Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận văn đồ án tốt nghiệp với đề tài: Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều, cho các bạn tham khảo

1. Ebookbkmt.com
LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi :- Ban giám hiệu trường Đại học Hàng hải.
- Các thầy, cô trong Khoa Điện – Điện tử trường ĐHHH Việt Nam.
- Viện đàotạo sau đại học trường ĐHHH Việt Nam.
Em tên là Nguyễn Thị Hồng Ngân, học viên lớp tự động hóa khóa 2013-
2015/ đợt 2. Em được nhận đề tài luận văn:
“Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều”.
Em xin cam đoan rằng: Các nội dung của luận văn này do em tự nghiên cứu
và trình bày dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. TS. Trần Anh Dũng, những phần
tham khảo sẽ được trích dẫn rõ ràng , không sao chép từ nghiên cứu của người
khác. Nếu có bất kì sự gian dối nào trong nội dung của luận văn, em xin chụi trách
nhiệm trước Khoa, Nhà trường và pháp luật.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hải phòng, ngày tháng năm 2015
Người viết cam đoan
KS. Nguyễn Thị Hồng Ngân
i

2. Ebookbkmt.com
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa - Khoa sau
đại học - Trường Đại học Hàng hải, được sự dạy dỗ và hướng dẫn nhiệt tình của
các thầy cô đến nay tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm
luận văn, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực không ngừng của bản thân trong điều kiện
vừa học tập, vừa công tác, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy cô
giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS. TS. Trần Anh
Dũngngười đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa sau đại học và các thầy cô
giáo trong khoa Điện-Điện tử, Ban giám hiệu- Trường Đại học Hàng hải đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi nhất để giúp tôi hoàn thành luận văn.
Song với thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không thể tránh
khỏi những khiếm khuyết, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các bạn
đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả
KS. Nguyễn Thị Hồng Ngân
ii

3. Ebookbkmt.com
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC HÌNH........................................................................................vi
Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng
thay đổi ....................................................................................................................vi
Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ........................................vii
Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập............................................vii
Xây dựng hệ con đánh dấu mô hình động cơ điện một chiều................................vii
Mô hình toán động cơ điện một chiều trên Simulnk...............................................vii
Đặc tính tốc độ động cơ.........................................................................................vii
Xây dựng các biến vào ra của bộ điều khiển...........................................................vii
Tạo hàm liên thuộc cho các biến vào/ra.................................................................vii
Xây dựng luật điều khiển mờ..................................................................................vii
View Rules cho phép kiểm tra lại kêt quả luật mờ đã xây dựng.............................vii
Mô hình hệ thống trên Simulink.............................................................................vii
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển..........................................................................vii
Hình dạng IC L298N...............................................................................................vii
Nối song song hai mạch cầu H của L298N............................................................vii
Sơ đồ nguyên lý mạch công suất............................................................................vii
Mô hình của encoder tương đối..............................................................................vii
Hai kênh A và B lệch pha trong encoder................................................................vii
Mô hình động cơ điện một chiều xây dựng trên imulink........................................vii
Đặc tính của động cơ điện một chiều......................................................................vii
Điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ khi thay đổi tốc độ và khi
nhận tải....................................................................................................................vii
iii

4. Ebookbkmt.com
Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều.............................................viii
Đặc tính quá chỉnh................................................................................................viii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
1. Tính c p thi t c a đ tàiấ ế ủ ề ...................................................................................................................1
2. M c đích nghiên c uụ ứ .........................................................................................................................2
3. Đ i t ng và ph m vi nghiên c uố ượ ạ ứ .......................................................................................................3
4. Ph ng pháp nghiên c uươ ứ ...................................................................................................................3
5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n c a đ tàiọ ự ễ ủ ề ............................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ...............................................4
1.1. Các khái ni m c b n c a đi u khi n mệ ơ ả ủ ề ể ờ.........................................................................................4
1.2. C u trúc b đi u khi n mấ ộ ề ể ờ.............................................................................................................10
1.3. T ng h p b đi u khi n mổ ợ ộ ề ể ờ...........................................................................................................21
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU.....................................................................................................................24
2.1. T ng quan v đ ng c đi n m t chi uổ ề ộ ơ ệ ộ ề ...........................................................................................24
2.2. Đi u khi n t c đ đ ng c đi n m t chi uề ể ố ộ ộ ơ ệ ộ ề ....................................................................................31
2.3. Mô ph ng b đi u khi n và h th ng trên Matlabỏ ộ ề ể ệ ố ........................................................................37
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG..............................45
3.1. Thi t k , xây d ng m ch công su tế ế ự ạ ấ ...............................................................................................45
Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch cấp nguồn....................................................................46
Hình 3.3. S đ nguyên lý m ch c p ngu n 5VDCơ ồ ạ ấ ồ ................................................................................46
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC..............................................47
Hình 3.5. Hình dạng IC L298N...............................................................................47
Hình 3.6. Nối song song hai mạch cầu H của L298N.............................................48
Hình 3.7. S đ nguyên lý m ch công su tơ ồ ạ ấ ............................................................................................49
Hình 3.11. Mô hình của encoder tương đối.............................................................50
Hình 3.12. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder...............................................51
3.2. Đ xu t l u đ thu t toán xây d ng b đi u khi n mề ấ ư ồ ậ ự ộ ề ể ờ................................................................52
3.3. Xây d ng b đi u khi n m trên mi n th i gian th cự ộ ề ể ờ ề ờ ự ...................................................................57
3.4. Xây d ng b đi u khi n m trên Matlab đi u khi n đ ng c đi n 1 chi uự ộ ề ể ờ ề ể ộ ơ ệ ề ...................................58
iv

5. Ebookbkmt.com
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................65
v

6. Ebookbkmt.com
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình Tên hình Trang
1.1 Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 6
1.2 Phép hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở 7
1.3 Hàm liên thuộc của 2 tập mờ không cùng cơ sở 8
1.4 Phép giao của hai tập mờ 9
1.5 Giao của hai tập mờ không cùng cơ sở 9
1.6 Phép bù của một tập mờ 10
1.7 Nguyên lý điều khiển mờ 12
1.8 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 14
1.9 Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err) 14
1.10 Hàm thuộc biến đầu vào sự thay đổi sai lệch tốc độ
speed_err_var
14
1.11 Hàm thuộc biến đầu ra pwm_var 15
1.12 Mô hình ma trận luật hợp thành 18
1.13 Xác định giá trị rõ từ miền này. 19
1.14 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận phải 19
1.15 Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận trái 20
1.16 Mô hình thực hiện việc giải mờ 20
2.1 Cấu tạo stato động cơ điện một chiều 25
2.2 Cấu tạo roto động cơ điện một chiều 26
2.3 Cấu tạo cổ góp động cơ điện một chiều 27
2.4 Cấu tạo chổi than động cơ điện một chiều 27
2.5 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 28
2.6 Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 29
2.7 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập
31
2.8 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
33
2.9 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập khi giảm từ thông.
34
2.10 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi
35
2.11 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi
36
2.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ xung áp – động cơ 37
2.13 Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ. 38
vi

7. Ebookbkmt.com
2.14 Sử dụng chip mờ chuyên dụng điều khiển tốc độ động cơ
điện một chiều
39
2.15 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 41
2.16 Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập 42
2.17 Xây dựng hệ con đánh dấu mô hình động cơ điện một
chiều
43
2.18 Mô hình toán động cơ điện một chiều trên Simulnk 43
2.19 Đặc tính tốc độ động cơ 43
2.20 Đặc tính dòng điện động cơ 44
2.21 Xây dựng các biến vào ra của bộ điều khiển 44
2.22 Tạo hàm liên thuộc cho các biến vào/ra 45
2.23 Xây dựng luật điều khiển mờ 46
2.24 View Rules cho phép kiểm tra lại kêt quả luật mờ đã xây
dựng
46
2.25 Kiểm tra lại các luật điều khiển trong View Surface 47
2.26 Mô hình hệ thống trên Simulink 47
3.1 Sơ lược hệ thống sử dụng logic mờ điều khiển tốc độ
động cơ điện một chiều
48
3.2 Sơ đồ khối mạch cấp nguồn 49
3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC 49
3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC 50
3.5 Sơ đồ chân Atmega8 51
3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 51
3.7 Hình dạng IC L298N 52
3.8 Nối song song hai mạch cầu H của L298N 52
3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 53
3.10 Động cơ một chiều thực hiện điều khiển 54
3.11 Mô hình của encoder tương đối 54
3.12 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 55
3.13 Thuật toán thực hiện chương trình chính 57
3.14 Thuật toán thực hiện việc mờ hóa 58
3.15 Thuật toán xây dựng ma trận luật hợp thành 59
3.16 Thuật toán thực hiện giải mờ 60
3.17 Chương trình điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ
điều khiển mờ
62
3.18 Mô hình động cơ điện một chiều xây dựng trên imulink 63
3.19 Đặc tính của động cơ điện một chiều 64
3.20 Điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ
khi thay đổi tốc độ và khi nhận tải.
65
vii

8. Ebookbkmt.com
3.21 Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều 66
3.22 Đặc tính quá chỉnh. 67
viii

9. Ebookbkmt.com
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay khái niệm điều khiển mờ đã không còn xa lạ và trở nên phổ biến
với tất cả mọi người. Rất nhiều thiết bị ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trở nên
phổ biến và có mặt trong rất nhiếu lĩnh vực công nghiệp cũng như dân dụng: sản
xuất xi măng, sản xuất điện năng, máy giặt, máy ảnh, y học… Nguyên nhân của sự
phát triển nhanh chóng của bộ điều khiển mờ dựa trên cơ sở suy luận mờ, cho
phép người điều khiển tự động hóa được kinh nghiệm điều khiển của họ cho một
quá trình, một thiết bị… tạo ra được những bộ điều khiển làm việc tin cậy thay thế
được họ song chất lượng điều khiển vẫn tốt như người điều khiển đã làm được.
Trong thực tế, bộ điều khiển mờ có khả năng giải quyết các hệ thống có độ
phức tạp cao, độ phi tuyến lớn, sự thay đổi thường xuyên của trạng thái và cấu trúc
đối tượng.
Sự phát triển mạnh mẽ của điều khiển mờ gắn liền với sự phát triển vượt bậc
của kỹ thuật vi xử lý – một cầu nối quan trọng không thể thiếu giữa kết quả nghiên
cứu của lý thuyết mờ với ứng dụng trong thực tế.
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật chúng ta có thể chứng kiến
sự phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, truyền tải ,
cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất
lớn, dễ vận hành , 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 như 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
1

10. Ebookbkmt.com
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.
Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực kinh
tế và khoa học kĩ thuật như trong luyện kim, trong công nghệ giấy hoặc ở một số
hệ thống khác, thường người ta cung cấp điện cho một nhóm động cơ từ một bộ
biến đổi có điện áp không đổi, để thay đổi tốc độ động cơ thường người ta thực
hiện việc thay đổi từ thông kích từ. Trong các nhà máy cán thép, tàu điện ngầm và
các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ
chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất. Vì vậy hệ thống điều chỉnh
tốc độ điều chỉnh hai thông số động cơ điện một chiều kích từ độc lập đóng vai trò
rất quan trọng trong việc nghiên cứu.
Bộ điều khiển mờ ra đời trên cơ sở ứng dụng logic mờ, là một bộ điều khiển
thông minh, hiện đang đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện
đại, vì nó đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật, tính bền vững và ổn định cao, dễ thay
đổi, dễ lập trình.
Vấn đề đặt ra như thế, hướng nghiên cứu xây dựng đề tài của tác giả ở đây
là nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều chỉnh tốc độ điều chỉnh hai thông số động
cơ điện một chiều kích từ độc lập. Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài được chọn:
“Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều” làm đề
tài cho luận văn Thạc sĩ.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu các bộ điều khiển mờ
2

11. Ebookbkmt.com
- Xây dựng mô hình bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các bộ điều khiển mờ
- Xây dựng và lựa chọn phần cứng mô hình bộ điều khiển mờ
- Xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều bằng phần mềm
MATLAB
- Chế tạo, lắp đặt, kiểm tra, hiệu chỉnh và thử nghiệm
* Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ
độc ứng dụng bộ điều khiển mờ.
- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ
độc lập trên nền Matlab & Simulink.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu cấu trúc động cơ điện một
chiều kích từ độc lập, phân tích và thiết kế các bộ điều khiển mờ, ứng dụng bộ điều
khiển mờ.
- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink để xây
dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
* Ý nghĩa khoa học Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan
tâm đến ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển truyền động động cơ điện một
chiều kích từ độc lập, cách thức thiết kế và mô phỏng trên Matlab Simulink.
* Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện một
phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương
pháp điều khiển kinh điển, nhằm giải quyết vấn đề cấp bách hiện nay là nâng cao
chất lượng điều khiển truyền động động cơ điện một chiều.
3

12. Ebookbkmt.com
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
1.1. Các khái niệm cơ bản của điều khiển mờ
Trong các suy luận thông thường hay các suy luận khoa học, suy luận logic
toán học đóng vai trò rất quan trọng. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật nếu chỉ với hai giá trị đúng (1) hoặc sai (0) không thể giải quyết được hết các
bài toán phức tạp như chưa biết trước đặc tính đối tượng điều khiển. Xuất phát từ
những yêu cầu thực tế lý thuyết điều khiển mờ đã ra đời. Khái niệm đầu tiên về
logic mờ được giáo sư Lotfi Zadeh của trường đại học California - Mỹ đưa ra lần
đầu tiên vào năm 1965. Công trình đã khai sinh ra một ngành khoa học mới là: lý
thuyết tập mờ và đã thu hút được sự chú ý của rất nhiều các nhà nghiên cứu công
nghệ mới và đã được áp dụng ngay vào trong các ứng dụng thực tế như: sản xuất xi
măng, trong y học giúp chuẩn đoán và điều trị bệnh …
Trong lĩnh vực điều khiển tự động, vai trò của logic mờ ngày càng quan
trọng, có rất nhiều ứng dụng được thực hiện điều khiển bằng cách dùng logic mờ.
Ưu điểm lớn nhất của điều khiển mờ là không cần biết trước đặc tính của đối tượng
điều khiển một cách chính xác, so với điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào
thông tin chính xác tuyệt đối của đối tượng điều khiển, điều này trong nhiều ứng
dụng là không thể có được.
1.1.1. Khái niệm về tập mờ
Tập mờ dựa trên những cơ sở từ tập kinh điển nên ta nhắc lại tập kinh điển
trước. Tập kinh điển là tập chỉ có hai giá trị: đúng (1) hoặc sai (0) như đã đề cập ở
trên. Hàm liên thuộc của tập thể hiện mức độ phụ thuộc của các giá trị trong tập
hợp đó [2], từ đây có thể suy ra hàm liên thuộc của tập kinh điển: nếu Ax∈ thì có
độ phụ thuộc là 1, còn Ax ∉ thì có độ phụ thuộc 0. Hàm liên thuộc của tập hợp A
ký hiệu là )x(Aµ [2]



∉
∈
=µ
Axkhi0
Axkhi1
)x(A (1.1)
4

13. Ebookbkmt.com
Trong logic mờ, hàm liên thuộc của tập mờ không chỉ nhận 2 giá trị là 0 và 1 mà là
toàn bộ các giá trị từ 0 đến 1 tức là 1)x(0 B ≤µ≤ [2]. Như vậy, ở logic mờ không
có sự suy luận thuận ngược như ở tập hợp kinh điển. Vì vậy trong định nghĩa tập
mờ phải trình bày thêm về hàm liên thuộc, do vai trò của của hàm liên thuộc là làm
rõ ra chính tập mờ đó.
Định nghĩa tập mờ [2]: tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi
phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, µf(x)), trong đó x ∈ M và µf là ánh xạ
]1,0[M:f →µ , ánh xạ µf được gọi là hàm liên thuộc (phụ thuộc) của tập mờ F.
Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F.
1.1.2. Các tính chất cơ bản tập mờ [2]
Độ cao của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở M) là giá trị:
H = sup µf(x), x∈ M (1.2)
nếu tập mờ có H = 1 gọi là chính tắc, H luôn < 1 là không chính tắc.
Miền xác định của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở M) ký hiệu bằng S, là tập
con của M thoả mãn
S = { x ∈ M; µf(x) > 0} (1.3)
Miền tin cậy của tập mờ F (định nghĩa trên cơ sở M), ký hiệu bằng T, là tập
con của M thoả mãn
T = {x∈ M; µf(x) = 1} (1.4)
5

14. Ebookbkmt.com
Hình 1.1. Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ
1.1.3. Các dạng hàm thuộc
Hàm liên thuộc có rất nhiều dạng: dạng tam giác, dạng singleton dạng hình thang,
dạng quả chuông, dạng chữ S… tuỳ từng trường hợp ứng dụng khác nhau mà ta
phải lựa chọn các hàm liên thuộc cho phù hợp. Tuy nhiên, các hàm liên thuộc vẫn
có thể viết ở dạng chung nhất như sau [2]:
[ )
( ]







−∈
∈
∈
∈
=µ
)d,a(Rx0
d,cx)x(D
)c,b(xH
b,ax)x(I
)H,d,c,b,a,x( (1.5)
trong đó: dcba ≤≤≤ , I(x) và D(x) là các hàm nào đó, , H là độ cao của hàm liên
thuộc.
Nếu b = c, D(x) là hàm tuyến tính giảm, I(x) là hàm tuyến tính dương thì
hàm liên thuộc có dạng tam giác.
Nếu cb ≠ , D(x) là hàm tuyến tính giảm, I(x) là hàm tuyến tính dương thì
hàm liên thuộc có dạng hình thang.
Nếu −∞=a , xcb == , ∞=d và 





δ
−
−==
xx
exp)x(D)x(I thì hàm liên
thuộc có dạng Gaus....
1.1.4. Các phép toán trên tập mờ [2].
Phép hợp hai tập mờ (tương đương phép OR)
Hai tập mờ có cùng cơ sở: là một tập mờ xác định trên cơ sở M với hàm liên
thuộc:
µA∪B(x) = MAX{µA(x), µB(x)} (1.6)
6

15. Ebookbkmt.com
Hình 1.2. Phép hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở
Ngoài công thức (1.6) còn có một số công thức khác để tính hàm liên thuộc
của phép hợp hai tập mờ như: tổng Einstein phép hợp Lukasiewier, tổng trực tiếp...
tuy nhiên công thức (1.6) vẫn được sử dụng phổ biến nhất
Hai tập mờ không cùng cơ sở: Giả sử tập mờ A với hàm liên thuộc µA(x)
định nghĩa trên cơ sở M và tập mờ B với hàm liên thuộc µB(y) định nghĩa trên cơ
sở N. Để tính phép hợp ta phải đưa chúng về cùng cơ sở bằng cách thực hiện lấy
tích của hai cơ sở đã có là (M×N). Ký hiệu tập mờ A là tập mờ được định nghĩa
trên cơ sở M×N và tập mờ B là tập mờ được định nghĩa trên cơ sở M×N. Như vậy:
hợp của hai tập mờ A và B tương ứng với hợp của hai tập mờ A và B, kết quả là
một tập mờ xác định trên cơ sở M×N với hàm liên thuộc [2]:
)}y,x(),y,x({MAX)y,x( BABA µµ=µ ∪ (1.7)
Trong đó : )x()y,x( AA µ=µ với mọi Ny∈ và
)y()y,x( BB µ=µ với mọi Mx∈
7

16. Ebookbkmt.com
Hình 1.3. a, b Hàm liên thuộc của 2 tập mờ không cùng cơ sở
c, d Đưa 2 tập mờ về cùng cơ sở
e Hợp của 2 tập mờ trên cơ sở MxN
Phép giao hai tập mờ (tương đương phép AND)
Hai tập mờ có cùng cơ sở: Giao của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M là
một tập mờ được xác định trên cơ sở M với hàm liên thuộc.
µA ∩B(x) = MIN{µA(x), µB(x)} (1.8)
Hình 1.4. Phép giao của hai tập mờ
8

17. Ebookbkmt.com
Ngoài công thức (1.8) còn có một số công thức tính khác để tính hàm liên
thuộc của giao hai tập mờ như: tích đại số, tích Einstein, phép giao Lukasiewier...
tuy nhiên công thức (1.8) vẫn được sử dụng phổ biến nhất
Hai tập mờ không cùng cơ sở: Nếu tập mờ A với hàm liên thuộc µA(x) định
nghĩa trên cơ sở M và tập mờ B với hàm liên thuộc µB(x) định nghĩa trên cơ sở N
việc đầu tiên ta đưa chúng về cùng một cơ sở bằng cách lấy tích của hai cơ sở đã
có là (M×N). Ta ký hiệu tập mờ A là tập mờ định nghĩa trên cơ sở M×N và tập mờ
B là tập mờ định nghĩa trên cơ sở M×N. Như vậy, giao của hai tập mờ A và B
tương ứng với giao của hai tập mờ A và B, kết quả là một tập mờ xác định trên cơ
sở M×N với hàm liên thuộc:
)}y,x(),y,x({MIN)y,x( BABA µµ=µ ∩ (1.9)
trong đó: )(),( xyx AA µµ = với mọi y thuộc N
)(),( yyx BB µµ = với mọi x thuộc M
Hình 1.5. Giao của hai tập mờ không cùng cơ sở
Phép bù của một tập mờ (tương đương phép NOT)
Phép bù của tập mờ A có cơ sở M và hàm liên thuộc µA(x) là một tập mờ AC
xác định trên cùng cơ sở M với hàm liên thuộc:
)x(1)x( AAC µ−=µ (1.10)
9

18. Ebookbkmt.com
Hình 1.6. Phép bù của một tập mờ
1.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ
1.2.1. Phân loại bộ điều khiển mờ
Phân loại bộ điều khiển mờ theo tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra:
SISO (Single Input Single Output) bộ điều khiển có một đầu vào và một đầu
ra.
Nếu A = A1 thì B = B1
Nếu A = A 2 thì B = B 2
….
Nếu A = A n thì B = B n
Luật hợp thành gồm n mệnh đề hợp thành:
MISO (Multi Input Single Output) bộ điều khiển có nhiều đầu vào và một
đầu ra.
10

19. Ebookbkmt.com
Nếu A = A11 ; A = A12 … ; A = A n1 thì B = B1
Nếu A = A 21 ; A = A 22 … ; A = A n2 thì B = B 2
….
Nếu A = A 1n ; A = A 2n … ; A = A nm thì B = B m
Luật hợp thành gồm n mệnh đề hợp thành: MIMO (Multi Input Multi Output) bộ
điều khiển có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
Nếu A = A11 ; A = A12 … ; A = A n1 thì B = B1
Nếu A = A 21 ; A = A 22 … ; A = A n2 thì B = B 2
….
Nếu A = A 1n ; A = A 2n … ; A = A nm thì B = B m
Luật hợp thành gồm n mệnh đề hợp thành: Từ những phân loại trên ta thấy
bộ điều khiển mờ MISO là bộ điều khiển cơ sở, nếu thực hiện hiện được bộ điều
khiển này thì hoàn toàn có thể thực hiện bộ điều khiển SISO hay MIMO.
1.2.2. Các khâu của bộ điều khiển mờ
Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng như các hệ thống điều khiển
khác. Sự khác biệt là bộ điều khiển mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng
trí tuệ nhân tạo. Hệ thống điều khiển mờ làm việc dựa trên kinh nghiệm và phương
pháp tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic
mờ.
11

20. Ebookbkmt.com
Hình 1.7. Nguyên lý điều khiển mờ
Trong cấu trúc nguyên lý hình 1.7 gồm có các khâu:
Khâu giao diện đầu vào: bao gồm khân mờ hoá, các khâu phụ trợ để thực
hiện các bài toán động như khâu tích phân, khâu vi phân….
Thiết bị hợp thành: triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở các
luật điều khiển.
Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ, các khâu giao diện trực tiếp với đối
tượng.
Một bộ điều khiển mờ gồm có 3 khâu cơ bản [2] (hình vẽ 1.8):
1: khâu mờ hóa
2: thiết bị hợp thành
3: giải mờ.
12

21. Ebookbkmt.com
Hình 1.8. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
Khâu mờ hóa
Các tín hiệu phản hồi từ đối tượng về được đo bằng cảm biến là “các tín hiệu
rõ” do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu được chúng ta phải mờ hoá các thông số này.
Nghĩa là dùng hàm phụ thuộc của các giá trị ngôn ngữ để tính mức độ phụ thuộc
cho từng tập mờ đối với từng giá trị đầu vào. Mờ hóa là bước đầu tiên được thực
hiện trong điều khiển mờ, kết quả của khâu mờ hóa được dùng làm đầu vào của
các luật mờ.
Biến ngôn ngữ: là cách thể hiện bằng ngôn ngữ của các biến điều khiển.
Biến ngôn ngữ có các miền giá trị vật lý và giá trị ngôn ngữ.
Ví dụ: Ta xét biến ngôn ngữ nhiệt độ có miền giá trị vật lý từ 0 0
C đến 100 0
C và
các giá trị ngôn ngữ: nóng ít, nóng, nóng nhiều , rất lạnh, lạnh, lạnh ít, trung bình.
Trong luận văn, tác giả xây dựng bộ điều khiển mờ MISO, cụ thể gồm có 2
biến đầu vào là sai lệch tốc độ (speed_err), sự biến đổi của sai lệch tốc độ
(speed_err_var) và một biến đầu ra là sự thay đổi độ rộng xung (pwm_var).
Xét biến đầu vào 1: sai lệch tốc độ (speed_err) có miền miền giá trị vật lý 0
đến 1200 vòng/phút, gồm có 5 giá trị ngôn ngữ tương ứng với 5 hàm thuộc : nbs
13

22. Ebookbkmt.com
(neg_big_speed), zs(zero_speed), nss(neg_small_speed), pbs (pos_big_speed) và
pss (pos_small_speed). Độ phụ thuộc của các hàm thuộc bằng 1, tuy nhiên nếu sử
dụng độ phụ thuộc bằng 1 và miền giá trị vật lý 0 đến 1200 không thuận lợi cho
việc lập trình bộ điều khiển nên tác giả xây dựng hàm thuộc tương ứng với các giá
trị như hình 1.9:
Hình 1.9. Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err)
Xét biến đầu vào 2: sự thay đổi sai lệch tốc độ (speed_err_var) có miền miền
giá trị vật lý 0 đến 1200 vòng/phút, gồm có 3 giá trị ngôn ngữ tương ứng với 3 hàm
thuộc : nv(nul_var), nsv(neg_slow_var) và psv(pos_slow_var). Tương tự như biến
đầu vào 1, các hàm thuộc của biến đầu vào 2 được xây dựng như hình 1.10:
Hình 1.10. Hàm thuộc biến đầu vào sự thay đổi sai lệch tốc độ speed_err_var
Xét biến đầu ra : sự thay đổi độ rộng xung (pwm_var) có miền miền giá trị vật lý 0
đến 12V (tương ứng với giá trị điện áp ra của card PCI 1710), gồm có 5 giá trị
14

23. Ebookbkmt.com
ngôn ngữ tương ứng với 5 hàm thuộc : nmp(neg_medium_pwm)
nbp(neg_big_pwm), zp(zero_pwm), pbm(pos_big_pwm) và
pmp(pos_medium_pwm). Các hàm thuộc của biến đầu ra được xây dựng như sau:
Hình 1.11. Hàm thuộc biến đầu ra pwm_var
Thiết bị hợp thành
Cốt lõi của bộ điều khiển mờ chính là luật hợp thành mờ, gọi tắt là luật mờ.
Mệnh đề hợp thành [2]: Cho hai biến ngôn ngữ χ và γ. Nếu biến χ nhận giá
trị mờ A có hàm liên thuộc µA(x) và γ nhận giá trị mờ B có hàm liên thuộc µB(y)
thì hai biểu thức: χ = A, γ = B được gọi là hai mệnh đề. Ký hiệu hai mệnh đề là p
là (χ = A) và q là (γ = B) “NẾU χ = A THÌ γ = B”, trong đó mệnh đề p được gọi là
mệnh đề điều kiện và q là mệnh đề kết luận. Biểu thức từ p suy ra q (p ⇒ q) gọi là
mệnh đề hợp thành tương ứng với luật điều khiển. Với 5 hàm thuộc của biến vào 1,
3 hàm thuộc của biến vào 2 và 5 hàm thuộc của biến ra, tác giả xây dựng được 15
mệnh đề hợp thành như sau:
1: IF ((zs) and (nsv)) THEN (pmp)
2: IF ((zs) and (nv)) THEN (zp)
3: IF ((zs) and (psv)) THEN (nmp)
4: IF ((pss) and (nsv)) THEN (zp)
5: IF ((pss) and (nv)) THEN (nmp)
15

24. Ebookbkmt.com
6: IF ((pss) and (psv)) THEN (nmp)
7: IF ((nsv) and (nsv)) THEN (pmp)
8: IF ((nsv) and (nv)) THEN (pmp)
9: IF ((nsv) and (psv)) THEN (zp)
10: IF ((nbs) and (nv)) THEN (pbp)
11: IF ((pbs) and (nv)) THEN (nbp)
12: IF ((nbs) and (psv)) THEN (pmp)
13: IF ((pbs) and (psv)) THEN (nbp)
14: IF ((nbs) and (nsv)) THEN (pbp)
15: IF ((pbs) and (nsv)) THEN (nmp)
Khi có nhiều điều kiện hợp thành thì phải lựa chọn luật kết hợp các điều kiện
đầu vào, thông thường có 2 cách kết hợp: SUM và MAX.
Để tìm ra giá trị của biến ra từ các biến có 2 quy tắc hợp thành: PROD và
MIN. Luật hợp thành được gọi là tên ghép của cách kết hợp tín hiệu đầu vào và tên
quy tắc hợp thành. Có 4 luật hợp thành: MAX-MIN, SUM-PROD, SUM-MIN,
MAX-PROD. Trong luận văn sử dụng 2 biến đầu vào, nên tác giả lựa chọn luật
hợp thành MAX-MIN để thực hiện bộ điều khiển mờ.
Luật hợp thành một điều kiện [2]
Luật hợp thành R là mô hình ma trận R của mệnh đề hợp thành A⇒B, ứng
với mỗi công thức tính hàm liên thuộc µA⇒B(x,y) khác nhau ta có các luật hợp
thành khác nhau.
Bước 1: Thực hiện rời rạc hóa các hàm liên thuộc µA(x), µB(y), với số điểm
rời rạc hóa tương ứng tần số đủ lớn sao cho không bị mất tín hiệu. Ví dụ rời rạc
hàm µA(x) với n điểm ni21 x,...,x,...,x,x , hàm µB(y) với m điểm y1, y2 ... yj ...ym .
Bước 2: Thực hiện xác định hàm liên thuộc rời rạc )x(
T
A
µ và )y(
T
B
µ là: (T là
chuyển vị)
16

25. Ebookbkmt.com
)}x(,...),x(),x({)x( nA2A1A
T
A
µµµ=µ
)}y(,...),y(),y({)y( mB2B1B
T
B
µµµ=µ (1.11)
Bước 3: Xây dựng ma trận hợp thành R, ma trận R gồm có có n hàng và m
cột:










=










µµ
µµ
=
nm1n
m111
mnR1nR
m1R11R
r...r
r...r
)y,x(...)y,x(
)y,x(...)y,x(
R  (1.12)
Công thức tổng quát (công thức dyadic) để tính ma trận hợp thành R như (1.13):
)y().x(R
T
BA
µµ= (1.13)
Luật hợp thành nhiều điều kiện [2]
Bước 1: Thực hiện rời rạc hóa miền xác định các hàm liên thuộc )x( 1A1
µ ,
)x( 2A2
µ , ..., )x( dAd
µ của các mệnh đề điều kiện, )y(Bµ và mệnh đề kết luận.
Bước 2: Thực hiện xác định độ thỏa mãn H cho từng vector giá trị đầu vào
là vector tổ hợp d điểm mẫu thuộc miền xác định của các hàm liên thuộc )x( iAi
µ ,
d,...,1i = . Ví dụ với một vector các giá trị rõ đầu vào










=
d
1
c
c
x  trong đó ci, i = 1, ...,
d là một trong các điểm mẫu ở miền xác định của )x( iAi
µ , thì ta xác định được độ
thỏa mãn H như (1.14):
)}c(),...,c(),c({MINH dA2A1A d21
µµµ= (1.14)
Bước 3: Lập mô hình ma trận R gồm các hàm liên thuộc giá trị mờ đầu ra
cho từng vector các giá trị đầu vào theo nguyên tắc MAX-MIN hoặc MAX-PROD:
)}y(,H{MIN)y( B'B µ=µ nếu quy tắc sử dụng là MAX-MIN
17

26. Ebookbkmt.com
)y(.H)y( B'B µ=µ nếu quy tắc sử dụng là MAX-PROD
Trong luận văn, sử dụng 2 đầu vào nên luật hợp thành được thể hiện trong
một không gian 3 chiều. Do 2 tập mờ đầu vào không cùng nằm trong không gian
nền, ta phải thực hiện phép giao để tìm ra miền giao của 2 tập mờ này. Có thể biểu
diễn trực quan việc tìm ma trận luật hợp thành thông qua không gian 3 chiều như
hình 1.12:
Hình 1.12. Mô hình ma trận luật hợp thành
Khâu giải mờ
Với đầu ra là một tập mờ thì các bộ điều khiển chưa thể làm việc được nên
cần phải thực hiện giải mờ. Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y' nào đó
có thể chấp nhận được từ hàm liên thuộc )y('Bµ của giá trị mờ B'. Có hai phương
pháp giải mờ chính là phương pháp cực đại và phương pháp điểm trọng tâm [2].
Hình 1.13. Xác định giá trị rõ từ miền này.
18

27. Ebookbkmt.com
Phương pháp cực đại: để giải mờ theo phương pháp cực đại phải thực hiện
theo hai bước:
B1: Xác định miền chứa giá trị rõ y', là miền mà tại đó hàm liên thuộc đạt
giá trị cực đại:
G = { y∈Y, )y('Bµ = H} , miền chứa giá trị rõ 21 y'yy ≤≤ trên hình 1.11
B2: Xác định giá trị rõ y’ có thể chấp nhận được trong miền G theo một
trong ba nguyên lý [2]:
Nguyên lý trung bình: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm trung bình giữa
cận trái y1 và cận phải y2 của miền G:
2
yy
'y 21 +
= (1.15)
Nguyên lý cận phải: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm cận phải y2 của miền G:
2y'y = (1.16)
Hình 1.14. Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận phải.
Nguyên lý cận trái: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm cận trái y1 của miền G:
1y'y = (1.17)
19

28. Ebookbkmt.com
Hình 1.13. Giải mờ theo phương pháp độ cao nguyên lý cận trái.
Phương pháp điểm trọng tâm: cho kết quả y’ là hoành độ của điểm trọng
tâm miền được bao phủ bởi đường µB’(y) và trục hoành (hình 1.14)
( )
( )∫
∫
=
S
B'
S
B'
dyy
dyyy
y'
μ
μ
(1.18)
Với S là miền xác định của tập mờ.
Hình 1.14. Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm.
Trong các phương pháp trên, tác giả lựa chọn phương pháp giải mờ theo
phương pháp trọng tâm. Với giá trị rõ đầu vào, ta sẽ tìm được giá trị một ma trận
cột các giá trị. Giá trị rõ đầu ra được tính theo công thức (1.18). Có thể biểu diễn
quá trình giải mờ bằng một không gian 3 chiều như hình 2.15:
20

29. Ebookbkmt.com
Hình 1.15. Mô hình thực hiện việc giải mờ
1.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ
1.3.1. Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ
Để thiết kế bộ điều khiển mờ người thiết kế phải có đầy đủ kinh nghiệm điều
khiển thực tế về hệ thống định điều khiển. Khi đã có đủ hiểu biết về hệ thống cần
thiết kế, người thiết kế sẽ thực hiện các bước sau để thực hiện thiết kế một bộ điều
khiển mờ:
Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ ra
Định nghĩa tập mờ cho các biến vào/ ra
Xây dựng luật điều khiển (mệnh đề hợp thành)
Chọn thiết bị hợp thành (SUM-MIN, MAX-MIN, …)
Chọn nguyên lý giải mờ.
Tối ưu cho hệ thống.
Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ:
Bước 1: Định nghĩa các biến vào/ ra
Việc xác định các biến vào/ra yêu cầu phải thống kê đầy đủ các biến cần
thiết tác động đến đối tượng. Ngoài ra cần xác định thứ nguyên của các biến.
Bước 2: Xác định tập mờ cho các biến vào/ra
21

30. Ebookbkmt.com
Xác định miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ: Tùy thuộc vào đối tượng
điều khiển, kinh nghiệm của người điều khiển mà tiến hành lựa chọn miền giá trị
vật lý phù hợp với các biến ngôn ngữ.
Xác định các giá trị ngôn ngữ: Các giá trị ngôn ngữ tùy thuộc vào người
điều khiển thiết lập đê đảm bảo chất lượng điều khiển đạt được tốt nhất.
Xác định hàm liên thuộc: chọn hàm liên thuộc từ những dạng hàm đã biết
trước và mô hình hoá nó cho đến khi nhận được bộ điều khiển mờ làm việc như
mong muốn.
Bước 3: Xây dựng các luật hợp thành
Đây là bước tổng hợp kinh nghiệm của người điều khiển cũng như chiến
lược điều khiển đối tượng thể hiện dưới dạng các luật điều khiển. Luật hợp thành
là tổng hợp các mệnh đề hợp thành
Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành
Có thể chọn thiết bị hợp thành theo những nguyên tắc:
Sử dụng luật MAX-PROD, MAX-MIN.
Sử dụng luật SUM-PROD, SUM-MIN.
Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ
Phương pháp giải mờ được chọn cũng cso tác động đến độ phức tạp và trạng
thái làm việc của toàn bộ hệ thống. Trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ
bằng phương pháp điểm trọng tâm có ưu điểm hơn cả.
Bước 6: Tối ưu hệ mờ
Sau khi xây dựng được bộ điều khiển mờ, có thể ghép nối nó với đối tượng
điều khiển thực hoặc với đối tượng mô phỏng để thử nghiệm. Trong quá trình thử
nghiệm cần kiểm tra xem có tồn tại lỗi nào trong quá trình làm việc hay không, tức
là phải xác định tập các luật điều khiển được xây dựng có đầy đủ hay không để
khắc phục.
22

31. Ebookbkmt.com
Cuối cùng là tối ưu trạng thái làm việc của bộ điều khiển theo các chỉ tiêu
khác nhau. Chỉnh định bộ điều khiển được thực hiện thông qua việc hiệu chỉnh
hàm liên thuộc và thiết lập thêm các nguyên tắc điều khiển bổ sung hoặc sửa đổi
lại các nguyên tắc điều khiển đã có.
1.3.2. Các chú ý khi thiết kế bộ điều khiển mờ
Điều khiển mờ có thể sử dụng cho các hệ thống mà ở đó không cần biết
chính xác mô hình đối tượng.
Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều vì không cần sử dụng mô hình
đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
Bộ điều khiển mờ dễ thực hiện hơn so với các bộ điều khiển khác và dễ
dàng trong việc thay đổi.
Cho đến nay chưa có nguyên tắc chuẩn mực nào cho việc thiết kế cũng như
chưa thể khảo sát tính bền vững, tính ổn định, quá trình quá độ, chất lượng cũng
như ảnh hưởng của nhiễu… cho các bộ điều khiển mờ.
Yêu cầu khi thiết kế hệ điều khiển mờ [2]:
Không thiết kế hệ điều khiển mờ cho các bài toán mà hệ điều khiển kinh
điển có thể dễ dàng thực hiện được như các bộ điều khiển P, PI, PD, PID.
Hạn chế sử dụng điều khiển mờ cho các hệ thống cần đảm bảo độ an toàn
cao do những yêu cầu về chất lượng và mục đích của hệ thống điều khiển mờ chỉ
có thể xác định và đạt được qua thực nghiệm.
Hệ thống điều khiển mờ là hệ thống điều khiển mang tính chuyên gia, gần
với nguyên lý điều khiển của con người, do đó người thiết kế phải hoàn toàn đủ
hiểu biết và kinh nghiệm về hệ thống cần điều khiển mới có thể thiết kế được hệ
điều khiển mờ.
Các phương án thực hiện bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ có thể được thực hiện bằng hệ cứng hoặc bằng hệ mềm.
23

32. Ebookbkmt.com
Thực hiện bằng hệ cứng: ta có thể dùng các vi điều khiển thông thường
(AVR, ARM, PIC…)hoặc dùng các vi điều khiển mờ chuyên dụng (dsPIC…)
Thực hiện bằng hệ mềm: Sử dụng các ngôn ngữ như C, C++, Visual Basic…
hoặc sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế: Matlab, fuzzy tech…
Tùy theo từng bài toán, đối tượng cụ thể mà ta lựa chọn phương án thực hiện
xây dựng bộ điều khiển mờ cho phù hợp. Trong luận văn, tác giả lựa chọn cách
thực hiện bộ điều khiển bằng hệ mềm sử dụng ngôn ngữ Matlab.
CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
2.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
2.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều [1].
Cấu tạo của máy điện một chiều gồm có: stator và rotor
Stator (còn gọi là phần tĩnh hay phần cảm) (hình 2.1)
Hình 2.1. Cấu tạo stato động cơ điện một chiều
1 – vỏ máy: làm bằng thép đúc làm nhiệm vụ dẫn từ, gá lắp các cực từ và
bảo vệ máy.
24

33. Ebookbkmt.com
2 – cực từ chính: bao gồm thân cực và mặt cực. Thân cực làm bằng thép
đúc, trên thân cực từ chính có quấn dây quấn kích từ. Mặt cực làm bằng lá thép kỹ
thuật điện để tránh tác động của dóng xoáy fuco lan truyền từ rotor sang.
3 – cực từ phụ: làm bằng thép đúc, trên có quấn dây quấn kích từ phụ.
4 – dây quấn trên cực từ chính: làm bằng dây đồng bọc cách điện. Gọi là
cuộn kích từ độc lập hay kích từ song song tùy thuộc vào cách đấu dây.
5 – dây quấn trên cực từ phụ: giống với cuộn nối tiếp nhưng quấn trên cực từ
phụ và đấu nối tiếp với cuộn kích từ nối tiếp.
Phần ứng (rotor)
Rôto (phần ứng) của máy điện một chiều gồm: lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp
và trục máy (hình 2.2).
Hình 2.2. Cấu tạo roto động cơ điện một chiều
7 - Lõi thép phần ứng: Hình trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dày
0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập các lỗ thông gió và rãnh
để đặt dây quấn phần ứng
8 – khe đặt dây quấn phần ứng: chu vi mặt ngoài được xẻ rãnh đều đặn để
đặt dây quấn.
9 – trục rotor: làm bằng hợp kim thép có độ cứng cao, được đỡ ở 2 đầu bằng
2 vòng bi.
25

34. Ebookbkmt.com
10 - Dây quấn phần ứng: Gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau, đặt trong
các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòng kín, hai đầu nối với hai
phiến góp của vành góp
Chổi than và cổ góp: có cấu tạo như hình 2.3
Hình 2.3. Cấu tạo cổ góp động cơ điện một chiều
Cổ góp (vành góp) là tập hợp nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép
thành một khối hình trụ, cách điện với nhau, được gắn trên trục máy và cách điện
với trục máy.
Chổi than: cấu tạo từ bột than granit, có độ dẫn điện cao và khả năng chống
mài mòn tốt. Tỳ lên các chổi than là các lò xo, các lò xo này có thể điều chỉnh lực
căng để tăng tiếp xúc giức chổi than và cổ góp. Chổi than của máy điện một chiều
được thể hiện như hình 2.4
Hình 2.4. Cấu tạo chổi than động cơ điện một chiều
2.1.2. Nguyên lý làm việc và phân loại động cơ điện một chiều
Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều: khi cho điện áp một chiều U
vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab
và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau
26

35. Ebookbkmt.com
tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto. Chiều lực tác dụng được xác định
theo quy tắc bàn tay trái (hình 2.5 a)
Hình 2.5. Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau
(hình 2.5 b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến
đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác
dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rôto cũng theo một chiều nhất định, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa theo phương pháp kích từ, động cơ một chiều có các loại như sau:
Động cơ một chiều kích từ độc lập.
Động cơ một chiều kích từ song song.
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp.
2.1.3. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều
Do đối tượng sử dụng trong luận văn là động cơ điện một chiều kích từ độc
lập nên dưới đây tác giả tập trung trình bày cách xây dựng đặc tính cơ của động cơ
một chiều kích từ độc lập.
Xây dựng phương trình đặc tính cơ
Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải
phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ
27

36. Ebookbkmt.com
đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì
dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng và được cấp bởi hai nguồn một chiều độc
lập với nhau [2].
Hình 2.6. Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Theo hình 2.6 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng [2]
Uư =Eư + ( Rư + Rf).Iư (2.1)
Trong đó: Uư : Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V).
Eư : Sức điện động phần ứng (V)
Rư : Điện trở của mạch phần ứng (Ω)
Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω)
Iư : Dòng điện mạch phần ứng (Α )
Với: Rư = rư + rcf +rb + rct
Trong đó : rư : điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)
rcf : điện trở cuộn cực từ phụ (Ω)
rb : điện trở cuộn bù ( Ω)
rct : điện trở tiép xúc chổi điện (Ω)
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức (2.2) [2]
Eo,, = K. ω = a
NP
..2
.
π
.Φ. ω (2.2)
28

37. Ebookbkmt.com
Trong đó : K = a
NP
..2
.
π
hệ số cấu tạo của động cơ
P : Số đôi cực
N : Số thanh dẫn tác dụng
a : Số đôi mạch nhánh song song
Φ : Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ (wb)
ω : Tốc độ góc (rad/s)
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) [2]:
Eư = Ke.Φ.n (2.3)
Mà ω = 60
..2 nπ
Thay (2.4) vào (2.2) ta có
Eư = a
NP
.60
.
.Φ. n
=> Ke = a
NP
.60
.
= 55,9
K
≈ 0,105
K: Hệ số sức điện động của động cơ
Thay (2.1) vào (2.2) và biến đổi ta được [2]:
ω = u
fu
I
k
RR
k
U
.
.. φφ
+
− (2.4)
Biểu thức (2.6) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác, mômen điện từ: Mđt = K.Φ.Iư (2.6)
Nếu bỏ qua mọi tổn hao thì mômen cơ trên trục của động cơ chính bằng
mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là
Mđt = Mcơ = M
29

38. Ebookbkmt.com
Thay Mđt = Mcơ = M vào phương trình (2.4) ta thu được phương trình đặc
tính cơ của động cơ [2]:
ω = M
k
RR
k
U fu
.
).(. 2
φφ
+
− (2.7)
Biểu thức (2.7) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập. Nếu ta xem Φ =const thì quan hệ ω = f(M,I) là tuyến tính.
Hình 2.7. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Từ hình 2.7 ta thấy : khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:
ω = φ.k
U
= ω 0 (2.8)
với ω 0 : tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi ω = ω 0 ta có:
Iư =
fu RR
U
+ = Inm (2.9)
và M = k. Φ.Inm =Mnm (2.10)
Inm, Mnm : là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác ta có: Iư = φ.
M
k , R = Rư + Rf , ω 0 = φ.k
U
nên phương trình (2.7)
có thể viết dưới dạng:
30

39. Ebookbkmt.com
ω = M
k
RR
k
U fu
.
).(. 2
φφ
+
− = ω 0 - ∆ω (2.11)
2.2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
2.2.1. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
Từ biểu thức (2.7) ta có mối quan hệ ω = f(R,Φ,U) do đó để điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện bằng ba phương pháp điều khiển
sau:
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
Phương pháp điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng
Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng.
ta có mối quan hệ: ω = f(Rf, Φ kt,U) với giả thiết rằng : Nếu giữ Φ = Φ đm= const;
U = Uđm = const; Rư = const thì tốc độ của động cơ chỉ phụ thuộc vào điện trở
phần ứng ω = f(Rf)
Để thực hiện thay đổi giá trị Rf của mạch phần ứng ta thực hiện bằng cách
nối tiếp một điện trở phụ (Rf) có thể thay đổi giá trị vào mạch phần ứng.
Khi thêm điện trở Rf vào mạch phần ứng ta có : R = Rư + Rf
Theo phương trình đặc tính cơ : ω = M
k
RR
k
U fu
.
).(. 2
φφ
+
− (2.11)
Từ (2.11) ta thấy: khi ta điều chỉnh tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ giảm
và ngược lại
Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω0 =
đm
đm
k
U
φ.
= const (2.12)
Và độ cứng của đặc tính cơ: β =
fu
nm
RR
kM
+
−=
∆
∆ 2
).( φ
ω
= var (2.13)
31

40. Ebookbkmt.com
Khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0
ta có đặc tính cơ tự nhiên. β tự nhiên có giá tị lớn nhất nên có độ cứng hơn tất cả
các đường đặc tính có điện trở phụ.
Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau:
Hình 2.8. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Nếu giá trị điện trở Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời
dòng điện ngắn mạch (Inm ) và mô men ngắn mạch (Mnm ) cũng giảm. Phương pháp
này được dùng để hạn chế dòng khởi động của động cơ.
Phương pháp điều khiển tốc độ đồng cơ bằng cách thay đổi từ thông kích từ
Nguyên lý điều chỉnh: Phương pháp điều khiển tốc độ đồng cơ bằng cách
thay đổi từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là thực hiện điều chỉnh mô
men điện từ của động cơ M = k.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ Eư =
k.Φ.ω
Theo phương trình đặc tính cơ ω = f(U, φkt , Rf ), thực hiện giữ U = Uđm =
const, Rư = const (Rf =0) thì lúc này tốc độ của động cơ chỉ phụ thuộc vào từ thông
kích từ ω = f(Φkt).
Vậy để điều chỉnh từ thông kích từ Φkt ta thực hiện mắc thêm biến trở Rv
vào mạch kích từ của động cơ, khi điều chỉnh từ thông kích từ Φkt ta phải tuân theo
32

41. Ebookbkmt.com
điều kiện sau: không được tăng dòng kích từ Ikt lớn hơn dòng định mức của cuộn
kích từ.
Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ ta có:
Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ: ω0 =
x
đm
k
U
φ.
= var (2.14)
Độ cứng của đặc tính cơ : β =
u
x
R
k 2
).( φ
= var (2.15)
Do cấu tạo của động cơ điện, khi từ thông kích từ: Φkt = Φđm đã bão hòa, nếu
muốn thực hiện tăng dòng kích từ Ikt thì Φkt tăng cũng không tăng đáng kể (do từ
thông đã bão hòa) nên thực tế thường ta điều chỉnh bằng cách giảm từ thông kích
từ Φkt. Khi từ thông kích từ giảm thì tốc độ của động cơ (ωx )tăng, còn độ cứng đặc
tính cơ (β) sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ (hình 2.9) với ω0 tăng dần và độ cứng
của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.
Hình 2.9. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ
thông.
Từ hình 2.9 ta thấy khi từ thông kích tù thay đổi với Φđm > Φ1 > Φ2 ta có:
Dòng điện ngắn mạch: Inm =
u
đm
R
U
= const
Mô men ngắn mạch: Mnm = K.Φx.Inm = var (Mnm > Mnm1 >Mnm2)
Từ đồ thị đặc tính (hình 2.9)ta thấy ω0 < ω01 < ω02.
33

42. Ebookbkmt.com
Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Từ phương trình đặc tính cơ (2.7): ω = M
k
RR
k
U fu
.
).(. 2
φφ
+
−
Thực hiện điều chỉnh để giữ: Φ = Φđm = const, Rư =const, (Rf =0), M =
const. Lúc này tốc độ của động cơ chỉ phụ thuộc vào điện áp phần ứng: ω = f(Uư)
Khi thực hiện thay đổi điện áp phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý
tưởng sẽ thay đổi, độ cứng đặc tính cơ là không đổi.
Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ: ω0 = φ.k
Uu
= var (2.16)
Độ cứng của đặc tính cơ của động cơ: β =
uR
k 2
).( φ
− = const (2.17)
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng của động cơ ta thu được một họ các
đặc tính cơ như hình 2.10
Hình 2.10. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện
áp phần ứng thay đổi
Từ hình 2.10 ta thấy khi thay đổi điện áp phần ứng của động cơ ta được một
họ đặc tính cơ nhân tạo song song với đặc tính tự nhiên.
Cũng từ hình 2.10 ta thấy rằng khi thay đổi điện áp phần ứng của động cơ thì
mômen ngắn mạch (Mnm), dòng điện ngắn mạch (Inm) của động cơ giảm và tốc độ
34

43. Ebookbkmt.com
động cơ cũng giảm. Do đó phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng được dùng
để thực hiện điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động.
Để thực hiện điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi
để thực hiện điều chỉnh điện áp đầu ra cấp cho mạch phần ứng của động cơ (hình
2.11).
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ
Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành điện áp
một chiều với giá trị điện áp đầu ra có thể điều chỉnh được theo yêu cầu của người
điều khiển.
Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện thì
tác giả thấy rằng phương pháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt
hơn cả. Vì vậy tác giả lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng làm phương pháp nguyên cứu cho đề
tài.
2.2.2. Logic mờ trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Xu hướng ngày nay ngày càng có nhiều thiết bị được phát triển với rất nhiều
tính năng, sử dụng dễ dàng và tiết kiệm năng lượng. Có rất nhiều thiết bị ứng dụng
logic mờ: như trong máy giặt dùng để tối ưu hóa năng lượng, giảm thiểu nước và
năng lượng tiêu thụ trong máy giặt…trong hệ thống điều hòa: thay đổi nhiệt độ
trong các hệ thống điều hòa không khí … các ứng dụng chỉ ra ở trên được thiết kế
sử dụng các chip mờ chuyên dụng.
35

44. Ebookbkmt.com
Việc ứng dụng điều khiển mờ vào việc điều khiển tốc độ động có thể thực
hiện bằng nhiều phương pháp: bằng phần mềm có thể dùng: Matlab, C#..., bằng
phần cứng có thể sử dụng các họ chip mờ chuyên dụng như Freescale 68HC12,
ST6265, …
Ưu điểm của việc sử dụng chip mờ chuyên dụng: cấu tạo gọn nhẹ; do nhà
sản xuất đã hỗ trợ các chương trình soạn thảo đi kèm nên việc thiết kế bộ điều
khiển đơn giản, chỉ cần thiết kế bộ điều khiển và nạp vào chip; do thời gian xử lý
của vi điều khiển mờ rất nhanh nên có thể điều khiển tốc độ động cơ theo thời gian
thực. Một ví dụ của việc sử dụng vi điều khiển mờ chuyên dụng trong việc điều
khiển tốc độ động cơ điện một chiều được trình bày dưới đây.
Hình 2.14 là một ví dụ ứng dụng chip mờ điều khiển tốc độ động cơ điện 1
chiều sử dụng vi điều khiển ST6265 tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC, điều chế độ
rộng xung PWM, hệ đếm thời gian cơ bản … trên chip để điều khiển tốc độ động
cơ bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Hình 2.14. Sử dụng chip mờ chuyên dụng điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều
Trong hình 2.14 ta thấy: động cơ điện một chiều là đối tượng chính cần thực
hiện điều chỉnh tốc độ. Trục động cơ được gắn cứng với một máy phát tốc để thực
hiệc phản hồi tốc độ. Tốc độ quay của động cơ tỉ lệ với điện áp phát ra trên máy
phát tốc. Điện áp từ máy phát tốc được khuếch đại, lọc sau đó đưa tới bộ ADC có
sẵn trên vi điều khiển mờ ST6265, đây chính là biến ngôn ngữ đầu vào của bộ điều
36

45. Ebookbkmt.com
khiển mờ. Các luật mờ được lập trình sẵn trong vi điều khiển mờ thực hiện việc
tính toán và xuất ra các giá trị đầu ra trên bộ PWM timer. Tín hiệu ra từ vi điều
khiển ST6265 được chuyển qua một bộ khuếch đại từ 5V lên 15V. Van công suất
thực hiện đóng mở để thay đổi độ rộng xung đầu ra sử dụng IGBT STGP10N50 và
diode STTA806DI để thực hiện điều chỉnh tốc độ động cơ.
Việc đo tốc độ động cơ được thực hiện theo chu kỳ và được đồng bộ bởi một
bộ thời gian có sẵn trên chip. Thời gian này được quyết định dựa vào thời gian
thực hiện luật mờ. Với họ vi điều khiển ST6 thì khoảng thời gian ngày khoảng từ
12 – 15 ms. Tuy nhiên, để cho các vi điều khiển đồng thời quản lý các nhiệm vụ
khác, ví dụ như lựa chọn tốc độ động cơ, truyền dữ liệu tốc độ về tốc độ thực của
động cơ, thời gian cho việc đồng bộ hóa đã được cố định là 30 ms. Công cụ sử
dụng để định nghĩa các biến ngôn ngữ, thiết kế các luật mờ cho vi điều khiển
ST6265 là “fuzzyTECH ST6 Explorer Edition”.
Theo các phương pháp để thiết kế bộ điều khiển mờ đã được trình bày trong
mục mục 1.3.2 b, các phương án thực hiện bộ điều khiển mờ ngoài cách thiết kế
trên phần cứng bằng các vi điều khiển thông thường hay các vi điều khiển mờ
chuyên dụng mà còn có thiết kế hệ mềm như MATLAB hay các ngôn ngữ thông
thường C, VB..Trong đồ án này, em lựa chọn ngôn ngữ lập trình C# để xây dựng
bộ điều khiển.
2.3. Mô phỏng bộ điều khiển và hệ thống trên Matlab
2.3.1. Xây dựng mô hình hệ thống
Xây dựng mô hình của động cơ điện một chiều
Động cơ sử dụng trong luận văn là động cơ một chiều kích từ độc lập, thay
đổi tốc độ bằng thay đổi điện áp phần ứng. Mô hình động cơ điện 1 chiều được thể
hiện như hình 2.15:
37

46. Ebookbkmt.com
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Cấu tạo của động cơ điện một chiều:
Phần ứng (Armature):
U a : điện áp phần ứng
i a : dòng điện phần ứng
R a : điện trở phần ứng
L a : điện cảm phần ứng
Phần kích từ hay phần cảm (Field)
U f : điện áp kích từ
i f : dòng điện kích từ
R f : điện trở phần cảm
L f : điện cảm phần cảm
Các thông số liện quan để xây dựng mô hình động cơ điện 1 chiều
T M : momen trên đầu trục động cơ (Torque Moment)
T L : momen tải (Torque Load)
38

47. Ebookbkmt.com
Bf : hệ số ma sát (Viscous Damping constant)
θ : tốc độ trên đầu trục độngcơ (Velocity)
Từ sơ đồ nguyên lý của động cơ điện 1 chiều ta có phương trình cơ bản của
động cơ điện 1 chiều [5]:
dt
tdi
LRtitutu a
aaaba
)(
.).()()( ++=
(2.21)
dt
td
ktu bb
)(
.)(
θ
= (2.22)
)(.)().(.)( tiKtitiKtT aTfaM == ( consttif =)( )
(2.23)
)(.
)(
.)( tBf
dt
td
JtTT LM θ
θ
+=− (2.24)
Từ (2.21), (2.22), (2.23), (2.24) xây dựng được mô hình toán của động cơ 1 chiều
như hình 2.16
Hình 2.16. Mô hình toán động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều trên Simulnk
Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập trên
Simulink được thể hiện như hình 2.17:
39

48. Ebookbkmt.com
Hinh 2.17. Xây dựng hệ con đánh dấu mô hình động cơ điện một chiều
Hình 2.18. Mô hình toán động cơ điện một chiều trên Simulnk
Từ mô hình mô phỏng ta thu được các đặc tính tốc độ và dòng điện của động
cơ điện một chiều như hình 2.19, hình 2.20.
Hình 2.19. Đặc tính tốc độ động cơ
40

49. Ebookbkmt.com
Hình 2.20. Đặc tính dòng điện động cơ
2.3.2. Mô phỏng bộ điều khiển mờ trên MATLAB và đáp ứng của hệ thống
Xây dựng bộ điều khiển mờ sử dụng công cụ fuzzy logic toolbox trong
simulink.
Theo lý thuyết về xây dựng bộ điều khiển mờ đã trình bày trong chương 1,
thực hiện xây dựng bộ điều khiển mờ sử dụng công nghệ fuzzy toolbox logic như
sau: ZFIS Editor là một chương trình tạo lập bộ điều khiển mờ cơ bản, cho phép
xác định số đầu vào, số đầu ra, đặt tên các biến vào, các biến ra, tạo lập và soạn
thảo hàm liên thuộc… FIS Editor được gọi khi đánh dòng lệnh “Fuzzy” từ dấu
nhắc của MatLab.
Theo yêu cầu của mô hình, ta thiết kế bộ điều khiển mờ có hai biến đầu vào
là er(SpeedErr) và erv(SpeedErrVar) và một biến đầu ra pwm(PWMVar) (hình vẽ
2.21).
41

50. Ebookbkmt.com
Hình 2.21. Xây dựng các biến vào ra của bộ điều khiển
Kích đúp một biến bất kỳ để chuyển tới cửa sổ soạn thảo Membership
Function Editor và tạo các hàm liên thuộc cho các biến vào/ra như hình 2.22:
42

51. Ebookbkmt.com
Hình 2.22. Tạo hàm liên thuộc cho các biến vào/ra
Sử dụng Rule Editor để tạo bảng luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ. Từ
menu View, chọn Edit Rules để kích hoạt Rule Editor (hình vẽ 2.23)
Hình 2.23. Xây dựng luật điều khiển mờ
Thực hiện kiểm tra lại hoạt động của bộ điều khiển mờ, ta vào menu View,
chọn View Rules (hình 2.24).
Hình 2.24.View Rules cho phép kiểm tra lại kêt quả luật mờ đã xây dựng
Tại ô Input, ta có thể nhập các giá trị của biến đầu vào để quan sát các giá trị
của biến đầu ra. Để xem luật điều khiển trong không gian, chọn View Surface
trong menu View (hình 2.25).
43

52. Ebookbkmt.com
Hình 2.25. Kiểm tra lại các luật điều khiển trong View Surface
Xây dựng mô hình hệ thống trên SIMULINK được thể hiện như hình 2.26
Hình 2.26. Mô hình hệ thống trên Simulink
44

53. Ebookbkmt.com
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG
3.1. Thiết kế, xây dựng mạch công suất
Phần cứng thiết kế với mục đích ứng dụng logic mờ vào việc điều khiển và
giám sát tốc độ và chiều quay của động cơ một chiều. Ta có thể chia thành các
khối chức năng như sau:
Bộ điều khiển mờ: xây dựng bộ điều khiển mờ MISO trên Matlab
Khối mạch công suất: sử dụng IC L298N là IC có tích hợp sẵn 2
cầu H tiện lợi cho việc điều khiển động cơ một chiều.
Khối mạch cấp nguồn: sử dụng 2 mạch cấp nguồn 5V cấp cho vi
điều khiển Atmega 8 và mạch cấp nguồn 24V cấp cho động cơ một chiều.
Đối tượng điều khiển: sử dụng động cơ một chiều có các thông số
cơ bản như sau : Uđm = 24V, nđm = 1200 vòng/phút, P = 25W.
Khối phản hồi tốc độ: sử dụng encoder tương đối IE để thực
hiện đo tốc độ động cơ.
Hình 3.1. Sơ lược hệ thống sử dụng logic mờ điều khiển
tốc độ động cơ điện một chiều
3.1.1. Khối mạch cấp nguồn
Khối mạch cấp nguồn gồm có 2 mạch: cấp nguồn 5V một chiều và cấp
nguồn24V một chiều.
45

54. Ebookbkmt.com
Mạch cấp nguồn 5VDC: để tạo ra điện áp một chiều 5VDC cấp
cho vi điều khiển Atmega 8 và IC MAX232 sử dụng IC ổn áp LM7805.
Sơ đồ khối của mạch cấp nguồn như sau:
Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch cấp nguồn
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: điện áp 220VAC đưa qua bộ
Adaptor hạ áp xuống 12VAC. Điện áp xoay chiều này đưa tới cầu chỉnh lưu để có
được điện áp một chiều. Điện áp một chiều đưa tới chân VIN của LM7805 và đầu
ra VOUT ta có được điện áp 5VDC. Đôi khi đường cấp nguồn bị nhiễu, để san
phẳng các nhiễu này ta sử dụng các bộ lọc trước và bộ lọc sau IC ổn áp để có được
nguồn 5VDC ổn định. Các tụ sử dụng trong mạch : tụ gốm 104pF và tụ hóa
2200mF. Ngoài ra còn có 1LED báo cấp nguồn
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC
Mạch cấp nguồn 24VDC cho động cơ: do chất lượng điện áp cấp cho động
cơ không đòi hỏi qua cao nên ta sử dụng một mạch đơn giản như sau:
46

55. Ebookbkmt.com
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC
Nguyên lý hoạt động: điện áp 220VAC đưa qua biến áp hạ áp xuống
24VAC. Điện áp xoay chiều này đưa tới cầu chỉnh lưu để có được điện áp một
chiều. Điện áp sau cầu chỉnh lưu vẫn nhấp nhô, để san phẳng điện áp ra ta sử dụng
một tụ hóa có dung lượng 10000mF. Điện áp này cấp cho đối tượng là động cơ cần
điều khiển.
3.1.2. Mạch công suất
L298N là một driver chip tích hợp sẵn hai mạch cầu H bên trong với chuẩn
điều khiển TTL, không có diode nội bảo vệ Mosfet. Chịu tải tối đa trên mỗi cầu là
2A, điện áp 40VDC. Logic ‘0’ ở ngõ vào lên tới 1.5V (khả năng khử nhiễu cao).
Sử dụng dạng đóng gói Multiwatt15. Các thông số cần thiết khác của L298N có
thể được tìm thấy tại trang web của hãng STMicroelectronics
Hình 3.5. Hình dạng IC L298N
Thiết kế một bộ điều khiển mở có thể sử dụng cho các động cơ lên đến 4A
bằng cách nối song song 2 cầu H bên trong của L298N. Hình dạng của IC L298N
được thể hiện như hình 3.5.
47

56. Ebookbkmt.com
Hình 3.6. Nối song song hai mạch cầu H của L298N
Việc hạn dòng cho động cơ là rất cần thiết, nhất là khi động cơ hoạt động, có
rất nhiều tình huống không mong đợi sẽ xảy ra, vì vậy cần phải có chế độ hạn dòng
bằng phần mềm. Trong các trường hợp nguy hiểm như ngắn mạch do va chạm,
hoặc tuột dây nối, cần có mạch bảo vệ chống ngắn mạch bằng phần cứng để đáp
ứng kịp thời.
Cần điều khiển PWM ở tần số cao để tránh tiếng ồn do động cơ gây ra, nhất
là những tiếng kêu nghe rất rõ ở khoảng tần số 1KHz đến 3KHz. Bộ điều khiển
PWM thông thường được dùng ở 5KHz. Tuy nhiên, trong ứng dụng này, ta dùng ở
mức 10.8KHz.
Hai chế độ dừng của L298N rất thuận lợi. Dừng tự do (free stop) được thực
hiện khi chân “enable” được kéo xuống mass. Dừng nhanh hay phanh (fast stop –
break) được thực hiện khi hai ngõ vào có cùng logic. Trường hợp dừng tự do chỉ
được dùng khi điện áp hồi tiếp đo dòng tải ở chân “sense” vượt quá cho phép và
được dừng bởi chương trình điều khiển. Tất cả các trường hợp dừng khác đều dùng
biện pháp dừng nhanh. Như vậy, trong trường hợp ngắn mạch, động cơ sẽ được
duy trì ở trạng thái phanh.
L298N không có diode nội để bảo vệ các mosfet nằm bên trong, do đó, cần
có các diode ngoài để bảo vệ (xem Mạch nguyên lý). Để đảm bảo điều khiển ở tần
48

57. Ebookbkmt.com
sốPWM cao, cần dùng diode nhanh có điện trở thấp. Diode chuyên dụng để điều
khiển động cơ là các diode fast recovery Schottky. Nhưng ở tần số thấp như trong
ứng dụng này, vẫn có thể dùng loại 1N4007.
Một lưu ý rằng L298N khi hoạt động rất nóng, nhiệt độ có thể làm phỏng tay
khi chạm vào L298N. Do vậy, cần có một miếng tản nhiệt để giải nhiệt cho
L298N. Khi không có tản nhiệt, L298N sẽ nóng rất nhanh và tự động ngắt điều
khiển. Trong các thí nghiệm, L298N sẽ ngắt mạch trong vòng 45 đến 60 giây khi
không có tản nhiệt.
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
3.1.3. Đối tượng điều khiển
Đối tượng thực hiện điều khiển là động cơ một chiều (hình 3.10) có các
thông số như sau: sử dụng động cơ MINERTIA của tập đoàn điện tử YASKAWA
của Nhật Bản. Một số thông số cơ bản về động cơ như sau: F SERIES; UGFMED-
D9MRI 1; 829919-1; AX06015 A; 21 99.01, Uđm = 24V, Pđm = 25W, nđm = 1200
vòng/phút
Hình 3.10. Động cơ một chiều thực hiện điều khiển
49

58. Ebookbkmt.com
3.1.4. Khối phản hồi tốc độ
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải
đọc được góc quay của motor. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định
góc quay của motor bao gồm tachometer (máy phát tốc), dùng biến trở xoay hoặc
dùng encoder. Trong đó 2 phương pháp đầu tiên là phương pháp analog và dùng
optiacal encoder (encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital. Hệ thống
optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared),
một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh.
Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute
optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder). Trong đa số
các DC Motor, encoder tương đối được dùng và mô hình động cơ trong đò án này
cũng không ngoại lệ.
Hình 3.11. Mô hình của encoder tương đối
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I
(Index).
Kênh I: Trong hình trên ta thấy một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và
một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Cứ mỗi lần motor quay được một
vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ
xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như
thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor.
Kênh A: bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-
phát khác dành cho các rãnh này. Hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I,
điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có n “xung” xuất hiện trên kênh A
50

59. Ebookbkmt.com
với n là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi
loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng
cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, ta phải
biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính
xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Trong đồ án sử dụng loại encoder có
độ phân giải 200xung/vòng
Kênh B: trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng
đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh). Tín hiệu xung từ
kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 O
. Bằng cách phối hợp kênh
A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.
Hình 3.12. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder
Hình 3.12 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi
cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên
qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh.
Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái
sang phải. Quan sát thấy lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao mức xuống thấp (cạnh
xuống) thì kênh B đang ở mức thấp.
51

60. Ebookbkmt.com
Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải
qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy,
bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay
(thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của
kênh B ở cạnh xuống của kênh A).
Phương pháp đọc encoder bằng AVR: Tùy theo mục đại lượng điều khiển
(vị trí hay vận tốc) và đặc điểm encoder (độ phân giải) chúng ta có 3 phương pháp
để đọc encoder bằng AVR: Input Capture, Timer với chức năng counter và ngắt
ngoài. Mỗi phương pháp sử dụng đều có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên trong
đồ án sử dụng phương pháp sử dụng Timer với chức năng counter. Đặt các kênh
của encoder vào các chân đếm của Timer 1 ta sẽ đếm được số lượng xung của các
kênh, sau đó chỉ chọn chế độ xung nguồn cấp của Timer 1. Mỗi khi có xung từ
encoder, timer sẽ tăng giá trị lên 1. Đây là phương pháp sử dụng ít tài nguyên nhất
(ít tốn thời gian cho encoder).
3.2. Đề xuất lưu đồ thuật toán xây dựng bộ điều khiển mờ
Lưu đồ thuật toán của chương trình chính được thể hiện như hình 3.13
52

61. Ebookbkmt.com
Hình 3.13. Thuật toán thực hiện chương trình chính
53

62. Ebookbkmt.com
Hình 3.14. Thuật toán thực hiện việc mờ hóa
54

63. Ebookbkmt.com
Hình 3.15. Thuật toán xây dựng ma trận luật hợp thành
55

64. Ebookbkmt.com
Hình 3.16. Thuật toán thực hiện giải mờ
56

65. Ebookbkmt.com
3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ trên miền thời gian thực
Mục này sẽ lần lượt trình bày việc xây dựng bộ điều khiển mờ bằng ngôn
ngữ Matlab – Simulink.
3.3.1. Mờ hóa
Dựa vào kiến thức về việc mờ hóa tín hiệu đầu vào đã trình bày trong
chương một, việc mờ hóa chính là việc rời rạc hóa các tín hiệu vào với tần số đủ
nhỏ để không bị mất thông tin. Muốn vậy ta cần khai báo 1 mảng để chứa các giá
trị sau rời rạc hóa, vậy mỗi hàm thuộc là một mảng có 1 hàng và n cột trong đó n
số giá trị đã rời rạc hay tần số đã nói đến ở trên. Trong đồ án, với biến đầu vào sai
lệch tốc độ (speed_err) có 5 hàm thuộc ta khai báo 5 ma trận; với biến đầu vào sự
thay đổi sai lệch tốc độ (speed_err_var) có 3 hàm thuộc ta khai báo 3 ma trận và
với biến đầu ra thay đổi chu kỳ pwm (pwm_var) có 5 hàm thuộc ta khai báo 5 ma
trận. Do việc xây dựng các hàm thuộc không có quy luật cố định hoàn toàn do kinh
nghiệm của người điều khiển, các hàm thuộc có dạng như thế nào để sao cho chất
lượng điều khiển đạt tốt nhất. Qua thực tế thử nghiệm, hình dáng hàm thuộc xây
dựng có dạng như chương 1.
3.3.2. Xây dựng ma trận luật hợp thành
Áp dụng lý thuyết điều khiển mờ đã trình bày ở chương 1, tác giả đã xây
dựng các 15 mệnh đề hợp thành trong chương 2. Trong 4 luật hợp thành đã trình
bày, tác giả lựa chọn luật hợp thành MAX-MIN để thực thi. Không giống như luật
hợp thành có cấu trúc SISO, luật hợp thành với 2 mệnh đề điều kiện biểu diễn
trong một không gian 3 chiều. Trước tiên phải thực hiện phép MIN để xác định độ
thỏa mãn H => có được 1 mảng 2 chiều. Mỗi giá trị H quét trên toàn bộ hàm thuộc
đầu ra, ta sẽ có được ma trận R hoàn chỉnh.
3.3.3. Giải mờ
Sau bước xây dựng được ma trận luật hợp thành mờ, ứng với với giá trị rõ
đầu vào ta phải xác định được giá trị đầu ra. Thuật toán tìm giá trị rõ đầu ra như
sau: sử dụng 2 vòng lặp. Vòng lặp 1 thực hiện sẽ quét toàn bộ giá trị của mảng rời
57

66. Ebookbkmt.com
rạc của biến đầu vào speed_err, thực hiện so sánh giá trị tốc độ phản hồi về với giá
trị của mảng. Nếu bằng nhau thì lưu giữ lại chỉ số đó của mảng và bắt đầu vòng lặp
2. Tương tự như vòng lặp 1, vòng lặp 2 sẽ quét toàn bộ giá trị của mảng rời rạc của
biến đầu vào speed_err_var, thực hiện so sánh giá trị tốc độ đã lưu giữ ở chu kỳ
trước với giá trị của mảng. Nếu bằng nhau thì lưu giữ lại chỉ số đó của mảng và
xuất ra giá trị A tương ứng với tọa độ trên 2 trục speed_err và speed_err_var. Ứng
với giá trị này A ta có 1 cột các giá trị của biến đầu ra pwm_var. Thực hiện giải mờ
theo phương pháp điểm trọng tâm (độ cao), giá trị rõ đầu ra bằng B/C trong đó B là
tích của tọa độ với các giá trị của cột pwm_var, C là giá trị của cột giá trị
pwm_var.
3.4. Xây dựng bộ điều khiển mờ trên Matlab điều khiển động cơ điện 1 chiều
Chương trình điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ được
xây dựng trên phần mềm Matlab – Simulink
Chương trình điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ được
xây dựng trên phần mềm Matlab – Simulink được thể hiện như hình vẽ 3.17
Hình 3.17. Chương trình điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ
58

67. Ebookbkmt.com
Mô hình mô phỏng động cơ điện một chiều được thể hiện như hình 3.18
Hình 3.18. Mô hình động cơ điện một chiều xây dựng trên Simulink
Từ hai chương trình, mô phỏng điều khiển động cơ một chiều dùng bộ điều
khiển mờ và mô hình của động cơ điện một chiều ta tiến hành cho chạy chương
trình thu được các đặc tính .
Đặc tính khi mô phỏng động cơ điện một chiều được thể hiện như hình 3.19
59

68. Ebookbkmt.com
Hình 3.19. Đặc tính của động cơ điện một chiều
Với mô hình điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều dùng bộ điều khiển
mờ, khi tiến hành thay đổi tốc độ và cho hệ thống nhận tải ta thu được đặc tính như
hình 3.20
60

69. Ebookbkmt.com
Hình 3.20. Điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ khi thay đổi
tốc độ và khi nhận tải.
Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều được thể hiện như hình
3.21
61

70. Ebookbkmt.com
Hình 3.21. Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều
Đặc tính quá chỉnh của động cơ điện 1 chiều được thể hiện như hình 3.22
62

71. Ebookbkmt.com
Hình 3.22. Đặc tính quá chỉnh.
63

72. Ebookbkmt.com
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Sau một thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu cùng với sự chỉ bảo tận tình và
hỗ trợ về nhiều mặt của thầy giáo PGS.TS. TRẦN ANH DŨNG, đề tài: “Nghiên
cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều”. Đã giải quyết
được các vấn đề sau:
- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ vào điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều
- Xây dựng bộ điều khiển mờ bằng phần mềm MATLAB
- Xây dựng mô hình ứng dụng điều khiển mờ thưc hiện điều khiển tốc độ động
cơ điện một chiều
2. Kiến nghị
Với đề tài tác giả đã tiến hành xây dựng bộ điều khiển mờ trên Matlab -
Simulink để thực hiện điều khiển động cơ điện một chiều. Tuy nhiên vẫn còn
những mặt hạn chế:
- Do hạn chế trong quá trình thiết kế nên chưa giám sát được chiều quay của
động cơ và không thực hiện đảo chiều bằng phần mềm được.
- Mô hình vật lý còn đơn giản.
64

73. Ebookbkmt.com
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Vũ Gia Hanh (Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu)( 2006). “Máy
điện tập 2”. Nhà xuất bản KHKT.
2. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước(2004). “Lý thuyết điều khiển mờ”. Nhà
xuất bản KHKT.
3. Bùi Quốc Khánh (Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền)( 2006). “Truyền Động
điện”. Nhà xuất bản KHKT.
4. Nguyễn Phùng Quang (2004). “Matlab dùng cho kĩ sư điều khiển tự động”. Nhà
xuất bản KHKT.
Tiếng Anh
5. Carlos Dualibe, M.( 2003).”Design of Analog Fuzzy Logic Controller in CMOS
Technologies”. Kluwer Academi Publisher.
6. Pierre Guillemin (1996).” Fuzzy Logic Applied to Motor Control”. IEEE
Transactions On Industry Applications.
Một số trang Web:
7. http://www.dientuvietnam.net/forums
8. http://www.thaieasyelec.net
9. http://www.tailieu.vn
65