MỤC LỤC

Trang
Lời nói đầu 3
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ…… 4
1.1.Khái quát chung về hệ biến tấn-động cơ………………… …………… 4
1.1.Khái niệm………………………………………………… ……………….4
1.2.Phân loại………………………………………………… ……………… 4
CHƯƠNG II : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN……… ……… …… 15
2.1.Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ……………… … …… …… 15
2.1.1.Các khái niệm cơ bản…………………………………… …… ……….16
2.1.2.Định nghĩa tập mờ…………………………………………… ……….16
2.1.3.Các thuật ngữ trong Logic mờ………………………………… …… 16
2.1.4.Biến ngôn ngữ………………………………………… …… …………17
2.1.5.Các phép toán trên tập mờ…………………………………… ……… 18
2.1.6.Luật hợp thành……………………………………………………… … 19
2.1.7.Giải mờ………………………………………………… …… …… … 20
2.1.8. Mô hình mờ Tagaki-Sugeno…………………………… …… ……… 22
2.2. Bộ điều khiển mờ………………………………………………………… 23
2.2.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ……………………………………… 23
2.2.2. Nguyên lý điều khiển mờ……………………………………………… 24
2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ………………………………………………. 24
2.3.Thiết kế bộ điều khiển………………………………………………… 25
2.3.1.Yêu cầu thiết kế…………………………………………………………. 25
2.3.2.Thiết kế bộ điều khiển mờ …………………………………………… 26
2.3.2.1.Các biến vào/ra và các giới hạn tới hạn…………………………… 26
2.3.2.2.Chọn hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ……………………………… 26
2.3.2.3.Luật điều khiển……………………………………………………… 26
2.3.2.4.Luật hợp thành và giải mờ………………………………………… 27
2.3.2.5.Tối ưu 27
KẾT LUẬN 28

tương đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh
khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để bản đồ án
này được hoàn thiện hơn.
Sinh viên
Bùi văn Trượng
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ
1.1.Khái quát chung về biến tần
1.1.1.Khái niệm
Khi nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha (động cơ điện
xoay chiều 3 pha roto lồng sóc) ta cần quan tâm các hệ cơ bản sau :
2
1
0
1
(1 ) (1)
. . (2)
. . (3)
. (4)
p
t
t
s
U k f
M k I
k dt
ω ω
φ
φ
θ ω
= −

φ
- Từ thông stato động cơ

p
- số đôi cực

k
- Hằng số chế tạo động cơ

1
k
- Hằng số tính toán

s
- Hệ số trượt (Với động cơ lồng sóc thì s tương đối nhỏ và hầu như
không đổi trong vùng làm việc)
Ta thấy rằng tốc độ động cơ hoàn toàn tỉ lệ với điện áp đặt vào stato do vậy
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều tiên tiến nhất hiện nay là điều
chỉnh tần số nguồn cấp . Bộ biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành
dòng điện xoay chiều ở tần số khác mà có thể thay đổi được gọi là bộ biến đổi hay
bộ biến tần . Với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay
chiều thì ngoài việc thay đổi tần số của chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra
khác điện áp mới cấp vào bộ biến tần . Hợp bộ biến tần-động cơ để điều chỉnh tốc
độ động cơ xoay chiều có tên thường gọi là hệ biến tần- động cơ.
1.2.Phân loại
Biến tần được chia thành 2 nhóm
+ Biến tần máy điện
+ Biến tần van
→
Biến tần máy điện : Nguyên lý chung của nó là dùng máy điện xoay chiều làm

Nhóm van P tạo nửa chu kì dương của điện áp tải nhóm van N tạo nửa chu kì
âm của điện áp tải . Trong mạch điều khiển người ta dùng dấu của dòng điện tải để
quyết định nhóm van nào được làm việc . Khi một nhóm van được chỉ định làm
việc thì nó làm việc ở chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịch lưu phụ thuộc . Thời
điểm phát xung mở Thyristor trong mỗi nhóm phải có phân bố sao cho điện áp
Nhóm N
Nhóm P
U
I
t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
U,I
CL NL
CL NL
Hình 2 : Các giai đoạn làm việc của các
nhóm van
trên tải là hình sin nhất và giá trị trung bình của điện áp đầu ra luôn tương thích
với giá trị tức thời của điện áp mong muốn (
2
*sin w
m

Z
c
Hình 3 : Sơ đồ nguyên lý mạch lực bộ biến tần trực tiếp 3 pha dùng cho động
cơ 3 pha
f1
f1
~
,u1
=
=
f2
,u2
~
f2
Chỉnh lưu
Lọc
Nghịch lưuHỡnh 4 : S chc nng b bin tn giỏn tip
Tựy theo tớnh cht ca b chnh lu v dng tớn hiu ra m b bin tn c lp
c chia lm 2 loi :
- B bin tn ngun ỏp (hay l b nghch lu ngun ỏp)
- B bin tn ngun dũng (hay l b nghch lu ngun dũng)

B nghch lu ngun dũng
Chỳng ta s xem xột mt mch tiờu biu hay c s dng l b nghch lu ngun
dũng 3 pha . Khối nghịch lu dòng dùng để biến đổi dòng điện một chiều sau bộ lọc
thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha .
Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh thì nghịch lu dòng thờng dùng cho

nhau một khoảng , trờng hợp lý tởng , bằng /3, trong khoảng này dòng điện pha
tải bằng 0.
Các pha stator của động cơ lần lợt nhận các dòng điện sin chữ nhật lệch
nhau góc 2 /3 , tạo ra từ trờng quay mà tốc độ của nó quyết định bởi nhịp điệu
cấp xung điều khiển cầu biến tần. Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện
động tơng ứng
tsinU2u
R
=







=
3
2
2

tsinUu
S








63


d
s
U
U =
Khi nghịch lu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều thì trên đồ
thị điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng
điện giữa các pha.
Trong thực tế kỹ thuật thờng dùng các van điều khiển không hoàn toàn vì vậy cần
có các mạch khóa cỡng bức các van đang dẫn , đảm bảo chuyển mạch giữa các pha
một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng .
Trong sơ đồ cầu này ngoài các tiristor lực T
1
ữT
6
còn sử dụng các diode cách ly
hay diode chặn từ D
1
ữ D
6
nhằm để cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây
quấn các pha của động cơ không đồng bộ ĐK để chúng không tạo thành mạch
cộng hởng làm ảnh hởng đến quá trình chuyển mạch .
Để xét sự hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha này ta xét quá trình
chuyển dòng điện từ pha R sang pha S , và từ pha T sang pha R .
H×nh 7. S¬ ®å chuyÓn m¹ch tõ pha R sang pha S
T
1

2
T
2
C
4
C
6
B
C
A'
B'
C'
C
5
U
S
U
R
U
T
R
S
T
~
~
~
i
R
i
S

π
π/3
t
t
t
t
t
t
Hình 8. Sơ đồ điện áp và dòng điện đi qua các phần tử của mạch và các .
pha trong quá trình chuyển mạch
* Chuyển dòng điện từ pha R sang pha S:
Giả thiết T
1
, D
1
, D
2
và T
2
đang mở cho dòng chảy qua. Dòng điện I
d
chảy
vào tải pha R và từ tải pha T chảy ra. Lúc này , điện áp trên các tụ điện nh sau:
01
Uuu
BAC
==
0
2
==

; nhánh thứ hai , I
C2
= I
C3
=
I
d
/3 nạp điện cho C
2
nối tiếp C
3
. Dòng điện hai nhánh hợp lại chảy qua D
1
để vào
tải pha R rồi ra ra tải pha T qua D
2
và T
2
để trở về nguồn .Tụ điện C
1
và C
3
đợc nạp
ngợc so với trớc đó. Lúc này (t=t
1
) ,D
3
vẫn cha dẫn dòng . Trong mạch vòng
BARSB ta có phơng trình:
RSCD

BA
= -U
0
, U
CB
= U
0
, U
CA
=0.
Chuyển dòng điện từ pha T sang pha R
Lúc này T
2
và T
3
đang dẫn dòng , ta có :
U
AB
=0 , U
BC
=U
0
, U
CA
= -U
0
.
Khi t=t
4
, cho xung điều khiển mở T

4
), D
4
vẫn cha dẫn dòng .
Trong mạch vòng ACTRA ta có phơng trình :
RTCD
uuu
+=
64
Khi t

t
5
, u
D4


0, diode D
4
bắt đầu dẫn dòng . Dòng I
R
tăng dần đến trị I
d
,
còn dòng I
T
từ trị I
d
giảm xuống zero .Khi t = t
6








+
L
I.f
U
,L.
f.U
f.I
,,C
mn
m
maxm
nm
max
trong đó :
f
n
- tần số định mức;
f
max
-tần số cực đại ;
I
m
- dòng điện từ hoá ,

=
trong đó U
q
, U
1
là trị hiệu dụng của sóng hài bậc q và bậc 1 ( sóng cơ bản ) .
Các van bán dẫn dùng trong bộ nghịch lu độc lập có thể là tiristor hoặc các
transisto ( bipolar , MOSFET, IGBT) , nhng phù hợp và u việc hơn cả là dùng
transisto do đó ngời ta tránh dùng tiristor . Các sơ đồ nghịch lu độc lập phần lớn
có dạng tơng tự nh ở mạch chỉnh lu , thông dụng nhất là các sơ đồ cầu . Vì vậy dới
đây chỉ xem xét sơ đồ bộ nghịch lu độc lập loại cầu dùng van điều khiển khoa .
Nghịch lu áp ba pha:
a.Sơ đồ nguyên lí :
Hoạt động của sơ đồ:
Nguyên tắt hoạt động của bộ nghịch lu áp ba pha dựa trên nguyên lí hoạt
động của bộ nghịch lu áp một pha. ở bộ nghịch lu áp ba pha có tất cả sáu van
các van lẻ S
1
, S
3
, S5 nằm ở phía trên còn các van chẵn S
2
, S
4
, S
6
nằm ở phía d-
ới, hai van trong cùng một pha thì không đồng thời dẫn nghĩa là van này dẫn thì
van kia sẽ khóa và ngợc lại. Để có dòng chạy qua tải thì nếu có một nhóm van có
chỉ số lẻ bắt buột phải có ít nhất một van thuộc nhóm chẵn dẫn

ZZZ
ZZZ
UUU
UUU
UUU
UUU
( )
( )
( )
23313
12132
31131
31
31
31
ZZZ
ZZZ
ZZZ
UU/U
UU/U
UU/U
=
=
=
+ V
R1
S
1
V
R3

Khai triển Furie điện áp dây và điện áp pha:
Tần số điện áp ra có thể đợc thay đổi bằng cách thay đổi nhịp điệu đóng cắt của
các van trong bộ nghịch lu.
Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số thì phải thay đổi cả
điện áp đặt vào động cơ. Điện áp có thể đợc điều chỉnh bằng các phơng pháp sau:
+ Điều chỉnh biên độ điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lu có điều khiển hoặc
bằng bộ băm xung.
+ Điều chỉnh thời gian đóng, mở của các van.
CHNG II : THIT K B IU KHIN
2.1.Tng quan v lý thuyt iu khin m
Khỏi nim v logic m c giỏo s L.A Zadeh a ra ln u tiờn nm 1965, ti
trng i hc Berkeley, bang California - M. T ú lý thuyt m ó c phỏt
trin v ng dng rng rói.
U
z1
U
z2
U
z3
U
z12
2U
d
/3
U
d
/3
U
d
T/2

7
1
5
5
12
11
11
1
7
7
1
5
5
132
Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng
logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng
kỹ thuật cổ điển. Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra
quyết định. Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji
Electronic vào 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987.
Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ
nhất là ở Nhật. Trong lĩnh vực Tự động hoá logic mờ ngày càng được ứng dụng
rộng rãi. Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm
truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm
được.
2.1.1. Khái niệm cơ bản
Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau :
Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các số
thực R, tập các số nguyên tố P={2,3,5, }… Những tập hợp như vậy được gọi là
tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S
chứa n phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định được một giá trị y=S(x).

→
[0 1]
trong đó :
µ
F
gọi là hàm thuộc , B gọi là tập nền.
2.1.3. Các thuật ngữ trong logic mờ

• Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup
µ
F
(x), trong đó sup
µ
F
(x) chỉ giá trị nhỏ nhất
trong tất cả các chặn trên của hàm
µ
F
(x).
• Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn :
S = Supp
µ
F
(x) = { x
∈
B |
µ
F
(x) > 0 }
• Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu là T là tập con thoả mãn :

1
miền tin cậy
MXĐ
- Rất chậm (VS)
- Chậm (S)
- Trung bình (M)
- Nhanh (F)
- Rất nhanh (VF)
Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị của
biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h … Hàm thuộc tương ứng của các biến
ngôn ngữ trên được ký hiệu là :

µ
VS
(x),
µ
S
(x),
µ
M
(x),
µ
F
(x),
µ
VF
(x)

Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị :
- Miền các giá trị ngôn ngữ :

2.1.5. Các phép toán trên tập mờ
Cho X, Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là
µ
X
,
µ
Y
, khi đó:
- Phép hợp hai tập mờ: X∪Y
+ Theo luật Max
µ
X
∪
Y
(b) = Max{
µ
X
(b) ,
µ
Y
(b) }
+ Theo luật Sum
µ
X
∪
Y
(b) = Min{ 1,
µ
X
(b) +

(b) ,
µ
Y
(b) }
VS S M F VF
0 20 40 60 65 80 100 tốc độ
µ
1
0.75
0.25
Hình 2.2
+ Theo luật Lukasiewicz
µ
X
∪
Y
(b) = Max{0,
µ
X
(b)+
µ
Y
(b)-1}
+ Theo luật Prod
µ
X
∪
Y
(b) =
µ

If N = n
i
and M = m
i
and … Then R = r
i
and K = k
i
and ….
2. Luật hợp thành mờ
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc
cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.
Các luật hợp thành cơ bản
+ Luật Max – Min
+ Luật Max – Prod
+ Luật Sum – Min
+ Luật Sum – Prod
a. Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ SISO
Luật mờ cho hệ SISO có dạng “If A Then B”
Chia hàm thuộc
µ
A
(x) thành n điểm x
i
, i = 1,2,…,n
Chia hàm thuộc
µ
B
(y) thành m điểm y
j












rnmrn
mrr
mrr
1

2 21
1 11
Hàm thuộc
µ
B’
(y) đầu ra ứng với giá trị rõ đầu vào x
k
có giá trị
µ
B’
(y) = a
T
.R , với a
T

2
and … Then rs = B”
Các bước xây dựng luật hợp thành R:
• Rời rạc các hàm thuộc
µ
A1
(x
1
),
µ
A2
(x
2
),…,
µ
An
(x
n
),
µ
B
(y)
• Xác định độ thoả mãn H cho từng véctơ giá trị rõ đầu vào x={c
1
,c
2
,…,c
n
} trong
đó c

(y)} hoặc
µ
B’
(y) = H.
µ
B
(y)
2.1.7. Giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc
µ
B’
(y) của tập mờ
B’. Có 2 phương pháp giải mờ :
1. Phương pháp cực đại
Các bước thực hiện :
- Xác định miền chứa giá trị y’, y’ là giá trị mà tại đó
µ
B’
(y) đạt Max
G = { y
∈
Y |
µ
B’
(y) = H }
- Xác định y’ theo một trong 3 cách sau :
+ Nguyên lý trung bình
+ Nguyên lý cận trái
+ Nguyên lý cận phải
• Nguyên lý trung bình: y’ =

(y) =
∑
=
m
k
kB
y
1
'
)(
µ
, và y’ được xác định :
y’ =
( )
∑
∑
∑
∫
∑
∫
∑
∫
∑
=
=
=
=
=
=
=

kB
S
m
k
kB
A
M
dyy
dyyy
dyy
dyyy
1
1
1
S
'
1
'
1
'
1
'
)(
)(
)(
)(
µ
µ
µ
µ

=
)3333(
6
12
222
1
2
2
ambmabmm
H
++−+−
A
k
=
2
H
(2m
2
– 2m
1
+ a + b)
Chú ý hai công thức trên có thể áp dụng cả cho luật Max-Min
♦ Phương pháp độ cao
Từ công thức (4.1), nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được:
y’ =
∑
∑
=
=
m

k
Then
uxBxxAx
kk
)()( +=

(4.2)
Luật này có nghĩa là: nếu véctơ trạng thái x nằm trong vùng LX
k
thì hệ thống được
mô tả bởi phương trình vi phân cục bộ
uxBxxAx
kk
)()( +=

. Nếu toàn bộ các luật
của hệ thống được xây dựng thì có thể mô tả toàn bộ trạng thái của hệ trong toàn
cục. Trong (4.2) ma trận A(x
k
) và B(x
k
) là những ma trận hằng của hệ thống ở trọng
tâm của miền LX
k
được xác định từ các chương trình nhận dạng. Từ đó rút ra được
∑
+= ))()(( uxBxxAwx
kk
k


)(
(4.4)
Từ (4.2) và (4.3) ta có phương trình động học cho hệ kín:
xxKxBxAxwxwx
lkk
l
k
))()()()(()( +=
∑

Ví dụ : Một hệ TS gồm hai luật điều khiển với hai đầu vào x
1
,x
2
và đầu ra y.
R
1
: If x
1
= BIG and x
2
= MEDIUM Then y
1
= x
1
-3x
2
R
2
: If x

Từ đó xác định được :
Min(0.3 ; 0.75)=0.3 và Min(0.35 ; 0.7)=0.35
y
1
= 4-3×60 = -176 và y
2
= 4+2×4 = 12
Như vậy hai thành phần R
1
và R
2
là (0.3 ; -176) và (0.35 ; 12). Theo phương pháp
tổng trọng số trung bình ta có:

77.74
35.03.0
1235.0)176(3.0
−=
+
×+−×
=y

2.2. Bộ điều khiển mờ
2.2.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:
+ Khâu mờ hoá
+ Thực hiện luật hợp thành
+ Khâu giải mờ
Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X =
[ ]

1
If … Then…
R
n
If … Then …
H
1
H
n

Hình 2.5
e
µ
B
y’
luật điều khiển
Giao diện
đầu vào
Giao diện
đầu ra
Thiết bị
hợp thành
X
e
u
y
BĐK MỜ
ĐỐI TƯỢNG
THIẾT BỊ ĐO
+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ.

Mc
( - )
K
p
Hình 2.6
Góc đặt
1
θ
được so sánh với góc quay thực tế của động cơ
2
θ
, tín hiệu sai lệch
1 2
e
θ θ
= −
được đưa vào bộ điều khiển R và tín hiệu ra của bộ điều khiển là điện áp
điều khiển
1m
U
để điều khiển bộ biến tần . Thường thì bộ điều khiển R là bộ PI
truyền thống và tất nhiên chất lượng của hệ thống không cao lắm . Việc sử dụng
bộ điều khiển R là bộ điều khiển mờ đã nâng cao tính bền vững của hệ thống .
2.3.2.Thiết kế bộ điều khiển mờ .
Xét hệ biến tần – động cơ có công suất
2P kW≈
,
1500( / )
o
n v ph=

2
B
(dương
vừa) ,
1
B
(dương nhỏ)
0
Z
(zero) ,
1
S
(âm nhỏ) ,
2
S
(âm vừa),
3
S
(âm lớn).Bảng 2.3
mô tả các giá trị của hàm liên thuộc E và CE.
Bảng 2.3 .Các mức lượng tử hóa
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
3
B
0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0,1 0,2 0,6 1
2
B
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,4 0,8 0,8 0,4 0
1
B

3
B
3
S
3
S
3
S
3
S
2
S
2
S
1
S
1
S
2
S
3
S
3
S
2
S
2
S
1
S

1
B
2
B
2
B
1
B
2
S
1
S
0
Z
3
B
2
B
2
B
3
B
2
B
1
S
0
Z
1
B

thì U là
3
S
;