NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

BĐ Bộ biến đổi là các bộ chỉnh lưu thyristor, biến tần, điều áp xoay chiều thyristor, bộ băm xung điện áp, v.v…Các bộ biến đổi có hai chức năng: là biến đổi năng lượng điện, từ dạng này sang dạng khác thích ứng với động cơ truyền động và mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra bộ biến đổi (như công suất, điện áp, dòng điện, tần số,…).

Môn học:

Tự động điều chỉnh truyền động điện

số tiết: 45

Chương 1 (5 tiết) những nguyên tắc cơ bản khi xây dựng

hệ truyền động điện tự động 1.1 Khái niệm và phân loại

1 Khái niệm

Điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh

M - Động cơ truyền động thường dùng động cơ điện một chiều, xoay chiều không đồng bộ, xoay chiều đồng bộ và các loại động cơ bước

BĐ - Bộ biến đổi là các bộ chỉnh lưu thyristor, biến tần,

điều áp xoay chiều thyristor, bộ băm xung điện áp, v.v…

Các bộ biến đổi có hai chức năng: là biến đổi năng lượng

điện, từ dạng này sang dạng khác thích ứng với động cơ

truyền động và mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra bộ biến đổi (như công suất, điện áp, dòng

điện, tần số, ) …

R - bộ điều chỉnh: nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lường ĐL các đại lượng của truyền động Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh được

Trong thực tế các đại lượng điều chỉnh của truyền động

là mômen quay, tốc độ, vị trí Để đảm bảo chất lượng của

hệ, thường có nhiều mạch vòng điều chỉnh như điện áp,

dòng điện, tốc độ, từ thông, tần số, công suất, mômen, v.v…

MX: máy sản xuất; ĐL: thiết bị đo lường

TĐH: tín hiệu đặt ; NL: nhiễu loạn

- Hệ điều chỉnh tuỳ động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí

trong đó cần điều khiển truyền động theo lượng đặt trước

biến thiên tuỳ ý,

Ví dụ truyền động quay anten, rađa, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, v.v…

-Hệ điều khiển chương trình: Thực chất là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển lại tuân theo chương trình đặt trước

1.2 Những vấn đề chung khi thiết kế hệ truyền động

điện tự động.

Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần

Chất lượng của hệ được thể hiện trong trạng thái động và tĩnh

+ Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính xác

điều chỉnh

+ Trạng thái động có các yêu cầu về ổn định và các chỉ

tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều

chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao động

ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, cấu trúc

mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ Vì vậy

khi thiết kế hệ ta phải thực hiện các bài toán về phân tích và tổng hợp

Đối với bài toán rổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba

loại: tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số và tổng hợp cấu trúc- tham số

- Bài toán tổng hợp chức năng thực hiện khi đã biết cấu trúc

và tham số của mạch điều khiển ta phải xác định luật điều khiển đầu vào sao cho hệ đảm bảo chất lượng

- Bài toán tổng hợp tham số: Thực hiện khi đã biết cấu trúc

hệ và lượng tác động đầu vào của hệ ta cần xác định tham số các hệ điều khiển

- Bài toán tổng hợp cấu trúc- tham số thực hiện khi đã biết

quy luật biến thiên của lượng đầu vào và ra của từng phần tử

1.3 Độ chính xác của hệ truyền động điện- tự

động (TĐĐ-TĐ) ở chế độ xác lập và tựa xác lập.

Bất cứ một hệ thống tự động điều chỉnh nào cũng

đòi hỏi đại lượng điều chỉnh phải bám theo chính

xác tín hiệu điều khiển trong chế độ xác lập, tựa xác lập và quá độ

Độ ổn định và độ chính xác điều chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bậc nhất của một hệ thống

tự động Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụ

thuộc rất nhiều yếu tố

)

( )

(

0

0

p F

p

F p

) (

)

(

)

( )

(

) (

)

( )

(

)

(

) ( )

( )

( )

(

1 0

1 1

1 1

1 1

1 0 2

2 2 1

0

t dt

t N

d C

dt

t

dN C

t N

C dt

t N

t N

C dt

t R

d C dt

t R

d C dt

t

dR C

t R C

t

e

i n

i iNn

n Nn

n Nn i

i iN

N N

i

i i

ℜ + +

+ +

+ + +

+ + +

+ +

+ +

)

( )

( 1

1 )

(

)

( )

(

p

M p

F p

R

p

E p

+

=

=

NÕu ®em chia ®a thøc M(p) cho ®a thøc N(p) th× ta cã c¸ch viÕt hµm sai lÖch nh­ sau:

( 1

) (

) (

)

( )

(

)

( )

(

P R

P

C P

R

P C

P

R p

R

p

E p

Fe = = − = −

Nếu viết Fe(P) dưới dạng phân thức

Nếu viết Fe(P) dưới dạng phân thức

n n

m m

e

p a

p a

p a

p b

p b

p b

b P

F

+ +

+ +

+ +

22

10

1.3.2 Tiêu chuẩn sai lệch

Trong tính toán thực tế các hệ thống tự động điều chỉnh, thường định ra các chỉ tiêu chất lượng nhất định đối với sai lệch để đánh giá một hệ thống là tốt hoặc là xấu

1 Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)

- Nội dung: chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích

Cận trên không xác định thay thế bằng thời gian hữu hạn

T đủ lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực tiểu

Tiêu chuẩn ISE áp dụng cho loại tín hiệu vào đã xác định (thí dụ loại nhảy cấp đơn vị) hoặc cho loại tín hiệu vào xác

định theo phương pháp thống kê

- Đặc điểm

+ Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và

đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ (hệ bậc hai không nên

dùng tiêu chuẩn này)

+ Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định

+ Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống

có yêu cầu cực tiểu hoá tiêu thụ năng lượng

2 Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE)

- Nội dung: Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều

chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây:

∫

∞

0

) ( e t dt t

- Đặc điểm

+ Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu

+ Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng

có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm

nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh

+ Thường dùng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu số lần dao động ít

1.4 Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh kiểu nối cấp dùng phương pháp hàm chuẩn môđun tối ưu:

Trong đó:

+ X1ữXi: là n thông số,

+ R1(p) ữ Rn(p): là n bộ điều chỉnh

+ S1(p) ữ Sn(p): là n đối tượng(Hệ thống)+ P1 ữ Pn: là n nhiễu loạn tác động lên hệ

Giả thiết:

+ Các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng có chứa một phần có các hằng số thời gian lớn, thí dụ hằng số thời gian

điện cơ, hằng số thời gian của cuộn dây kích từ v.v…

+ Mạch có chứa Các hằng số thời gian nhỏ, thí dụ hằng số thời gian của các xen xơ, của mạch điều khiển thyristor v.v…

- Hàm truyền của đối tượng có dạng:

j p e T

- Td là hằng số thời gian của khâu trễ

- Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh sẽ được tiến hành sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn

Tk, bằng cách đó ta đã giảm cấp cho mạch hở, các khâu

có hằng số thời gian tương đối nhỏ T’s sẽ không được bù.-Trong kỹ thuật truyền động điện có thể bỏ qua các hằng

số thời gian nhỏ hơn 1 miligiây, các hằng số thời gian cỡ dưới vài chục miligiây có thể coi là nhỏ (T’s), các hằng số thời gian cỡ 0,1 giây trở lên có thể coi là lớn (Tk)

- Ưu thế của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là ở chỗ mỗi giá trị của lượng đặt Xđi được hạn chế bởi đoạn bão hoà của đặc tính của bộ điều chỉnh Ri+1 , giá trị hạn chế này có thể là hằng số hoặc là thay đổi được

- Mỗi mạch vòng điều chỉnh có một bộ điều chỉnh và hệ thống được điều chỉnh bao gồm đối tượng điều chỉnh S0 và mạch vòng phụ, thí dụ;

) (

).

( )

(

1 )

( ).

(

) (

).

( )

(

1 02

02

01 1

01

1 1

p F

p S

p F

p S

p R

p S

p

R p

F

=

+

=

-Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng, từ mạch vòng đầu tiên đến mạch vòng thứ n.

- Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh, thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông

số các bộ điều chỉnh cho các mạch vòng

1.4.1 ¸p dông tiªu chuÈn m«®un tèi ­u:

+ Hµm chuÈn theo tiªu chuÈn m«dul tèi ­u, hµm cã d¹ng:

1 2

2

1 )

+ +

=

p p

Hình 1-11 a, Đặc tính tần số; b, Đặc tính quá độ

+ Để hệ kín có hàm truyền F(p)= FMC(p) thì:

( )

[ F p ]

p S

p

F p

R

p

F p

S p R

p S

p R

1 )

(

)

( )

(

)

( )

( ).

( 1

) ( ).

(

0 0

a.Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền:

( T p)( T p)

K p

S

2 1

1 0

1 1

)

(

+ +

+ Nếu chọn bộ điều chỉnh kiểu PI

+ Khi đó ta bù được hằng số thời gian lớn: 1+Tp= 1+ T2p Hàm truyền hệ hở bây giờ sẽ là:

+ Hàm truyền mạch kín:

p KT

Tp p

R

0

1 )

p T

K p

KT

p S

p R p

F

1

1 0

0 0

1

1 )

( ).

( )

0 1

1 0

1

1

1 1

)

(

p K

T KT p

K

KT K

p T p

KT

K p

F

+ +

= +

+

=

Để F(p)= FMC(p) thì: KT0= 2T1K1 , khi đó:

2

2 1

1 22

1

1)

(

p T

p T

p

F

++

=

Từ đó, ta có hàm hiệu chỉnh:

p T K

p

T p

R

1 1

2

2

1 )

K p

Trong đó T’s đều là các hằng số thời gian nhỏ, theo thủ tục như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân:

p KT

Tức là hàm truyền có dạng là tích của hàm truyền trong hai trường hợp trên thì ta có bộ điều chỉnh PID:

1

) (

k

u s

s

T

K p

S

( T k p)

1 1

2

Khi đó ta có bộ điều chỉnh tỷ lệ:

p T

K p

) (

Kết luận:

Tuỳ thuộc vào hàm của đối tượng S0(p), theo phương pháp môdul tối ưu ta tổng hợp được các bộ điều chỉnh R(p) khác nhau để đáp ứng được yêu cầu chất lượng

đặt ra

1.4.2 áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:

+ Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng hàm truyền

có dạng:

+Tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thường áp dụng để tổng hợp các

bộ điều chỉnh trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng

được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo

3 3 2

2 DX

88

41

4

1)

(

p p

p

p p

F

σ σ

σ

σ

ττ

τ

τ

++

+

+

=