điện phần ứng của động cơ cũng là dòng qua cuộn dây kích từ [A]

R = Rư + Rkt + Rf (3-31)

Trong này: Rư điện trở phần ứng động cơ

Rkt điện trở cuộn dây kích từ

Để đơn giản hoá khi thành lập phương trình đặc tính cơ ta coi mạch từ của động cơ là chưa bảo hoà, quan hệ giữa từ thông với dòng kích từ là tuyến tính như đường (2) hình…

C.Ikt (C: hệ số tỉ lệ) (3-34)

nếu bỏ qua phản ứng phần ứng ta có:

C.Ikt = C.Iư = C.I (3-35)

kết hợp (2.30) và (2.35) ta được phương trình đặc tính cơ điện của động cơ kích từ nối tiếp :

Qua phương trình (3-36) và (3-40) ta thấy đặc tính cơ điện và đặc tính cơ rất mềm và

có tốc độ không tải lý tưởng bằng vô cùng Thực tế không có tốc độ không tải lý tưởng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Hình 3.9: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

Như vậy đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp có dạng đường hypebol và rất mềm Nó có hai đường tiệm cận:

+ Khi I 0, ∞: Tiệm cận trục tung

+ Khi -B, ∞: tiệm cận đường

Hình 3.10: Tiệm cận của đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

3.2.2 Đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp:

Các phương trình (3-32), (3-33) và các đặc tính trên hình (3.10) được rút ra với giả thiết đặc tính từ hoá = f(I) là đường thẳng Tuy nhiên trong thực tế quan hệ đó là phi tuyến nên việc viết phương trình và vẽ các đặc tính cơ là rất khó khăn Vì vậy nhà chế tạo động cơ thường cho trước các đường cong thực nghiệm:

và khi không có điện trở phụ, và được gọi là đặc tính vạn năng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

Hình 3.11: Đặc tính vạn năng của động cơ kích từ nối tiếp

Các đặc tính này theo đơn vị tương đối:

Dùng chung cho động cơ trong dãy công suất có cùng tiêu chuẩn thiết kế

Đối với động cơ đã cho, ta chỉ lấy giá trị nhân vào trục tung và lấy giá trị nhân vào trục hoành, ta sẽ được đặc tính cơ tự nhiên = f(I) của động cơ đó Mặt khác, từ giá trị tra theo đường =f( ) ta được giá trị tương ứng Nhân giá trị

đó với Mđm của động cơ đã cho ta được M Như vậy , từ đặc tính cơ điện tự nhiên và đặc tính cơ vạn năng ta sẽ được đặc tính cơ tự nhiên

Thập niên 1940: Donald Hebb đã đề xuất cơ chế cho việc học trong các tế bào thần kinh sinh học Warren McCulloch và Walter Pitts đã đề xuất một mô hình đầu tiên cho mạng thần kinh nhân tạo có khả năng tính toán số học bất kỳ hoặc các hàm logic bất kỳ

Thập niên 1950: Frank Rosenblatt đã có những thí nghiệm đầu tiên mạng thần kinh nhân tạo và với phát minh của mạng Perceptron và luật học hỗ trợ Rosenblatt đã xây dựng mạng perceptron và minh chứng khả năng của mạng có thể nhận dạng mẫu vật Tuy nhiên, mạng perceptron chỉ có thể giải quyết được một số vấn đề giới hạn Cùng thời, Bernard Widrow and Ted Hoff giới thiệu một luật học mới và sử dụng

để huấn luyện mạng neuron tuyến tính thích nghi - Adaline Mạng này có cấu trúc tương tự và khả năng giống mạng perceptron Tuy nhiên, cả mạng perceptron và adaline gặp phải những vấn đề giới hạn của chính bản thân của mạng Rosenblatt và Widrow đã đề xuất mạng mới có thể giải quyết được những giới hạn nội tại Tuy nhiên, họ đã không thành công trong chỉnh sữa thuật toán huấn luyện cho một mạng phức hợp

Thập niên 1960: Nhiều nhà khoa học tin rằng mạng neuron không phát triển được

và cũng không có một máy tính đủ mạnh để thực hiện những thí nghiệm, mạng neuron

bị lãng quên trong thập niên 1960

Thập niên 1970: Teuvo Kohonen và James Anderson đã độc lập và tách biệt phát triển một mạng neuron mới Mạng này có thể hoạt động như một bộ nhớ Stephen Grossberg cũng phát minh ra mạng tự tổ chức (Self-Organizing)

Thập niên 1980: Những nghiên cứu về mạng neuron đã bị lãng quên trong thập niên 1960 bởi vì không có ý tưởng mới cho mạng và không có máy tính thử nghiệm Tuy nhiên trong thập niên 1980, cả hai vấn đề này điều được giải quyết và những nghiên cứu về mạng neuron phát triển một cách đột phá

Thập niên 1980: Hai khái niệm mới đã làm hồi sinh cho mạng neuron Đầu tiên là

sử dụng cơ chế thống kê để diễn tả hoạt động của một lớp mạng hồi quy (recurrent network) Mạng này có thể hoạt động như một bộ nhớ và được phát minh bởi John Hopfield

Thứ hai là giải thuật học lan truyền ngược (backpropagation) cho huấn luyện mạng perceptron đa lớp Giải thuật này được phát hiện bởi rất nhiều nhà khoa học và hoàn thiện bởi David Rumelhart và James McClelland

Những phát triển mới lại tiếp thêm sinh lực cho mạng neuron Trong mười năm gần đây, hàng ngàn bài báo được viết và nhiều ứng dụng được thực hiện trên nhiều lĩnh vực Rất khó để tuyên đoán mức độ thành công trong tương lai của mạng neuron, một số lượng rất lớn và đa ứng dụng đã và đang sử dụng kỹ thật mạng neuron

4.1.2 Ứng dụng

Mạng neuron (neural networks) đã áp dụng từ hơn 60 năm qua, có ích trong việc thiết lập mô hình liên quan nhân quả, đặc biệt đối với dự liệu phi tuyến hay dữ liệu phức tạp

Trong quá trình phát triển, mạng nơron đã được ứng dụng thành công trong rất nhiều lĩnh vực Dưới đây liệt kê ra một số ứng dụng chính của mạng neuron:

 Không gian vũ trụ: Phi thuyền không người lái, mô phỏng đường bay, tăng cường khả năng điều khiển, mô phỏng các chi tiết máy bay, phi thuyền, dự báo hỏng hóc,…

 Giao thông: Hướng dẫn lưu thông tự động, phân tích cảnh báo tình trạng giao thông, xác định đường đi tối ưu

 Ngân hàng: Kiểm soát các hóa đơn chứng từ và các tư liệu khác, dự báo chứng khoán, kiểm tra thẻ tín dụng,…

 Quân sự: Vũ khí tự động, truy tìm mục tiêu, phân biệt đối tượng, nhận dạng tín hiệu và hình ảnh, các ứng dụng trong tàu ngầm, xử lý tín hiệu radar,…

 Điện tử: Giải mã, dự báo lỗi chip, tổng hợp âm thanh, mô hình hóa hệ thống

 Giải trí: Phim hoạt hình, kỹ xảo điện ảnh

 Tài chính: Định giá bất động sản, tư vấn nợ, thế chấp, phân tích khả năng tài chính của công ty,…

 Công nghiệp: Kiểm soát các lò nung, kiểm soát các quy trình công nghiệp, phân tích và thiết kế sản phẩm, dự báo chất lượng sản phẩm,…

 Y học: Phân tích tế bào ung thư, thiết kết các bộ phận giả cho cơ thể,…

 Dầu khí: Thăm dò quặng

 Robotics: Điều khiển tay máy, camera robots,…

 Ngôn ngữ: Nhận dạng giọng nói, chữ viết, nén âm thanh, phân loại nguyên âm,…

 Ngoài ra còn rất nhiều các ứng dụng trên nhiều lĩnh vực như kiểm soát cháy

nổ gas, dầu, xử lý các qui trình công nghệ,…

4.1.3 Mạng neuron sinh học

Mạng neuron sinh học được tạo thành bởi sự liên kết giữa rất nhiều tế bào thần kinh (nơron) Các xung động thần kinh được truyền từ khớp qua trục để đến thân Thân tế bào tổng hợp các xung động thần kinh và ra quyết định tiếp tục truyền các tín hiệu sang tế bào thần kinh khác

Hình 4.1: Cấu trúc của một tế bào thần kinh sinh học

4.1.4 Mạng neuron nhân tạo

Mạng neuron nhân tạo là sự mô phỏng cấu trúc của mạng neuron sinh học, đƣợc tạo thành bởi sự liên kết giữa rất nhiều đơn vị thần kinh (perceptron) Những đơn vị thần kinh có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu, xác định trọng số Wi, tổng cộng và chuyển các tín hiệu ấy sang các đơn vị thần kinh khác

Cấu tạo và đặc điểm của một tế bào thần kinh sinh học so với một đơn vị thần

kinh nhân tạo có thể đƣợc tóm tắt nhƣ sau:

Tế bào thần kinh sinh học

 Chất hóa học trung gian

Đơn vị thần kinh nhân tạo

 Đầu vào (input)

Cấu trúc của một mạng neuron nhiều lớp thông thường được minh họa như sau:

Trong quá trình phát triển, đã có nhiều mô hình mạng nơron được đề nghị:

- Năm 1982 Hopfield đề nghị mô hình mạng 1 lớp với trọng số đối xứng, được gọi

Lớpvào Lớpẩn LớpraHình 4.3: Cấu trúc của mạng neuron thường gặp

- Năm 1984 Kohonen đề nghị mô hình mạng nơron khác dựa trên ý tưởng chính là phân lớp các giá trị đầu vào, được gọi là mạng Kohonen hay mạng winner-take-all

- Năm 1986 Rumelhart và McClelland giới thiệu mô hình mạng lan truyền ngược ứng dụng trong các dạng mạng neuron phức tạp, nhiều lớp Mô hình này đang được dùng khá phổ biến trong các bài toán trí tuệ nhân tạo có sử dụng mạng neuron

4.2 Các khái niệm cơ bản về mạng neuron:

4.2.1 Đơn vị xử lý

Một đơn vị xử lý (hình 4.4), cũng được gọi là một neuron hay một nút (node), thực hiện công việc rất đơn giản: nhận tín hiệu vào từ các đơn vị phía trước hay một nguồn ngoài và sử dụng chúng để tín hiệu sẽ được lan truyền sang các đơn vị khác

Trong đó:

xi: các đầu vào

wji: các trọng số tương ứng với các đầu vào

bj: độ lệch (bias)

aj: đầu vào mạng (net input)

zj: đầu ra của nơron

f(x): hàm kích hoạt (hàm truyền)

j i n

i ji

Trong một mạng neuron có ba kiểu đơn vị:

- Các đơn vị đầu vào (Input units), nhận tín hiệu từ bên ngoài;

- Các đơn vị đầu ra (Output units), gửi dữ liệu ra bên ngoài;

- Các đơn vị ẩn (Hidden units), tín hiệu vào (input) và ra (output) của nó nằm trong mạng

4.2.2 Hàm xử lý

4.2.2.1 Hàm kết hợp

Mỗi một đơn vị trong một mạng kết hợp các giá trị đưa vào nó thông qua các liên kết với các đơn vị khác, sinh ra một giá trị gọi là net input Hàm thực hiện nhiệm vụ này gọi là hàm kết hợp (combination function), được định nghĩa bởi một luật lan truyền cụ thể Trong phần lớn các mạng neuron, chúng ta giả sử rằng mỗi một đơn vị cung cấp một bộ cộng như là đầu vào cho đơn vị mà nó có liên kết Tổng đầu vào đơn

vị j đơn giản chỉ là tổng trọng số của các đầu ra riêng lẻ từ các đơn vị kết nối cộng thêm ngưỡng hay độ lệch (bias) bj

j i n

i ji

a   

 1

Trường hợp wij > 0, nơron được coi là đang ở trong trạng thái kích thích Tương

tự, nếu như wij < 0, neuron ở trạng thái kiềm chế Chúng ta gọi các đơn vị với luật lan truyền như trên là các sigma units Đối với một đơn vị đầu ra tuyến tính, thông thường

bj được chọn là hằng số và trong bài toán xấp xỉ đa thức bj = 1

4.2.2.2 Hàm kích hoạt (hàm truyền)

Phần lớn các đơn vị trong mạng neuron chuyển net input bằng cách sử dụng một hàm vô hướng (scalar-to-scalar function) gọi là hàm kích hoạt, kết quả của hàm này là một giá trị gọi là mức độ kích hoạt của đơn vị (unit’s activation) Hàm số được gọi là hàm kích hoạt có dạng chữ S nếu có các tính chất sau: