tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu xây DỰNG hệ TRUYỀN ĐỘNG điện THÁO QUẤN BĂNG vật LIỆU sử DỤNG ĐỘNG cơ điện một CHIỀU KÍCH từ độc lập

Mục tiêu nghiên cứu:Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu.. - Nghiên cứu xây dựn

Thái Nguyên.

Cán bộ HDKH : TS Trần Xuân Minh

Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Doãn Phước

Phản biện 2 : TS Bùi Chính Minh

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 10 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dâyđiện, bao bì… được xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này

đó là các băng cuộn thép, cuộn vải, cuộn giấy, cuộn nilon tổng hợp Trong các dâychuyền sản xuất của các nhà máy đó luôn có khâu thực hiện tháo-quấn lại vật liệu Được sự đồng ý và dẫn dắt của cán bộ hướng dẫn khoa học, tác giả đã lựa

chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu

sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”

Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hướng dẫntận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của cáchọc viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp Đến nay luận văn đã hoàn thành

Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trường ĐH

Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viênkhoa Điện trường Cao đẳng Công nghiệp Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn,cung cấp tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành được luận văn này

Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Trần Xuân Minh,

người đã trực tiếp hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua

Tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinhthần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này

Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực

cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chưanhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Vì thế, tácgiả rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè vàđồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn !

Tác giả luận văn

Tôn Thất Đồng

3 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

4 Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu khảo sát về hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động

cơ điện một chiều kích từ độc lập; Nghiên cứu lý thuyết điều khiển truyền độngđiện hiện đại động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đó xây dựng bộ điều khiểntốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có mô men cản và mô men quán tínhtải biến đổi phi tuyến

5 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điệnmột chiều kích từ độc lập

- Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từđộc lập sao cho tốc độ chuyển động và lực căng của dải băng vật liệu giữ ổn định

- Mô hình hoá mô phỏng và đánh giá hệ thống trên phần mềm Matlab

6 Phương pháp nghiên cứu:

7 Nội dung nghiên cứu:

Chương 1: Tổng quan về truyền động tháo-quấn băng vật liệu.

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền động điện tháo-quấn băng vật liệu

dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chương 3: Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển động cơ điện một chiều kích từ

độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT

LIỆU 1.1 Giới thiệu chung

Mô tả một hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình:

Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình

1.2 Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu

1.2.1 Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy)

Trên hình 1.2 thể hiện cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy.

1.2.2 Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần:

Trong hệ máy trên hình 1.2 chia thành ba khâu: khâu tháo quấn cuộn giấy,

khâu xử lý dải băng giấy, khâu quấn lại băng giấy

Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy

Khâu tháo quấn cuộn giấy (Unwind):

Khâu xử lý dải băng giấy (Process web):

Khâu quấn lại băng giấy (Rewind):

1.2.3 Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

Khảo sát một hệ thống máy tháo-quấn băng vật liệu điển hình có một số đặcđiểm sau: loại vật liệu được sử dụng là loại có khả năng co giản với mức độ xácđịnh và khá đồng nhất về tính chất vật lý

Tóm tắt quá trình hoạt động và điều khiển trong hệ thống tháo-quấn băng vật

liệu điển hình được biểu diễn qua sơ đồ như hình 1.6.

1.2.4 Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

1.3 Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

1.3.1 Khái niệm sức căng của băng vật liệu

1.3.2 Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu

Đối với hệ thống quấn băng vật liệu có cấu trúc đơn giản (roll-to-roll) không

có khâu xử lý băng vật liệu phức tạp ở giữa thì việc điều khiển lực căng giữ ổn địnhtrên toàn bộ dải băng được thực hiện bằng cách điều khiển ổn định tỷ lệ tốc độ giữacác con lăn kẹp băng (nip roll) ở giữa, tang tháo quấn và tang quấn lại ở hai đầu;đồng thời để tăng độ chính xác của bộ điều khiển thì cần phải phản hồi lực căngthực dải băng đến các bộ điều khiển bằng các bộ đo lực căng Trong quá trình làmviệc sự biến thiên về tốc độ, mô men của các động cơ truyền động cho các con lănkẹp băng, tang tháo quấn, tang quấn lại và sự biến thiên bán kính của các tang quay

Control centre

Velocity Controller

Velocity Controller

Rewinder

Nip roller

Load cell 1

Load cell 2

Hình 1.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật

liệu

được biểu diễn qua các sơ đồ ở hình 1.13 thể hiện tính phi tuyến do các biến đổi

không xác định trước được của các thông số trong quá trình làm việc của hệ

Một số phương pháp điều khiển lực căng hệ thống tháo-quấn băng vật liệu:

- Điều khiển gián tiếp mô men của động cơ truyền động từ yêu cầu lực lựccăng và đường kính tang cuộn đặt trước Phương pháp này đơn giản thường sử dụngphổ biến cho khâu tháo và quấn lại vật liệu

- Điều khiển trên cơ sở phản hồi trực tiếp lực căng của dải băng từ các cảmbiến lực căng (load cell)

- Điều khiển lực căng bằng con lăn nhảy (roll dancer), con lăn này vừa làmthiết bị đo lực căng đồng thời cũng là bộ tự điều chỉnh lực căng

1.3.3 Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu

1.4 Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu:

Khảo sát hệ thống quấn băng vật liệu giấy có sơ đồ truyền động như hình 1.19.

Hình 1.13: Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn

và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ

thống tháo-quấn băng vật liệu:

(a) Động cơ truyền động tháo quấn Động cơ truyền động quấn lại

Động cơ truyền động con lăn kẹp (nip roll)

Tang (lô) tháo quấn

Hình 1.19: Khảo sát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu điển hình

- Xây dựng mô hình toán học hệ thống tháo-quấn băng vật liệu dựa vào chủyếu các định luật vật lý sau:

- Theo định luật bảo toàn khối lượng

- Theo định luật Hook

Tổng hợp các phương trình vi phân mô tả mô hình phi tuyến hệ thống tháoquấn băng vật liệu ở bảng sau:

Bảng 1.2: Tổng hợp phương trình toán học mô tả hệ thống tháo-quấn

băng vật liệu Khâu tháo quấn (Unwind zone) Khâu quấn lại (Rewind zone)

Vận tốc dài tang tháo (m/s):

2 2

r

hV R

R





Vận tốc trục quay tang tháo (rad/s):

V R

 Momen quán tính tang tháo (Kg.m2):

Kết luận:

Với các tiêu chí kỹ thuật, khi xây dựng hệ truyền động và điều khiển cho hệthống cần có mối liên hệ giữa các khâu trong hệ thống; từ đó khảo sát tìm ra mốiquan hệ giữa sức căng, mômen, tốc độ quay, và đường kính của các tang cuộn; cácđại lượng này có quan hệ phi tuyến phức tạp làm cho hệ thống điều khiển phức tạp.Luận văn này tập trung nghiên cứu xây dựng bộ truyền động cho các tang quaytháo và quấn lại sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi các thông số vềmômen cản và mômen quán tính của hệ thống biến thiên theo quy luật của côngnghệ đã được tính toán từ trước bởi bộ điều khiển trung tâm, nhiệm vụ lúc này luậnvăn là xây dựng bộ điều khiển tốc độ quay của động cơ sao cho bám theo các giá trịđặt trước với sự tác động biến thiên của mômen cản và mômen quán tính của hệthống

CHƯƠNG 2:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Tổng quan về truyền động điện một chiều

2.2 Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ

Cấu trúc hệ thống điều khiển T-Đ với hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng

điện như hình 2.1.

2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh.

2.2.1.1 Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa

2.2.1.2 Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa

2.2.2 Chất lượng của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín

2.2.2.1 Mô hình toán học trạng thái động

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ điều khiển hai mạch vòng kín, trên hình 2.4.

Trong hình Ri và Rω lần lược được biểu thị hàm số truyền của bộ điều chỉnhdòng điện và tốc độ quay

Hình 2.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - Động cơ

FTGVRGVR

VR

TM

Uci -Ui

U*i

Ri

Rω -Un

U*

n

n

βα

T

R

u

1 p T

1/R

1 p T

Hình 2.7 Sơ đồ khối chức năng

U

id

-Ui Ri

Rω -U

Cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động Thyristor - động cơ truyền động cho

hệ thống tháo-quấn băng vật liệu như hình 2.6.

Từ hình 2.6 ta vẽ lại sơ đồ khối chức năng như hình 2.7

2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển

2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện

Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ i k và từ thông phụ thuộc phituyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt

FTGVRGVR

Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập sau khi tuyến tínhhóa:

Khi từ thông kích từ không đổi:

K= const U(p) = R ư I(p).(1+pT ư ) + K(p) (2.3.24)

Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 2.12.

Các hàm truyền của động cơ có dạng:

1/R



jp1

/R1

1

MC

2.3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc

Hàm truyền của máy phát tốc:

2.3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:

w BI (p) = 1 I

I

K p

a Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện RI

Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:

Hàm truyền của đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện:

Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI)

Khi bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động động cơ ta có:

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Ui(p)

-Ri

MC-I

1/R

 )

pT (1 ) pT (1

K

v dk

b.Tổng hợp bộ điều khiển tôc độ R

Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng tốc độ như hình 2.18:

K



 1

Hình 2.18 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ PI

Hàm truyền mạch vòng dòng điện như sau:

* Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul:

Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul:

* Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:

Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng là:

1 4

8

R(p) là khâu tích phân - tỷ lệ (PI)

Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:

Đối với hệ truyền động điện cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu thì giá tri

mô men quán tính J biến đổi liên tục trong quá trình làm việc

Ta có biểu thức mô men quán tính trên trục động cơ là:

2

.( )

c

T K J

2.3.2.1 Đặc điểm và tính toán thông số hệ thống truyền động

P đm : Công suất định mức của động cơ = 2,2 kW

T i : Hằng số thời gian máy biến dòng = 0,0005 s

T v : Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,00016 s

T đk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu = 0,0002 s

T : Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,0005 s

U fđm: Điện áp ra định mức máy phát tốc = 24 V

n fđm : Tốc độ quay định mức máy phát tốc = 3000 v/ph

J 0 : Mô men quán tính tang quay và trục động cơ = 0,016 Kg.m2

2.3.2.3 Mô phỏng Simulink – Matlab bộ điều khiển PI

* Sơ đồ mô phỏng Simulink khâu quấn lại vật liệu – Hình 2.20:

Hình 2.20: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển PI khâu

quấn lại

* Kết quả mô phỏng:

Hình a

- Kết quả so sánh tổng hợp:

Hình b Hình 2.23: Kết quả mô phỏng tổng hợp kết quả tốc độ bám theo tốc độ đặt khi M c

và J biến thiên Hình a - Kết quả tổng thể Hình b - Phóng to kết quả hình a

- Tốc độ đặt thay đổi:

Tốc độ đặt Tốc độ ra

Mô men tải

Mô men quán tính

Hình 2.24: Tốc độ đặt

- Mô men tải Mc biến thiên:

Hình 2.25: Mô men tải Mc biến thiên

- Mô men quán tính J biến thiên

Hình 2.26: Mô men quán tính tải J biến thiên

Kết luận:

Với giả định theo đặc điểm biến đổi của các thông số tốc độ, mô men cản và

mô men quán tính tải cho khâu quấn lại băng vật liệu; kết quả xây dựng bộ điềukhiển cho bộ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập dùng bộ điều khiển PIthông thường; kết quả thu được tốc độ đáp ứng ra của động cơ điện một chiều bám

khá tốt tốc độ đặt mặc dù Mc và J biến thiên liên tục; song vẫn còn một số vùng hệ

thống có sự dao động lớn chưa bám tốt điều này ảnh hưởng đến chất lượng sản

phẩm Đồng thời, trong thực tế làm việc các thông số n, Mc và J biến đổi phi tuyến

phức tạp, không giống dạng biến thiên tuyến tính theo như giả định của mô phỏng,các thông số này biến thiên ngẫu nhiên mạnh theo tính chất của hệ thống theo sựthay đổi của loại vật liệu… vì thế khả năng điều chỉnh sẽ không cao đối với bộ điềuchỉnh PI thông thường do các thông số KP, KI cố định không thay đổi theo sự biếnđổi của hệ thống

Muốn đảm bảo tốt chất lượng điều chỉnh tốc độ bám tốc độ đặc khi J và Mc

của hệ biến thiên thì bộ điều chỉnh phải có khả năng tự động chỉnh định lại các tham

số của bộ PI; điều này không thể thực hiện với bộ điều chỉnh PI kinh điển mà cần cóthêm bộ điều chỉnh bên ngoài tự động thay đổi tham số của KI và KP cho phù hợpcho bộ điều chỉnh PI, ở luận văn này đề xuất sử dụng bộ điều khiển mờ ở vòngngoài làm nhiệm vụ tự động chỉnh định được 2 tham số KP , KI của bộ PI Cụ thể bộđiều điều khiển mờ lai chỉnh định ở chương 3

CHƯƠNG 3

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRUYỀN ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÁO-QUẤN

BĂNG VẬT LIỆU 3.1 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ lai PID mờ

3.1.1 Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ

3.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

3.1.3 Nguyên lý điều khiển mờ

3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

3.1.5 Các bộ điều khiển mờ

3.1.5.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh

3.1.5.2 Bộ điều khiển mờ động

3.1.6 Hệ điều khiển mờ lai

Hệ mờ lai là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển baogồm hai thành phần:

- Phần thiết bị điều khiển kinh điển

Đối tượng điều khiển

Thiết bị đo lường

x

dω/dt

Thiết bị chỉnh định

Bộ chỉnh định mờ

-

e

HsKI HsKP

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai

Cơ sở để thiết kế bộ điều khiển mờ là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) vàđạo hàm của tín hiệu ra dω/dt, các tham số KP, KI của bộ điều khiển PI sẽ được tựđộng chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI

- Xác định số lượng tập mờ cần thiết cho các biến:

Với yêu cầu của điều khiển ổn định tốc độ hệ truyền động T-Đ, chọn số lượngtập mờ cho mỗi biến đầu vào bằng 7 và mỗi biến đầu ra bằng 4 Trong đó :

+ Sai lệch ERROR được chọn trong miền giá trị từ -15 đến +15

ERROR  {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB} NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}

+ Tốc độ biến thiên theo thời gian của tốc độ thực dw/dt được chọn trong miềngiá trị từ -5000 đến +5000

- Xây dựng các luật điều khiển:

Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có được, kinh nghiệm điều khiển,

và dựa vào đặc tính quá độ thường gặp của hệ thống điều khiển dùng PI , ta xácđịnh các luật điều khiển tương ứng

Dùng luật hợp thành max-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm, khi đócác hệ số HsKP, HsKI được tính toán lúc điều khiển là: