Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều Phạm Minh Khánh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/PHẠM MINH KHÁNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

PHẠM MINH KHÁNH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

- 2014

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Minh Khánh

Sinh ngày : 04 tháng 10 năm 1986

Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014

Tác giả luận văn

Phạm Minh Khánh

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

`Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp

`Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

`Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn

trong quá trình thực hiện luận văn này

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên

có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014

Tác giả luận văn

Phạm Minh Khánh

Trang 4

MỤC LUC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỞ ĐẦU viii

1 Lý do chọn đề tài viii

2 Mục tiêu nghiên cứu viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ - 1 -

1.1 Điều khiển tối ưu động cơ một chiều - 1 -

1.1.1 Khái niệm - 1 -

1.1.2 Điều kiện thành lập bài toán tối ưu - 4 -

1.2 Điều khiển PID động cơ một chiều - 8 -

1.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID - 8 -

1.2.2 Một số phương pháp xác định tham sốbộ điều khiển PID - 11 -

1.3 Kết luận chương 1 - 16 -

CHƯƠNG II MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI - 17 -

2.1 Chế độ xác lập động cơ điện một chiều - 17 -

2.2 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi - 22 -

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG (H∞) - 25 -

3.1 Giới thiệu - 25 -

3.2 Mô hình hóa - 26 -

3.2.1 Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC - 26 -

3.2.2 Mô hình chỉnh định điều khiển động cơ DC - 28 -

3.2.3 Mô tả hệ thống và định nghĩa - 29 -

Trang 5

3.2.4 Mô tả bộ điều khiển tối ưu H∞ bền vững và thiết kế - 32 -

3.3 Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu H∞ - 36 -

3.4 Kết luận - 38 -

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU - 40 -

4.1 Mô phỏng - 40 -

4.1.1 Tham số hệ truyền động - 40 -

4.1.2 Mô hình mô phỏng hệ thống - 42 -

4.2 Thực nghiệm - 44 -

4.2.1 Thiết bị thực nghiệm - 44 -

4.2.1.2 Bo mạch ghép nối hệ thống và máy tính - 45 -

4.2.2 Cấu trúc thực nghiệm - 46 -

4.2.3 Kết quả thực nghiệm - 49 -

4.2.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm - 58 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 59 -

1 Kết luận - 59 -

2 Kiến nghị - 60 -

Trang 6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 1

Hình 1 2 Tối ưu cục bộ và tối ưu toàn cục 2

Hình 1 3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5

Hình 1 4 Cấu trúc bộ điều khiển PID 9

Hình 1 5 Điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID 10

Hình 1 6 Đáp ứng quá độ của hệ hở 12

Hình 1 7 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 13

-Hình 1 8 Đáp ứng quá độ hệ kín khi k = k th 13

Hình 1 9 Đáp ứng quá độ hệ phù hợp phương pháp ChienHronesReswick 14

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều 20

Hình 2 2 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập 21

-Hình 2 3 Cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi - 23 -

27

Hình 3 2 Mạch điện động cơ DC 28

Hình 3 3 Đường cong Đáp ứng Trạng thái 37

Hình 3 4 Đường cong đáp ứng trạng thái 37

Hình 4 1 Mô hình mô phỏng hệ thống 42

Hình 4 2 Đặc tính tốc độ động cơ mô phỏng bộ điều khiển bền vững 44

Hình 4 3 Động cơ một chiều 44

Hình 4 4 Bo mạch Arduino Uno 45

Hình 4 5 Mô hình thực nghiệm 46

Hình 4 6 Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền vững động cơ một chiều 47

Hình 4 7 Chi tiết khối Động cơ một chiều 48

Hình 4 8 Đáp ứng tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 49 Hình 4 9 Dòng điện động cơ khi không tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy 50

Hình 4 10 Sai lệch tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 50 Hình 4 11 Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 51

Trang 7

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 4 12 Dòng điện động cơ khi có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy 52

Hình 4 13 Sai lệch tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 53

Hình 4 14 Đáp ứng tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt thay đổi 54

Hình 4 15 Dòng điện động cơ khi không tải, tín hiệu đặt thay đổi 55

Hình 4 16 Sai lệch tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt thay đổi 55

Hình 4 17 Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt thay đổi 56

Hình 4 18 Dòng điện động cơ khi có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang 57

Hình 4 19 Sai lệch tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt thay đổi 58

Trang 8

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cho đến nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, ở các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, 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 chuyển sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ

Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích p hân, đạo hàm ) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Tuy nhiên các hệ thống này được thiết

kế dựa trên việc giả thiết các thông số của động cơ là không đổi, nhưng trên thực

tế trong quá trình làm việc các thông số của động cơ hoàn toàn có thể bị thay đổi (R của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo tải…) khi đó bộ điều khiển PID sẽ làm việc không đúng theo thiết kế dẫn đến hệ thống điều khiển không đảm bảo chất lượng yêu cầu

Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên Tôi xây dựng đề tài luận văn tốt nghiệp

“ Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều “

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ điều khiển tự động Tuy nhiên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau Do đó cần tiền hành nghiên cứu, tìm ra phương pháp nghiên cứu cụ thể cho từng đối tượng Mục đích cuối

Trang 9

cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền động ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất

Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ngành điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt ra vấn đề đòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển của khoa học công nghệ Việc nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hiện đại

là một vấn đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống

Để phục vụ cho công tác nghiên cứu tác giả sử dụng phương pháp điều khiển bền vững và phần mềm Matlab Simulink xây dựng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ đắc lực trợ giúp trong việc nghiên cứu, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động

cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều dùng trong các hệ truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động điện này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu chặt chẽ Và nói chung phần lớn các hệ thống truyền động thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoạc không thể biết trước

Đối với động cơ điện một chiều, các thông số thường bị thay đổi làm ảnh hưởng chất lượng điều chỉnh, cụ thể: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện cảm phần ứng Lu của động cơ suy giảm Điện trở mạch phần ứng Ru của

Trang 10

máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thời gian của mạch phần ứng Tu = Lu/Ru cũng thay đổi theo quá trình làm việc Với mạch kích từ,

từ thông Ф có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay đổi Khi xét đến tải của các hệ truyền động thì momen quán tính của tải thường bị thay đổi, làm cho momen quán tính của hệ qui đổi về trục của động cơ bị thay đổi

Nếu bằng các phương pháp điều khiển kinh điển thì chúng ta gặp nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển đạt được chất lượng cao

Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng một phương pháp điều khiển mới để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hướng được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn

Với các lý do trên tác giả chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độg động cơ điện một chiều khi các thông số của động

cơ thay đổi làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt được đáp ứng ngõ ra và các đặc tính của hệ thống điều khiển thỏa mãn các yêu cầu đề ra

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ 1.1 Điều khiển tối ưu động cơ một chiều

1.1.1 Khái niệm

Một hệ điều khiển được thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn ở trạng thái tối ưu theo một tiêu chuẩn chất lượng nào đó ( đạt được giá trị cực trị ) Trạng thái tối ưu có đạt được hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng đặt

ra, vào sự hiểu biết về đối tượng và các tác động lên đối tượng, vào điều kiện làm việc của hệ điều khiển …

Một số ký hiệu sử dụng trong chương 1

Hình 1 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển như hình trên bao gồm các phần tử chủ yếu : đối tượng điều khiển ( ĐTĐK ), cơ cấu điều khiển ( CCĐK ) và vòng hồi tiếp (K)

Với các ký hiệu :

x0 : tín hiệu đầu vào

Trang 12

u : tín hiệu điều khiển

và cơ cấu điều khiển để đạt đƣợc chế độ làm việc tối ƣu còn tùy thuộc vào lƣợng thông tin ban đầu mà ta có đƣợc

Ở đây chúng ta có thể thấy đƣợc sự khác biệt của chất lƣợng tối ƣu khi lƣợng thông tin ban đầu thay đổi ( Hình 1.2 )

Hình 1 2 Tối ưu cục bộ và tối ưu toàn cục

Trang 13

Khi tín hiệu điều khiển u giới hạn trong miền [u1,u2], ta có đƣợc giá trị tối ƣu cực đại J1 của chỉ tiêu chất lƣợng J ứng với tín hiệu điều khiển u1

Khi tín hiệu điều khiển u không bị ràng buộc bởi điều kiện u1 u u2, ta

có đƣợc giá trị tối ƣu J2 J1 ứng với u2 Nhƣ vậy giá trị tối ƣu thực sự bây giờ

là J2

Tổng quát hơn, khi ta xét bài toán trong một miền u u m, n

nào đó và tìm đƣợc giá trị tối ƣu J i thì đó là giá trị tối ƣu cục bộ Nhƣng khi bài toán không có điều kiện ràng buộc đối với u thì giá trị tối ƣu là J extremum J( i) với J i là các giá trị tối ƣu cục bộ, giá trị J chính là giá trị tối ƣu toàn cục

Điều kiện tồn tại cực trị :

Đạo hàm bậc một của J theo u phải bằng 0 :

0

u

J

(1.1) Xét giá trị đạo hàm bậc hai của J theo u tại điểm cực trị :

0 2 2

u

J

điểm cực trị là cực tiểu

0 2 2

u J

điểm cực trị là cực đại

Trang 14

1.1.2 Điều kiện thành lập bài toán tối ưu

Để thành lập bài toán tối ưu thì yêu cầu đầu tiên là hệ thống phải có đặc tính phi tuyến có cực trị

Bước quan trọng trong việc thành lập một hệ tối ưu là xác định chỉ tiêu chất lượng J Nhiệm vụ cơ bản ở đây là bảo đảm cực trị của chỉ tiêu chất lượng

J Ví dụ như khi xây dựng hệ tối ưu tác động nhanh thì yêu cầu đối với hệ là nhanh chóng chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác với thời gian quá độ nhỏ nhất, nghĩa là cực tiểu hóa thời gian quá độ Hay khi tính toán động cơ tên lửa thì chỉ tiêu chất lượng là vượt được khoảng cách lớn nhất với lượng nhiên liệu đã cho

Chỉ tiêu chất lượng J phụ thuộc vào tín hiệu ra x(t), tín hiệu điều khiển u(t) và thời gian t Bài toán điều khiển tối ưu là xác định tín hiệu điều khiển u(t) làm cho chỉ tiêu chất lượng J đạt cực trị với những điều kiện hạn chế nhất định của u và x

Chỉ tiêu chất lượng J thường có dạng sau :

0 [ ( ), ( ), ]

Trang 15

Lấy ví dụ về bài toán điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập

góc quay của trục động cơ

Hình 1 3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng moment của động cơ :

trong đó: k M C M const ; Mq là moment quán tính ; là tốc độ góc ;

là góc quay Giả sử bỏ qua phụ tải trên trục động cơ (M c 0) thì :

2 2

Trang 16

2

2 u

d i

Từ đó ta có :

2 2

d x u

Vậy phương trình trạng thái của động cơ điện là một phương trình vi phân cấp hai

Bài toán tối ưu tác động nhanh ( thời gian tối thiểu)

Tìm luật điều khiển u(t) với điều kiện hạn chế u 1 để động cơ quay từ vị trí ban đầu có góc quay và tốc độ đều bằng 0 đến vị trí cuối cùng có góc quay bằng 0 và tốc độ bằng 0 với một khoảng thời gian ngắn nhất

Vì cần thời gian ngắn nhất nên chỉ tiêu chất lượng J sẽ là :

0 [ ( ), ( ), ]

T

J L x t u t t dt T

(1.8)

Rõ ràng từ phương trình trên ta phải có L x t u t t[ ( ), ( ), ] 1

Như vậy, đối với bài toán tối ưu tác động nhanh thì chỉ tiêu chất lượng J

có dạng:

T

T dt J

0 1

Trang 17

Bài toán năng suất tối ƣu

Năng suất ở đây đƣợc xác định bởi góc quay lớn nhất của động cơ trong thời gian T nhất định Khi đó chỉ tiêu chất lƣợng J có dạng :

Bài toán năng lƣợng tối thiểu

Tổn hao năng lƣợng trong hệ thống :

Trang 18

Ta tính đƣợc :

2 0

T

J u t dt

1.2 Điều khiển PID động cơ một chiều

1.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 1.4) gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham

số cho các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơbản đƣợc sử dụng là P, PI và PID

Trang 19

Hình 1 4 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 1.5) Bộ PID

có nhiệm vụ đƣa sai lệch e(t) của hệ thống về0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơbản về chất lƣợng:

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn

- Nếu sai lệch e(t) chƣa bằng 0 thì thông qua thành phần uI (t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Trang 20

Hình 1 5 Điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID

Mô tả toán học bộ điều khiển PID bằng mô hình toán học:

Trong đó:

e(t)– tín hiệu đầu vào;

u(t)– tín hiệu đầu ra;

Trang 21

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:

- Phương pháp Ziegler-Nichols ,

- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick ,

- Phương pháp tổng T của Kuhn ,

- Phương pháp tối ưu modul và phương pháp tối ưu đối xứng,

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

Phương pháp Ziegler-Nichols thứnhất: Phương pháp này áp dụng cho

các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm bước nhảy có dạng chữ S (hình 1.6) như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ…

Trang 22

Hình 1 6 Đáp ứng quá độ của hệ hở

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho

đối tượng có khâu tích phân lý tưởng nhưmực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá độcủa hệ hở của đối tượng tăng đến

vô cùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

Trang 23

Hình 1 7 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệkín bằng bộkhuếch đại (hình 2.4)

- Tăng hệsốkhuếch đại tới giá trịtới hạn kích thướcđể hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

Hình 1 8 Đáp ứng quá độ hệ kín khi k = k th

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Trang 24

1.2.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữS (hình 2.6) nhưng có thêm điều kiện:

(b/a) > 3

Hình 1 9 Đáp ứng quá độ hệ phù hợp phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số

bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh

Trang 25

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20% so với lim ( )

t

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20% so với lim ( )

t

Trang 26

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày một số bộ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

- Điều khiển tối ưu động cơ một chiều, một số bài toán tối ưu trong điều khiển động cơ một chiều: tối ưu tác động nhanh, tối ưu công suât, tối ưu năng lượng

- Cấu trúc bộ điều khiển PID và một sơ phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID: Phương pháp Ziegler-Nichols, Phương pháp Chien-Hrones-Reswick, đối tượng có thể áp dụng các phương pháp trên

Trang 27

CHƯƠNG II MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI

CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI 2.1 Chế độ xác lập động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông ɸ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành Momen điện từ, giá trị của Momen điện tử được tính như sau:

Trong đó:

p’ – số đôi cực của động cơ

N- Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

a- Số mạch nhánh song song cỉa dây quấn phần ứng

k= pN/2π.a – hệ số kết cấu của máy

Momen điện tử kéo cho phần ứng quay quanh trục, cấc dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm sức điện động

Trang 28

(2.2) Trong đó Φ tốc độ góc của roto

Trong chế độ xác lập có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng

Trong đó Ru- điện trở mạch phần ứng động cơ

Nếu các thông số động cơ là không đổi thì có thể viết được phương trình

mô tả sơ đồ thay thế như sau:

Mạch kích từ có hai biến: dòng diện kích từ ik và từ thông máy phát là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hóa cửa lõi sắt

Trong đó:

Nk- số vòng dây quấn cuộn kích từ

Rk- điện trở cuộn dây kích từ

Mạch phần ứng

Trang 29

(2.5) Hoặc dạng dòng điện

(2.6) Trong đó:

Trang 30

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập ( NN =0 ) thì có thể viết các phương trình sau:

Mạch phần ứng

(2.8) Mạch kích từ

(2.9) Phương trình chuyển động cơ học:

Trang 31

(2.10) Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số

Trang 32

2.2 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi

Khi dòng điện kích từ độc cơ không đổi hoạc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số

Trang 33

Hình 2 3 Cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi

Trang 34

Trang 35

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG (H ∞ )

3.1 Giới thiệu

Các động cơ một chiều và bộ điều khiển của chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều quá trình công nghiệp và các ứng dụng gia đình khác nhau, ví dụ như xe lăn điện, robot, máy cán …, nhiều ứng dụng yêu cầu sự điều khiển tốc độ rất chính xác Tuy nhiên, các động cơ DC không ổn định trong hoạt động của chúng do bởi các tham số hệ thống có thể biến đổi theo thời gian Các thay đổi này thường là do độ chính xác cảm biến dòng điện, sự tăng nhiệt độ và sự thay đổi trong điều kiện làm việc, và các sai lệch cảm biến khác Trong nhiều năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện cho những kỹ thuật điều khiển mới khác nhau để cải thiện sự hiệu chỉnh tốc độ của hệ thống động cơ DC, ví dụ như

kỹ thuật điều khiển số, điều khiển cấu trúc biến đổi thích nghi, điều khiển PID tối ưu , điều khiển mạng nơ ron nhân tạo tự chỉnh một bộ điều k

D

Các lý thuyết điều khiển bền vững đã được phát triển mạnh và được áp dụng rộng rãi để thảo luận các bài toán trong thiết kế hệ thống điều khiển tốc động động cơ DC Tôi đề xuất một cấu trúc điều khiển tối ưu H∞ bền vững sử

Trang 36

dụng phương pháp LMI cho hệ thống điều khiển động cơ DC mà dựa trên một động cơ DC tuyến tính với các tham số thay đổi Bất chấp sự phức tạp này, các

bộ điều khiển H∞ bền vững vẫn được sử dụng rộng rãi do sự bền vững và hiệu suất của chúng, và lý thuyết điều khiển tối ưu H∞ bền vững tốt hơn kỹ thuật điều khiển H∞ bền vững kinh điển và PID, do bởi sự thiếu bền vững của bộ điều khiển PID và hiệu suất không tối ưu của lý thuyết điều khiển H∞ bền vững thông thường

3.2 Mô hình hóa

3.2.1 Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC

Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC (DC Motor Control Trainer – DCMCT) của Quanser là một hệ thống có khả năng minh họa lý thuyết điều khiển tự động động cơ bằng thực tiễn trong một số cách khác nhau [1] Phần cứng DCMCT bao gồm bo mạch được trình bày ở Hình 1 Đặc trưng rõ rệt nhất của DCMCT là bánh xe gắn vào một động cơ DC với enconđơ, bánh xe cung cấp một tải quán tính cho các thí nghiệm Động cơ DC được truyền động bởi một bộ khuếch đại công suất tuyến tính, và công suất tới hệ thống được phân phối từ một biến áp treo Giao diện với một PC hoặc laptop thông qua một kết nối cổng nối tiếp Sự điều khiển được thực hiện sử dụng DSP hoặc PC, và bộ điều khiển hoặc được lập trình hoặc được thiết kế sử dụng các công cụ thương mại như Simulink

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	1,53 MB