Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA

Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là loại máy quan trọng, mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. Do động cơ một chiều có nhiều ưu điểm, khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt vì vậy mà động cơ một chiều vẫn được lựa chọn sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải, ... Hướng phát triển hiện nay là nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ. Vì vậy vai trò của việc nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ngày càng được khẳng định và cần được phát triển. Để nâng cao độ tin cậy, tính hiệu quả, sự ổn định của động cơ một chiều có rất nhiều phương pháp. Sau khi tìm hiểu các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều, tôi đã nhận thấy tầm quan trọng cũng như ý nghĩa thực tiễn của hệ thống này cũng như khả năng phát triển trong tương lai. Do đó đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA”

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

Nguyễn Thị Thúy

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ FPGA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Bùi Thị Hải Linh

Thái Nguyên – Năm 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Thúy

Sinh ngày: 16/7/1987

Học viên lớp cao học CH K21 - KTĐK & TĐH- Trường Đại học kỹ thuật

Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Hiện nay tôi đang công tác tại: Trường Cao đẳng Công nghệ và Nông lâm Đông Bắc

Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động

cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA” do Cô giáo TS Bùi Thị Hải Linh hướng

dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của cô giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Thuý

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp

đỡ và hướng dẫn tận tình của Cô giáo hướng dẫn TS Bùi Thị Hải Linh, luận văn

với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng

dụng công nghệ FPGA” đã hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Cô giáo hướng dẫn TS Bùi Thị Hải Linh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn

thành luận văn này

Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy giáo trong khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Khoa Điện- Điện tử trường Cao đẳng Công nghệ và Nông lâm Đông Bắc đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn

Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô để luận văn này được hoàn thiện hơn

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Thuý

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 13

1 Lý do chọn đề tài 13

2 Tính cấp thiết của đề tài luận văn 13

3 Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 14

4 Mục tiêu của luận văn 15

5 Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn 15

6 Bố cục của luận văn 16

CHƯƠNG 1 17

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 17

1.1 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều 17

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 17

1.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều 19

1.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều 20

1.2 Đặc tính động cơ điện một chiều 22

1.2.1 Phương trình đặc tính cơ 22

1.2.2 Đường đặc tính cơ 25

1.3 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ một chiều 26

1.4 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2 29

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT

CHIỀU 29

2.1 Tổng quan về Logic Mờ 29

2.1.1 Quá trình phát triển của Logic Mờ 29

2.1.2 Khái niệm về tập Mờ 29

2.2 Tìm hiểu về hệ thống điều khiển Mờ 32

2.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 32

2.2.2 Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ 32

2.2.3 Bộ điều khiển mờ tĩnh 33

2.2.4 Bộ điều khiển mờ động 37

2.3 Hệ thống điều khiển Mờ lai và đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều 39

2.3.1 FLC được mắc song song với PID kinh điển 40

2.3.2 FLC làm nhiệm vụ một khóa mờ 40

2.3.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều 41

2.4 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 42

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 42 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng hai mạch vòng 42

3.1.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện 43

3.1.2 Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ 46

3.2 Mô phỏng cấu trúc điều khiển Mờ lai ổn định tốc độ động cơ một chiều có kể

đến yếu tố nhiễu tác động 49

3.2.1 Thuật toán điều khiển Mờ lai cho mạch vòng tốc độ 50

3.2.2 Mô phỏng thuật toán điều khiển mờ lai cho mạch vòng tốc độ 54

3.3 Kết luận chương 3 59

CHƯƠNG 4 60

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG CỦA FPGA TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 60

4.1 Tổng quan về FPGA 60

4.1.1 Khái quát chung 60

4.1.2 Cấu trúc của FPGA 61

4.2 Ngôn ngữ VHDL 64

4.2.1 Giới thiệu về VHDL 64

4.2.2 Cấu trúc một mô hình hệ thống sử dụng VHDL 65

4.2.3 Mô hình kiểm tra hoạt động (Testbench) 69

4.2.4 Các đối tượng và các kiểu dữ liệu trong VHDL 69

4.2.5 Giới thiệu Broad DE2 - 115 72

4.3 Ứng dụng công nghệ FPGA để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 83

4.4 Kết luận chương 4 85

CHƯƠNG 5 86

HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA 86

5.1 Sơ đồ khối kết nối vật lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán mờ lai trên FPGA 86

5.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm 86

5.1.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống thí nghiệm 88

5.2 Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán mờ lai trên FPGA 93

5.3 Kết luận chương 5 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Iư là dòng điện phần ứng động cơ (A)

rư Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)

rct Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

rcb Điện trở cuộn bù (Ω)

rcp Điện trở cuộn phụ (Ω)

 là vận tốc góc của rô to (rad/s)

 là từ thông chính đi qua cực từ

p là số đôi cực từ chính

N là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

KE là hệ số sức điện động, phụ thuộc vào kết cấu của động cơ

n0 là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều

n là tốc độ của động cơ điện một chiều

Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt

PDL Bộ điều khiển

Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh

ASIC Application Specific Integrated Circuit

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hoạt động của động cơ DC 21

Hình 1.2: Động cơ điện một chiều 22

Hình 1 3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 26

Hình 1 4: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều 27

Hình 2.1: Hàm phụ thuộc A(x)của tập kinh điển A 30

Hình 2 2: Hàm liên thuộc B(x) của tập "mờ" B 30

Hình 2 3: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ 31

Hình 2 4: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ 32

Hình 2 5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 32

Hình 2 6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 33

Hình 2 7: Đặc tính vào - ra cho trước 35

Hình 2 8: a,b: Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào, ra 36

Hình 2 9: a,b: Hệ điều khiển mờ theo luật PI 38

Hình 2 10: Hệ điều khiển mờ theo luật PD 38

Hình 2 11: Hệ điều khiển Mờ theo luật PID 39

Hình 2 12: a) Nguyên lý điều khiển mờ lai; b) Vùng tác động của các bộ điều khiển 40

Hình 2 13: Vùng tác động của các bộ điều khiển 41

Hình 2 14: Cấu trúc hệ mờ lai điều khiển tốc độ động cơ sử dụng Switch chuyển mạch 42

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 43

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện 44

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện 45

Hình 3.4: Bộ điều chỉnh dòng điện kiểu PI với bộ lọc trước và bộ lọc phản hồi 46

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay 48

và xử lý gần đúng của nó 48

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ mờ lai cho động cơ một chiều 49

trên Matlab Simulink 49

Hình 3.7: Các biến ngôn ngữ vào/ra cho bộ điều khiển mờ 50

Hình 3.8: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu vào ET 51

Hình 3.9: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu vào DET 51

Hình 3.10: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu ra Switch chuyển mạch giữa hai bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ 52

Hình 3.11: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu ra Switch chuyển mạch giữa hai bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ 53

Hình 3.12: Thiết lập luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 53

Hình 3.13: Mô phỏng đáp ứng giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai trong bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều khi không có nhiễu tác động 55

Hình 3.14: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ (tốc độ đặt dạng hàm Step) 55

Hình 3.15: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ (tốc độ đặt dạng xung vuông) 56

Hình 3.16: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ khi thay đổi giá trị tốc độ đặt (tốc độ đặt dạng xung vuông) 56

Hình 3.17: Mô phỏng đáp ứng giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai trong bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều khi có nhiễu tác động 57

Hình 3.18: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của mạch vòng tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ 58

(tốc độ đặt dạng hàm Step ) 58

Hình 3.19: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của

mạch vòng tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ 58

(tốc độ đặt dạng xung vuông) 58

Hình 3.20: Minh họa nguyên lý hoạt động của Switch chuyển mạch trong 59

bộ điều khiển mờ lai 59

Hình 4 1: Cấu trúc tổng quan của FPGA 62

Hình 4 2: Khối logic lập trình được của FPGA 63

Hình 4 3: Mạch bán tổng 66

Hình 4 4: Các bước thực hiện một project 68

Hình 4.5: Board DE2-115 73

Hình 4.6: Sơ đồ kết nối giữa push button và Cyclone IV 73

Hình 4.7: Kết nối giữa các switch và Cyclone IV 74

Hình 4.8: Kết nối giữa LED và Cyclone IV 75

Hình 4.9: LED 7 đoạn nối với Cyclone IV 75

Hình 4.10: Sơ đồ kết nối PS/2 trên board DE2-115 76

Hình 4.11: Cáp mở rộng PS/2Y 76

Hình 4 12: Sơ đồ kết nối VGA trên board DE2-115 77

Hình 4.13: Sơ đồ kết nối SRAM trên board DE2-115 77

Hình 4 14: Sơ đồ kết nối SDRAM trên board5 DE2-11 78

Hình 4.15: Sơ đồ kết nối FLASH trên board DE2-115 78

Hình 4.16: Sơ đồ kết nối EEPROM trên board DE2-115 79

Hình 4.17: Sơ đồ kết nối SD card trên board DE2-115 79

Hình 4.18: Các bước thiết kế và hiện thực ứng dụng với Quartus II 11.0 81

Hình 4.19: Giao diện thiết kế của phần mềm Quartus II 82

Hình 4.20: Cấu trúc của IC điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 84

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm 86

Hình 5.2: Hệ thống thí nghệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ ĐK Mờ lai ứng dụng công nghệ FPGA 86

Hình 5.3: Động cơ 1 chiều gắn Encoder 88

Hình 5.4: Module L298N 89

Hình 5.5: DE2-115 Board 90

Hình 5.6: Khối nguồn 91

Hình 5.7: Cấu trúc hệ thống bộ điều khiển Mờ lai nhúng trong FPGA Board 91

Hình 5.8: Bảng gán chân thiết bị 92

Hình 5.9: Biên dịch thành công chương trình 93

Hình 5.10: Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p 93 Hình 5.11 Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 600v/p đến 1800v/p 94

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là loại máy quan trọng, mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ một chiều có nhiều ưu điểm, khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt vì vậy mà động cơ một chiều vẫn được lựa chọn sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải, Hướng phát triển hiện nay là nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ Vì vậy vai trò của việc nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ngày càng được khẳng định và cần được phát triển

Để nâng cao độ tin cậy, tính hiệu quả, sự ổn định của động cơ một chiều có rất nhiều phương pháp Sau khi tìm hiểu các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều, tôi đã nhận thấy tầm quan trọng cũng như

ý nghĩa thực tiễn của hệ thống này cũng như khả năng phát triển trong tương lai Do

đó đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều

khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA”

2 Tính cấp thiết của đề tài luận văn

Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính Những thiết bị như vậy yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ

và chu kì bảo dưỡng dài Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên là điều khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái Việc ứng dụng những thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được nhiều kết quả khả

quan Ví dụ như sử dụng bộ điều khiển PI[1], PID [2][3] cho kết quả tốt ở một số đối tượng động cơ Chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID kinh điển [3][4] cũng có nhiều phương pháp Tuy nhiên, với các thuật toán, phương pháp kinh điển, ta phải biết chính xác về đối tượng, hoặc mô hình hóa tương đối chi tiết đối tượng Một điểm nữa là trong quá trình vận hành, nếu như đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất

ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu Do đó, tuning là một trong những hướng đi khả quan của điều khiển tự động Trong điều khiển hiện đại, lý thuyết mờ cung cấp cho ta một hướng đi mới [5], xây dựng những

auto-hệ điều khiển mờ thuần túy hoặc như auto-hệ mờ lai [6][7][8] với mục đích nâng cao chất lượng các bộ điều khiển kinh điển, cũng như điều khiển những đối tượng chưa biết hoặc khó nhận dạng [14] Trong khuôn khổ đề tài, em xin trình bày về thuật toán PID,

mờ lai và công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array) Xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Vì vậy, dưới sự định hướng của cô hướng dẫn, em xin lựa chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3 Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Về phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu Điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều sử dụng FPGA

Đối tượng nghiên cứu là: Động cơ điện một chiều

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp nghiên cứu bằng cả lý thuyết và thực nghiệm: Tìm hiểu về động cơ điện một chiều; các đặc tính, và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Tìm hiểu về bộ điều khiển Mờ lai, thiết kế bộ điều khiển Mờ lai phù hợp với đối tượng nghiên cứu

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB-Simulink, đánh giá sơ bộ về kết quả thu được đối với đối tượng động cơ một chiều: Các yêu cầu về chất lượng điều khiển như tính ổn định, thời gian đáp ứng, sai lệch tĩnh, đáp ứng khi tải thay đổi trong bài toán điều chỉnh Thiết kế, thi công hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ

động cơ một chiều ứng dụng bộ điều khiển Mờ lai sử dụng công nghệ FPGA Xây dựng giải thuật và viết chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ VHDL trên nền phần mềm QuartusII của hãng Altera Cuối cùng đánh giá và kiểm chứng tính đúng của nội dung luận văn đưa ra bằng kết quả thí nghiệm thu được

4 Mục tiêu của luận văn

 Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều

 Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển

Mờ lai trên phần mềm MATLAB-simulink để kiểm chứng tính đúng của bộ điều khiển đã thiết kế

 Xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng

bộ điều khiển Mờ lai thiết kế ở trên sử dụng công nghệ FPGA

5 Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn

Luận văn đã có những đóng góp mới sau:

1 Đã đề xuất được cấu trúc điều khiển mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều với hai mạch vòng phản hồi có kể đến yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống Trong đó bộ điều khiển mờ sử dụng với hai chức năng tạo tín hiệu Uđk

động cơ một chiều và thực hiện nhiệm vụ đóng mở Switch chuyển mạch cho phép bộ điều khiển mờ hoặc bộ điều khiển PD trong cấu trúc Mờ lai hoạt động luân phiên

2 Đã xây dựng được luật điều khiển mờ lai để điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động trên hệ thống

3 Đã tìm hiểu về thiết bị điều khiển FPGA, từ đó cho phép xây dựng chương trình điều khiển mờ lai đã đề xuất trên card FPGA để điều khiển ổn định tốc độ động

cơ một chiều thông qua mô hình thực nghiệm

Những đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và có thể áp dụng cho một lớp các đối tượng công nghiệp trong thực tiễn sản xuất và được ứng

dụng trong một số lĩnh vực như: làm mô hình học tập thí nghiệm trong các trường

học, tham gia vào các dây truyền sản xuất công nghiệp,

6 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm: Phần mở đầu, 5 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham khảo

Bố cục được trình bày như sau:

Phần mở đầu:

Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Chương 3: Mô phỏng hệ thống dùng Matlab Simulink

Chương 4: Giới thiệu về công nghệ FPGA và ứng dụng của FPGA trong điều khiển động cơ một chiều

Chương 5: Hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển mờ lai ứng dụng công nghệ FPGA

Phần kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần cảm (tĩnh) và phần ứng (động) Ngoài ra còn có bộ phận chổi than, cổ góp [10]

- Phần tĩnh hay stator hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra

từ trường nó gồm có:

+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích

từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông

+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

- Phần quay hay rô to: Bao gồm những bộ phận chính sau

+ Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng

Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rô to Dùng giá rô to có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rô to

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động

và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện

bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

1.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Phân loại động cơ điện một chiều: Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng [10]:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng

+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng

+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều:

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà 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 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 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 đồng thời lại đạt chất lượng cao

+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn,

dễ cháy nổ

1.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với

cổ góp

Hình 1.1: Hoạt động của động cơ DC

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài)

Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động,

và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng

Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay Để làm cho rô to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song

song với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính

1.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều

Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập [9] [14], cuộn kích từ được cấp điện

từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho Rô to (cuộn ứng) Đối với loại động cơ này, từ thông kích từ không phụ thuộc (độc lập) với tải

Hình 1.2: Động cơ điện một chiều a) Kích từ độc lập b) Kích từ song song

Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện một chiều thì động cơ là loại kích từ song song Trường hợp này mà nguồn điện có công suất đủ lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập

1.2.1 Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rô to mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rô to) như sau:

rư - Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω);

rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp (Ω);

 (rad/s) - là vận tốc góc của rôto

 - là từ thông chính đi qua cực từ

k E = p.N/60a - là hệ số sức điện động, phụ thuộc vào kết cấu của động cơ

E

a

N p

.2

N - là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng;

a - là mạch nhánh song song của cuộn ứng

R I k

dm E

U Udm dm

E

dm

k

R I k

U n



Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rô to quay dưới tác dụng của mô men điện từ:

M = k M .I Ư

Suy ra:

U M

M I



Thay vào phương trình (1.2) ta được:

M k

R k

U n

E

U E

.).(55,9



(1.3) Phương trình trên biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ động cơ n = f(M) với mô men điện từ do động cơ sinh ra Nó được gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu ta đặt:

0

dm E

U n

U R



Suy ra ta có:

.2

dm dm dm U

dm U

dm

U R

I





Khi vừa đóng điện mở máy, động cơ chưa quay (n = 0) nên theo biểu thức

E Ư = k E .n = 0; nghĩa là toàn bộ điện áp nguồn dùng cân bằng với sụt áp trên dây

R



Do điện trở RƯ rất bé nên dòng điện mở máy Imm sẽ tăng rất cao bằng từ

(10÷20) I đm ; vì vậy ta phải hạn chế dòng điện này còn khoảng (1,5÷2,5) I đm bằng cách mắc thêm điện trở phụ RP vào mạch điện phần ứng động cơ Khi đó:

dm mm

U P

U I

độ (Iđm; nđm)

Hình 1 3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Tốc độ n0 là tốc độ ứng với mô men cản MC = 0, nghĩa là khi không có lực cản nào cả Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể nào đạt được ở chế độ động

cơ vì không bao giờ xảy ra MC = 0 (do luôn luôn tồn tại lực ma sát khi động cơ quay)

Vì vậy tốc độ n0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng

Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế (được ghi trên nhãn mác động cơ) và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện phần ứng động cơ thì RƯ∑ = RƯ; khi đó đường đặc tính cơ được gọi là đường đặc tính cơ tự nhiên

Mô men Mmm và Imm gọi là mô men mở máy (mô men ngắn mạch) và dòng điện mở máy (dòng điện ngắn mạch) Đó là giá trị mô men lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải quá lớn, kéo không được Dòng điện Imm này lớn và thường bằng:

Imm = (10 ÷ 20) Iđm

Nếu dòng điện mở máy này tồn tại kéo dài thì nó có thể gây cháy hỏng động

cơ Do vậy, khi mở máy phải mắc thêm điện trở phụ RP vào mạch phần ứng để hạn chế dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại cần phải nhanh chóng cắt nguồn điện ra khỏi động cơ

1.3 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ một chiều

n0

∆n

Imm; Mmm

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

Thiết lập hàm truyền cho động cơ (ở chế độ không tải ic(t)=0)

D 2

K W(s) =

1 + T s + T T s (1.7)

Trong đó:

2

u M

cơ Từ việc phân tích đồ thị, sử dụng các phương pháp nhận dạng trong lý thuyết điều

khiển, ta có mô hình xấp xỉ hàm truyền của động cơ [6][8]

Vì lý do thời gian có hạn, nên phương pháp nhận dạng trực tuyến không được

đề cập ở đây Tuy nhiên, động cơ sử dụng trong luận văn là động cơ 1 chiều Hãng sản xuất Planetary, Mã hiệu DCM50-775 24VDC Tốc độ định mức 4500

(vòng/phút), tỉ số truyền 13.8:1, tốc độ qua hộp số 326 v/p, công suất 60W

Mô hình hàm truyền xấp xỉ của động cơ:

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU

2.1 Tổng quan về Logic Mờ

2.1.1 Quá trình phát triển của Logic Mờ

Từ năm 1965 đã ra đời một lý thuyết mới đó là lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory) do giáo sư Lofti A Zadeh ở trường đại học Califonia - Mỹ đưa ra Từ khi lý thuyết đó ra đời nó được phát triển mạnh mẽ qua các công trình khoa học của các nhà khoa học như: Năm 1972 GS Terano và Asai thiết lập ra cơ sở nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ ở Nhật, năm 1980 hãng Smith Co bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi Những năm đầu thập kỷ 90 cho đến nay hệ thống điều khiển mờ và mạng nơron (Fuzzy system and neural network) được các nhà khoa học, các kỹ sư và sinh viên trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm và ứng dụng trong sản xuất và đời sống Tập mờ [5] và Lôgic mờ [8] đã dựa trên các thông tin “không đầy đủ” về đối tượng để điều khiển đầy đủ về đối tượng một cách chính xác

Các công ty của Nhật bắt đầu dùng logic mờ vào kỹ thuật điều khiển từ năm

1980 Nhưng do các phần cứng chuẩn tính toán theo giải thuật logic mờ rất kém nên hầu hết các ứng dụng đều dùng các phần cứng chuyên về logic mờ Một trong những ứng dụng dùng logic mờ đầu tiên tại đây là nhà máy xử lý nước của Fuji Electric vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987

2.1.2 Khái niệm về tập Mờ

2.1.2.1 Tập kinh điển

Khái niệm tập hợp được hình thành trên nền tảng logic và được định nghĩa như là sự sắp xếp chung các đối tượng có cùng tính chất, được gọi là phần tử của tập hợp đó

Cho một tập hợp A, một phần tử x thuộc A được ký hiệu: x  A Thông thường

ta dùng hai cách để biểu diễn tập hợp kinh điển, đó là:

- Liệt kê các phần tử của tập hợp, ví dụ tập A1 = {xe đạp, xe máy, xe ca, xe tải};

- Biểu diễn tập hợp thông qua tính chất tổng quát của các phần tử, ví dụ: tập các số thực (R), Tập các số tự nhiên (N)

Để biểu diễn một tập hợp A trên tập nền X, ta dùng hàm thuộc A(x), với:

Axkhi1)

x

(

Ký hiệu A = {xX| x thoả mãn một số tính chất nào đó} Ta nói: Tập A được

Trong khái niệm tập hợp kinh điển hàm phụ

thuộc A(x) của tập A, chỉ có một trong hai giá trị

là “1” nếu xA hoặc “0” nếu xA

Cách biểu diễn hàm phụ thuộc như trên sẽ không phù hợp với những tập được

mô tả “mờ” như tập B gồm các số thực gần bằng 5:

B = {xRx  5}

Khi đó ta không thể khẳng định chắc chắn số

4 có thuộc B hay không? mà chỉ có thể nói nó thuộc

B gao nhiêu phần trăm Để trả lời được câu hỏi này,

ta phải coi hàm phụ thuộc B(x) có giá trị trong

khoảng từ 0 đến 1 tức là: 0 B(x)  1

Từ phân tích trên ta có định nghĩa: Tập mờ B

xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó được biểu diễn bởi một cặp giá trị (x, B (x)) Trong đó x  M và B (x) là ánh xạ

Ánh xạ B(x) được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ B Tập kinh điển M được gọi là

cơ sở của tập mờ B

2.1.2.3 Các thông số đặc trưng cho tập mờ

Các thông số đặc trưng cho tập mờ là độ cao, miền xác định và miền tin cậy (hình 2.3)

+ Độ cao của một tập mờ B (Định nghĩa trên cơ

sở M) là giá trị lớn nhất trong các giá trị của hàm

liên thuộc:

H = B(x)

M x

Sup



Một tập mờ có ít nhất một phần tử có độ

phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập mờ chính tắc

(H = 1) Ngược lại, một tập mờ B với H < 1 gọi

là tập mờ không chính tắc

+ Miền xác định của tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M) được ký hiệu bởi S

là tập con của M có giá trị hàm liên thuộc khác không:

S = {xMB(x) > 0}

+ Miền tin cậy của tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M) được ký hiệu bởi T,

là tập con của M có giá trị hàm liên thuộc bằng 1:

T = {xMB(X) = 1 }

2.1.3.4 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

Có rất nhiều cách khác nhau để biểu diễn hàm liên thuộc của tập mờ Dưới đây là một

số dạng hàm liên thuộc thông dụng:

+ Hàm liên thuộc hình tam giác (hình 2.4a)

+ Hàm liên thuộc hình thang (hình 2.4b)

B(x)

H

Hình 2.3: Độ cao, miền xác định, miền

tin cậy của tập mờ

+ Hàm liên thuộc dạng Gauss (hình 2.4c)

+ Hàm liên thuộc dạng Sign (hình 2.4d)

+ Hàm Sigmoidal (hình 2.4e)

+ Hàm hình chuông (hình 2.4f)

2.2 Tìm hiểu về hệ thống điều khiển Mờ

2.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động

2.2.2 Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ

Hoạt động của một bộ điều khiển mờ [5] phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ

Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hoá, thiết bị hợp thành

và khối giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra (hình 2.6)

ĐIỀU KHIỂN

CHẤP HÀNH

ĐỐI TƯỢNG

ĐO LƯỜNG

u(t) e(t)

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động

Hình 2.6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

 Khối mờ hoá có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào

thành véc tơ µ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào

 Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R được

xây dựng trên cơ sở luật điều khiển

 Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng với mỗi giá trị rõ x0 để điều khiển đối tượng

 Giao diện đầu vào thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào (từ

tương tự sang số), ngoài ra còn có thể có thêm các khâu phụ trợ để thực hiện bài toán động như tích phân, vi phân,

 Giao diện đầu ra thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự) để

điều khiển đối tượng

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật điều khiển Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển "rõ ràng" và "chính xác"

2.2.3 Bộ điều khiển mờ tĩnh

2.2.3.1 Khái niệm

Bộ điều khiển tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x), với x là đầu vào và y là đầu ra, theo dạng một phương trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến) Bộ điều khiển mờ tĩnh không xét tới các yếu tố “động” của đối tượng (vận tốc, gia tốc,

Mờ hoá hợp thànhThiết bị

Giải mờ

Giao diện ra Giao diện

vào

) Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí,

2.2.3.2 Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh

Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ tĩnh về cơ bản giống các bước chung để tổng hợp bộ điều khiển mờ như đã trình bày ở trên Để hiểu kỹ hơn ta xét ví dụ cụ thể sau:

Ví dụ: Hãy thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh SISO có hàm truyền đạt y = f(x)

trong khoảng x = [1,2] tương ứng với y trong khoảng y [1,2]

Bước 1: Định nghĩa các tập mờ vào, ra

- Định nghĩa N tập mờ đầu vào: A1, A2, , AN trên khoảng [1,2] của x có hàm liên thuộc Ai(x) (i = 1, 2, , N) dạng hình tam giác cân

- Định nghĩa N tập mờ đầu ra: B1, B2, , BN trên khoảng [1,2] của y có hàm liên thuộc Bj(x) (j = 1, 2, , N) dạng hình tam giác cân

Bước 2: Xây dựng luật điều khiển

Với N hàm liên thuộc đầu vào ta sẽ xây dựng được N luật điều khiển theo cấu trúc:

0 Ai Bi '

0 Ai Bi '

Bước 4: Chọn phương pháp giải mờ

Chọn phương pháp độ cao để giải mờ, ta có:

0 Ai

N 1 i

0 Ai i N

1 i i

N 1 i i i 0

)x(

)x(y

H

Hy)x

N 1 i Ai i

)x(

)x(y)

x

(

2.2.3.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn

Trong kỹ thuật nhiều khi ta cần phải

thiết kế bộ điều khiển mờ với đặc tính vào -

ra cho trước tuyến tính từng đoạn Chẳng

hạn, cần thiết kế bộ điều khiển mờ có đặc

tính vào - ra như hình 2.7

Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển

này giống như thuật toán tổng hợp bộ điều

khiển mờ với hàm truyền đạt y(x) bất kỳ

Tuy nhiên, để các đoạn đặc tính thẳng và nối

với nhau một cách liên tục tại các nút thì cần

tuân thủ một số nguyên tắc sau:

+ Mỗi giá trị rõ đầu vào phải làm tích cực 2 luật điều khiển

+ Các hàm liên thuộc đầu vào có dạng hình tam giác có đỉnh là một điểm ở nút k, có miền xác định là khoảng [xk-1, xk+1] (hình 2.8a)

+ Các hàm liên thuộc đầu ra có dạng singleton tại các điểm nút yk (hình 2.8b) + Cài đặt luật hợp thành Max-Min với luật điều khiển tổng quát:

2.2.3.4 Bộ điều khiển mờ làm bộ xấp xỉ vạn năng

Ta có thể sử dụng mô hình mờ [11] (đặc biệt là mô hình Sugeno) để xấp xỉ một hàm bất kỳ cho trước với độ chính xác tùy ý Nghĩa là bộ điều khiển mờ có qua

hệ vào/ra phù hợp với quan hệ cho trước

Thật vậy, giả sử hãy dung mô hình mờ Sugeno để xấp xỉ hàm y = f(x) = x3

trong khoảng x = [3 3]

Bộ suy luận mờ được thiết kế như sau:

Sử dụng mô hình mờ Sugeno có 1 đầu vào và 1 đầu ra

- Đầu vào có miền xác định từ [-3 3], được mờ hóa bởi 7 tập mò hình tam giác

- Đầu ra có 7 tập mờ là những hằng số: mf1 = -27; mf2 = -8; mf3 = -1; mf4 = 0; mf5 = 1; mf6 = 8; mf7 = 27

Luật hợp thành có dạng tổng quát: if input = mfj thì output = mfj (j = 1, 2, … 7)

Giải mờ bằng phương pháp trung bình, ta có quan hệ vào/ra của bộ điều khiển như hình vẽ

2.2.4 Bộ điều khiển mờ động

Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng như vận tốc, gia tốc, đạo hàm của gia tốc Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến động đột xuất của đối tượng

Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân (PI, PD và PID) [4][7]

Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích phân vào trước hoặc sau khối mờ đó Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau (Hình 2.9 a,b)

Khi mắc thêm một khâu vi phân ở đầu vào của một bộ điều khiển mờ theo luật

tỉ lệ sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD (hình 2.10)

Các thành phần của bộ điều khiển này cũng giống như bộ điều khiển theo luật

PD thông thường bao gồm sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống

e và đạo hàm của sai lệch e’ Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng chính xác hơn với những biến đổi lớn của sai lệch theo thời gian

Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID được biết đến như là một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng rộng lớn Định nghĩa về bộ điều khiển theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID Bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai thuật toán:

- Thuật toán chỉnh định PID;

- Thuật toán PID tốc độ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm và tích phân của sai lệch Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t)

1 e K

t 0

D I

d/dt d/dt

y

Hình 2.10: Hệ điều khiển mờ theo luật PD

Với thuật toán PID tốc độ, bộ điều khiển PID có 3 đầu vào: sai lệch e giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc nhất e’ và đạo hàm bậc hai e” của sai

lệch Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm

d e T

1 e dt

d K dt

du

2 2 I

(2.9)

Do trong thực tế thường có một hoặc hai thành phần trong (2.8), (2.9) được bỏ qua, nên thay vì thiết kế một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh người ta lại thường tổng hợp các bộ điều khiển PI hoặc PD

Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân (hình 2.11)

Hiện nay đã có rất nhiều dạng cấu trúc khác nhau của PID mờ đã được nghiên cứu Các dạng cấu trúc này thường được thiết lập trên cơ sở tách bộ điều chỉnh PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI (hoặc I) Việc phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập các hệ luật cho PD và PI (hoặc I) gồm hai (hoặc 1) biến vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập 3 biến vào Hệ luật cho bộ điều chỉnh PID mờ kiểu này thường dựa trên ma trận do Mac Vicar-whelan đề xuất Cấu trúc này không làm giảm số luật

mà chỉ đơn giản cho việc tính toán

2.3 Hệ thống điều khiển Mờ lai và đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều

Hệ mờ lai viết tắt là F-PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ

y Luật hợp

Đối tượng

E/

Ex

Hình 2.11: Hệ điều khiển Mờ theo luật PID