LVCH: Nghiên cứu ứng dụng PLC S7300 xây dựng hệ truyền động điện một chiều

Nội dung của luận văn gồm: Chương 1: Xây dựng bộ điều khiển PID cho động cơ một chiều Chương 2: Ứng dụng PLC S7300 và Step 7 để xây dựng bộ điều khiển PID Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm bộ điều khiển PID cho truyền động điện một chiều

ứng dụng PLC S7-300 xây dựng bộ điều khiển PID động cơ một chiều

luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Hà Nội, 2015

CHƯƠNG 1 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1.Cấu trúc và chức năng hệ thống điều khiển tự động truyền động điện

Hiện nay truyền động điện là một nghành khoa học đang ở thời kỳ pháttriển mạnh mẽ Hệ thống truyền động điện là hệ thống điện cơ biến đổi nănglượng điện thành cơ năng làm chuyển động các cơ cấu công tác đồng thờiđiều khiển quá trình biến đổi năng lượng này Đặc biệt truyền động điện mộtchiều có vai trò quan trọng trong các truyền động hiện đang dùng Mục tiêu

cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêucầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của cácđại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh.Nếu việc điều khiển thực hiện không có sựtham gia của con người thì đó là điều khiển tự động và hệ truyền động điệngọi là hệ được tự động hóa.Chế độ làm việc của truyền động điện được đặctrưng bằng đại lượng xác định chuyển động của cơ cấu công tác là tốc độ,giatốc,chuyển dịch,mômen,công suất.Trong quá trình điều khiển tương ứng vớiyêu cầu công nghệ,một trong các đại lượng nêu trên sẽ được điều khiển theomột qui luật mong muốn

Các bộ điều khiển mang thông tin điều khiển các tham số đầu ra bộ biếnđổi (như công suất,điện áp,dòng điện,tần số…).Tín hiệu điều khiển được lấy

từ bộ chỉnh lưu,các bộ điều chỉnh nhận tín hiệu thông báo các sai lệch vềtrạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt và tínhiệu đo lường các đại lượng của truyền động Trong thực tế các đại lượngđiều chỉnh của truyền động là mômen quay,tốc độ,vị trí.Để đảm bảo chấtlượng của hệ các yêu cầu về độ chính xác điều khiển cao và tính tác độngnhanh được đặt ra đối với hệ truyền động điện hiện đại Từ các yêu cầu nàydẫn đến ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, thường có nhiều mạchvòng điều chỉnh như điện áp, dòng điện, tốc độ, từ thông, tần số, công suất,mômen…mới đảm bảo thực hiện trong hệ truyền động điện

Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệthực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra,đó là các yêu cầu về công nghệ, cácchỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu về kinh tế,cấu trúc mạch điều khiển,luậtđiều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chấtlượng của hệ.

1.2 Xây dựng mô hình động cơ một chiều

Trong nền sản xuất hiện nay, máy điện một chiều vẫn được coi là mộtloại máy quan trọng.Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện haydùng trong những điều kiện làm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh rất tốt, vì vậy nó đượcdùng nhiều trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc

độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải Cho đến nay động cơ điện mộtchiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động chất lượngcao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng MW

Giản đồ kết cấu chung của động cơ một chiều (DC) như hình 1.1a.Phần

ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động (s.đ.đ)E, ở phầnstato có thể có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập (CKĐ),dâyquấn

kích từ nối tiếp (CKN),dây quấn cực từ phụ (CF) và dây quấn bù (CB) Hệthống các phương trình mô tả DC thường là phi tuyến, trong đó các đại lượngđầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích thích

Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòngđiện phần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của rôto φ Mômen tải

Mc là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễuloạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được cácphương trình mô tả sơ đồ thay thế (hình 1.1a) như sau :

Mạch kích từ có 2 biến, dòng điện kích từ ik và từ thông Ф chúng phụthuộc phi tuyến lẫn nhau và cho bởi đường cong từ hóa của lõi sắt:

Uk(p)= RkIk(p) + Nk.p.Ф(p) (1.1)Trong đó Nk – số vòng dây cuộn kích từ;

Rk – điện trở cuộn dây kích từ;

R/1)p

R/1)p(

u

+

=Trong đó Lư - điện cảm mạch phần ứng;

NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp

Uk0, từ thông Ф0, dòng điện kích từ Ik0, và mômen tải MCB Biến thiên nhỏ củacác đại lượng trên tương ứng là ΔU(p); ΔI(p); Δω(p); ΔUk(p); ΔIk(p); ΔФ(p);ΔMc(p).

Thêm các thành phần biến thiên vào các phương trình phía trên ta được:

I kI

.kI kI

.kI

.k

ωω

ωω

R /

1 τ

McM

_

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

Với :

0 0

0 0 0 0

0 0 0

0 0 0

k

k

R I E U

I k

M

k E

=Φ

∆U(p) – [K.ωB ∆Ф(p) + K.Ф0 ∆ω(p)] = Rư.∆I(p).(1 + pTư) (1.6)

∆Uk(p) = Rk ∆Ik(p).(1 + pTk) (1.7)K.I0.∆Ф(p) + K.Ф0.∆I(p) - ∆Mc = J.p∆ω(p) (1.8)Hình 1-3 trình bày sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hóa theo cácphương trình (1-6)-(1-8) của động cơ một chiều kích từ độc lập

Trong thực tế thường thì chỉ điều khiển điện áp Uư còn giữ từ thông

Ф = Фđm bằng cách giữ dòng kích từ không đổi Ta chọn điều chỉnh điện

áp phần ứng mà không chọn điều chỉnh từ thông vì :

Tuy điều chỉnh từ thông chỉ điều chỉnh lượng công suất rất nhỏ so vớicông suất định mức của truyền động nhưng nó có nhược điểm lớn ở chỗ hằng

số thời gian kích từ lớn Tk lớn, đặc tính từ hoá phi tuyến mạnh, phạm vi điềuchỉnh hẹp và bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu phụ tải Mc

Vậy ta chọn phương án điều chỉnh giữ từ thông kích từ không đổi

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa

Về nguyên tắc động cơ 1 chiều có nhiều mạch vòng điều chỉnh nhưngthường chỉ xét đến mạch vòng điều chỉnh U và I

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi

1.3 Tổng hợp cấu trúc tối ưu cho bộ điều khiển PID

1.3.1 Giới thiệu chung bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID(tỷ lệ - tích phân – vi phân)được sử dụng rộng rãitrong các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.Bộ điều khiển PID có chứcnăng làm giảm sai lệch giữa giá trị của biến quá trình đo được và giá trị đặt mong muốn bằng cách tính toán và đưa ra tín hiệu tác động vào hệ thống một

R

u.1

p T

R

K

K

.1

cỏch thớch hợp.

Đối với hệ thống điều khiển tự động tuyến tớnh liờn tục, để nõng cao chấtlượng quỏ trỡnh điều khiển, người ta ứng dụng cỏc cơ cấu hiệu chỉnh để tạo ra

cơ cấu điều khiển cú cỏc định luật điều khiển phức tạp Cỏc cơ cấu hiệu chỉnh

cú thể là nối tiếp, song song hoặc là tổ hợp nối tiếp – song song nhằm tạo racỏc định luật điều khiển khỏc nhau Bỡnh thường khi chưa cú cơ cấu hiệuchỉnh thỡ cơ cấu điều khiển cú định luật điều khiển tỷ lệ(P).Khi cú cơ cấu hiệuchỉnh thỡ cơ cấu điều khiển cú thể tạo ra cỏc định luật điều khiển tỷ lệ - viphõn (PD), tỷ lệ - tớch phõn PI và tổ hợp tỷ lệ - vi - tớch phõn cũn gọi là cơ cấuđiều khiển kiểu PID

1.3.1.1.Sơ đồ cấu trỳc

Các bộ điều khiển PID đã đợc phát triển trong quá trình phát triển côngnghệ Hiện nay, danh từ PID gắn liền với cỏc cơ cấu điều khiển và được dựngrộng rói vỡ hiện đó cú nhiều modul thiết bị cụng nghiệp cú tớnh thương mại vàcỏc nỳm điều chỉnh để đặt cỏc giỏ trị cần thiết cho từng loại luật điều khiểnkhi hiệu chỉnh chế độ làm việc cho hệ thống điều khiển tự động

Các bộ điều khiển PID là công cụ chuẩn dùng cho tự động hóa côngnghiệp Sự linh hoạt của bộ điều khiển tạo cho nó khả năng sử dụng trongnhiều trờng hợp Các bộ điều khiển cũng có thể đợc sử dụng trong điều khiểntầng và các cấu hình bộ điều khiển khác Nhiều vấn đề điều khiển đơn giản cóthể đợc giải quyết rất tốt bởi điều khiển PID - với những yêu cầu chất lợngkhông quá cao Thuật toán PID đợc đóng gói trong các bộ điều khiển tiêuchuẩn cho điều khiển quá trình và cũng là cơ sở cho nhiều hệ thống điều khiển

đơn giản

Phương trỡnh mụ tả bộ điều khiển PID

PID-

điều khiển Hỡnh 1.5 Điều khiển với bộ điều khiển PID

dt

)t(deTd)(eT

1)t(ek)t(

t

0 i

Trong đó:

e(t) là tớn hiệu vào

u(t) là tớn hiệu ra của bộ điều khiển

Cỏc tham số của bộ điều khiển PID

kp : hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển

Ti : hằng số thời gian tớch phõn

Td : hằng số thời gian vi phõn

1.3.1.2.Cỏc tham số ảnh hưởng tới độ ổn định của hệ thống

Mụ tả bộ điều khiển PID dưới dạng hàm truyền

= =  + Ts+T s

11K)s(e

)s(u)s(

1 1 K ) s (

d '

= (1.11)

Bằng cỏch điều chỉnh 3 thụng số trong thuật toỏn của bộ điều khiển PIDsao cho cỏc hệ số đạt được giỏ trị tối ưu, bộ điều khiển cú thể đưa ra cỏc tớnhiệu điều khiển đó được thiết kế từ trước cho cỏc yờu cầu của quỏ trỡnh

Các tham số của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển Tỉ lệ - Tích phân - Vi phân gồm ba thành phần cơ bản: P, I,

và D với các tính chất khác nhau:

+ Thành phần Tỉ lệ (P - Proportional): đơn giản, phản ứng nhanh với tác

động đầu vào.Cú tỏc dụng làm tăng hệ số tỏc động đỏp ứng và làm giảm sai sốxỏc lập của hệ thống,làm việc ổn định với mọi tỏc động (do tớn hiệu đầu raluụn trựng pha với tớn hiệu đầu vào).Tuy nhiên khó tránh khỏi sai lệch tĩnh với

đối tợng không có đặc tính tích phân Thành phần tỉ lệ sử dụng phù hợp nhấtvới các đối tợng có tính quán tính - tích phân

+ Thành phần Tích phân (I - Integral): Có tác dụng tích lũy sai số để triệt

tiêu sai lệch tĩnh Tuy nhiên khâu tích phân cũng làm tăng thời gian đáp ứngcủa hệ thống, tăng thời gian xác lập, tăng độ quá điều chỉnh và dễ gây mất ổn

định cho hệ thống

+ Thành phần Vi phân (D - Derivative): Có tác dụng giúp hệ thống

nhanh chóng ổn định, đáp ứng nhanh với các phản ứng vào hệ thống, giảmthời gian xác lập và giảm độ quá điều chỉnh của hệ thống Tuy nhiên thànhphần vi phân cũng gây ra cho hệ thống sự nhạy cảm với nhiễu đầu vào

Sự ảnh hởng của các thành phần đến chất lợng của hệ kín đợc trình bàytrong bảng 1.1

Bảng 1.1 Tác dụng các tham số P, I, D tới chất lợng điều khiển

+ Cơ cấu điều khiển PD kết hợp giữa đặc tớnh điều chỉnh của khõu

khuếch đại và khõu vi phõn nhằm tạo ra tớn hiệu điều khiển sớm pha, nhằmtăng độ dự trữ ổn định.Khõu PD làm hệ thống tỏc động nhanh hơn do tăng dảithụng của hệ và làm giảm tớnh dao động cú thể xuất hiện trong hệ Nhưngđồng thời cơ cấu điều khiển PD cũng làm tăng hệ số khuếch đại của hệ ởmiền tần số cao, gõy mất ổn định nếu hệ thống làm việc ở tần số này,khõu nàychỉ ỏp dụng cho điều khiển đũi hỏi tỏc động nhanh

+ Cơ cấu điều khiển PI kết hợp tỏc động giữa 2 khõu điều chỉnh (Tỉ lệ

-Tớch phõn) nhằm tạo ra tớn hiệu điều khiển trễ pha làm thay đổi cỏc đặc tớnhcủa hệ chủ yếu ở vựng tần số thấp,do đú giảm sai số tức là làm tăng độ chớnhxỏc điều khiển Nhưng đồng thời sự trễ pha làm hệ thống cú xu hướng tiếngần biờn giới ổn định, tức là làm giảm tớnh ổn định của hệ thống.Vỡ vậy luậtđiều khiển PI ớt khi dựng một cỏch độc lập mà thường kết hợp với luật điềukhiển PD

+ Cơ cấu điều khiển PID kết hợp cả 3 khâu Tỉ lệ - Tích phân – Vi phân

tạo ra tín hiệu điều khiển sớm - trễ pha tín hiệu thường được dùng để đảm bảotăng chất lượng của hệ thống điều khiển ở cả 2 trạng thái xác lập và quá độ.Mục đích của phần trễ pha là làm tăng hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp vàphần sớm pha là làm tăng dải thông và độ dự trữ ổn định của hệ thống Hiệuứng chung là làm tăng toàn diện chất lượng quá trình điều khiển trong hệthống điều khiển tự động.Đây là khâu có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu vềchất lượng của qui trình công nghệ.Tác dụng tổng hợp của cả 3 thông số nàyđược dùng để điều khiển quá trình thông qua một yếu tố được điềukhiển,người ta dùng khâu này khi các khâu PD,PI không đáp ứng được yêucầu về chất lượng điều chỉnh

Tương ứng với dạng hàm truyền theo công thức(1.10)ta có bộ PID dạngchuẩn hay là dạng không ảnh hưởng lẫn nhau, đôi khi được gọi là thuật toánISA hoặc thuật toán lý tưởng vì Ti không ảnh hưởng đến đường vi phân vàngược lại Td không ảnh hưởng đến đường tích phân

Bộ điều khiển PID đó được thể hiện theo sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc bộ PID dạng chuẩn

Tương ứng với dạng hàm truyền theo công thức(1.11) ta có bộ PID dạngnối tiếp hoặc dạng kinh điển hay còn gọi là dạng ảnh hưởng lẫn nhau vì Td

ảnh hưởng đến đường tích phân

Hỡnh 1.7 Sơ đồ cấu trỳc bộ PID dạng nối tiếp

Túm lại ta cú 3 dạng mụ tả khỏc nhau của bộ điều khiển PID:

- Dạng chuẩn hoặc dạng khụng ảnh hưởng lẫn nhau, mụ tả bởi hàmtruyền theo cụng thức(1.10), những tỏc động tỷ lệ, tớch phõn, vi phõn khụngảnh hưởng lẫn nhau trong phạm vi thời gian

- Dạng nối tiếp hoặc dạng ảnh hưởng lẫn nhau, mụ tả bởi hàm truyềntheo cụng thức (1.11), nú vẫn được coi là dạng kinh điển Cỏc điểm khụngtương ứng với giỏ trị nghịch đảo của thời gian tớch phõn và thời gian vi phõn.Tất cả cỏc điểm khụng của bộ điều khiển đều là số thực Tỏc động tớch phõn

và tỏc động tỷ lệ cú thể khụng được thực hiện với những giỏ trị hạn chế củatham số bộ điều khiển

- Dạng song song là dạng chung nhất bởi vỡ tỏc động tớch phõn và tỏcđộng tỷ lệ cú thể được thực hiện theo những giỏ trị tham số khỏc nhau Bộđiều khiển cú thể cú những điểm khụng là số phức

1.3.1.3 Nguyờn lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Dựa trờn nguyờn tắc sai số giữa cỏc tớn hiệu mong muốn khi chưa cú tớnhiệu phản hồi.Ban đầu ta đặt giỏ trị tớn hiệu mong muốn,khi chưa cú tớn hiệusai lệch thỡ phản hồi đưa về bằng tớn hiệu đặt.Bộ điều chỉnh PID sẽ khuếch đạitớn hiệu điều khiển đối tượng,với tớn hiệu này bộ điều khiển vẫn chưa đỏp ứngđược yờu cầu ngay nờn vẫn tồn tại tớn hiệu sai lệch.Tớn hiệu điều khiển mới sẽkết hợp tớn hiệu sai lệch trước đú để tiến đến giỏ trị điều khiển đỳng bằng vớitớn hiệu đặt mà tại đú đối tượng điều khiển sẽ cho ra giỏ trị phản hồi đỳng vớiyờu cầu cú độ sai lệch chấp nhận được

Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn định lớn, muốn tăng độ dự trữ ổn định tachỉ cần tăng độ hệ số khuếch đại điều khiển Hệ thống sẽ không tồn tại sailệch tĩnh nếu nh tín hiệu vào có dạng hàm bậc thang đơn vị và hằng số thờigian tích phân TI khác giá trị không Luật điều khiển tích phân còn đợc gọi là

luật điều khiển chậm sau vì sai số điều khiển đợc tích luỹ cho đến khi đủ lớnthì mới đa tín hiệu ra tác động điều khiển.

Khả năng tác động nhanh của hệ có thể đợc giảm bớt thời gian quá điềuchỉnh bằng cách thay đổi hằng số thời gian vi phân KD luật điều khiển vi phânhay còn có thể nói luật điều khiển vi phân đợc gọi là điều khiển vợt trớc

Luật điều khiển PID có thể tổng quát bằng phơng trình hàm truyền sau:

ơng pháp điều khiển kinh điển mà các bộ điều khiển khác không thể thay thế

đợc trong quá trình điều khiển tự động: khống chế nhiệt độ, tốc độ, ổn định…Thuật toán thực tế sử dụng gồm có nhiều sửa đổi Nó thông thờng là tiêuchuẩn cho phép thành phần vi phân chỉ tác dụng tới đầu ra quá trình Có thểrất có lợi khi để thành phần tỉ lệ hoạt động chỉ nh trong một phần của giá trị

đặt Tác dụng của thành phần vi phân đợc thay thế bởi một đại lợng xấp xỉ cóthể giảm độ tăng tại tần số cao Thành phần tích phân đợc điều chỉnh sao cho

nó không đợc tiếp tục tích lũy khi bão hòa các biến điều khiển (anti-windup).

Sự điều chỉnh này có hiệu lực, và sẽ hạn chế sự thay đổi nhanh chóng khi bộ

điều khiển chuyển từ chế độ bằng tay sang tự động hoặc khi các tham số đợcthay đổi

Nếu sự phi tuyến của cơ cấu chấp hành có thể biễu diễn bởi hàm f, thì

một bộ điều khiển PID thực tế có thể chấp nhận đợc mô tả nh sau:

Số hạng cuối cùng trong biểu thức di/dt đợc đa vào để tránh hiện tợng

tăng tích lũy khi đầu ra bão hòa (anti-windup) Điều này bảo đảm cho thành

phần tích phân I đợc giới hạn Tham số T t là một hằng số thời gian cho việc

reset hoạt động tích phân khi đầu ra bão hòa Các tham số chủ yếu để điềuchỉnh là K c , T i , T d Tham số N có thể cố định, một giá trị điển hình là N = 10.

Hằng số thời gian hiệu chỉnh là đặc trng của một phần thời gian tích phân T i 1.3.2 Các phơng pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID điều khiển theo tín hiệu phản hồi kín, tín hiệu đầu vàothay đổi theo tín hiệu đầu ra nên các tham số thay đổi Giải quyết bài toán vềPID chính là xác định các tham số về hằng số thời gian, hằng số vi − tích phâncho đối tợng điều khiển theo một thuật toỏn nào đú dựa trờn đỏp ứng của đốitượng điều khiển

Vấn đề quan trọng nhất trong vấn đề thiết kế của ngời điều khiển là xác

định đối tợng điều khiển thoả mãn các yêu cầu của bài toán, mô hình toán họcphù hợp và lựa chọn thuật toán điều khiển Với những bài toán có thể biết trớc

đợc mô hình đối tợng thì vấn đề giải quyết bài toán điều khiển nh đã biết,trong trờng hợp đối tợng không xác định đợc thì phải chọn thuật điều khiển vàcác tham số điều khiển bằng thực nghiệm

+ Điều khiển đối tợng dạng 1:

Để chọn T cho đối tợng điều khiển dạng này, từ đặc tính độ quá điều chỉnh

1

1

1

i dt

2 2

ax

4 ln +4ln

m m

σ α

c

c

γ = : nếu bộ điều khiển đợc sử dụng là tích phân (1.24)

' 2 '2 1

c c

γ = : nếu bộ điều khiển đợc sử dụng là P hoặc PI (1.25)

+ Điều khiển cho đối tợng dạng 2:

Ưu điểm của phơng pháp Reinisch là ngay cả đối với đối tợng điều khiển

có thành phần tích phân, các giá trị cần thiết để tính toán tham số cho bộ điềukhiển nh cũng đợc tính toán nh đối với dạng đối tợng thứ nhất Để điều khiển

đối tợng này, Reische đã đề xuất sử dụng bộ điều khiển P hoặc PD Khi đó,tính toán các tham số điều khiển chỉ cần tính toán giá trị TD2 và ki trong phơngtrình (1.12)

Với các giá trị trung gian trong phơng trình trên ta có thể xác định đợcbằng công thức

Do đó, ta có các giá trị đối với từng đối tợng điều khiển:

1

1

(1 ) ( )

+ k p(1 +T p D ) k p k p(1 +T p D )

p

'' 1

c

c

2 2 1

c c

' 2 '2 1

c c

'' 2 ''2 1

c c

'' 2 ''2 1

c c

2 2 1

c c

' 2 '2 1

c c

'' 1

làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của các tín hiệu trong hệthống đều phải nằm trong giới hạn cho phép.

a Phơng pháp Ziegler - Nichols

Ziegler - Nichols đó đưa ra 2 phương phỏp thực nghiệm để xỏc định tham

số cho bộ điều khiển PID

- Phương phỏp dựng đỏp ứng bậc thang : Xỏc định tham số bộ điều

khiển PID đối với hệ thống hở được mụ tả bởi 2 tham số a và L.Những tham

số này được xỏc định từ đỏp ứng bậc thang đơn vị đối với đối tượng điềukhiển

Ta cú thể xấp xỉ húa mụ hỡnh trờn bằng hàm truyền sau

Ts1

ke)s(G

Ls+

k

Hỡnh 1.9.Đỏp ứng bậc thang của hệ hở

Khi đú giỏ trị a được tớnh :

T

Lk

- Phương phỏp dựng đỏp ứng tần số : cho phộp xỏc định cỏc tham số của

bộ điều khiển PIDdựa trờn hệ số khuếch đại tới hạn (kpth) và chu kỳ tới hạn(Tth)của hệ kớn được xỏc định qua thực nghiệm.Hệ số khuếch đại tới hạn là giỏtrị khuếch đại của bộ điều khiển P dựa trờn hệ kớn đạt tới trạng thỏi dao độngxỏc lập.Trước khi tiến hành thực nghiệm hệ thống phải được mắc như sơ đồhỡnh 4 bao gồm đối tượng điều khiển và bộ điều khiển theo luật PID

Phương phỏp này được tiến hành như sau:

* Cho hệ thống làm việc ở vựng biên giới ổn định:

- Điều khiển đối tợng theo luật P, tức là cho TD → 0 và TI→ ∞

- Tăng hệ số khuếch đại kp của luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ởbiên giới ổn định Xác định hệ số kpth và chu kỳ giao động tới hạn Tth

pth

Đối tượng điều khiển

Hỡnh 1.10 Mụ hỡnh tớn hiệu tỏc động

* Chọn luật điều khiển và tính toán tham số từ k pth , T th theo bảng sau:

mụ phỏng nhiều trường hợp,những trường hợp được xem xột là tiờu biểu chonhững quỏ trỡnh động Phương phỏp đỏp ứng tần số cú lợi là cỏc tham số kpth

và Tth dễ xỏc định chớnh xỏc hơn cỏc tham số được xỏc định theo phươngphỏp đỏp ứng bậc thang a và L

Trong nhiều trờng hợp việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn

và không đảm bảo độ chính xác thì phơng pháp giới thiệu sau đây sẽ khắcphục đợc nhợc điểm đó

b Phơng pháp JASSEN - OFFEREIN

Thực hiện theo phơng pháp này đợc tiến hành như sau:

+ Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định

- Đ iều khiển đối tợng theo luật P(TD → 0 và TI→ ∞)

- Xác định hệ số kpth

+ Chọn tham số cho luật điều chỉnh PI

- Cho hệ làm việc với luật PI và với hệ số kp= 0.4kpth, T1 tuỳ chọn

- Giảm hằng số thời gian tích phân TI cho đến khi hệ thống làm việc ởbiên giới ổn định Xác định hằng số thời gian tích phân TIthở chế độ này

- Chọn TI = 3TIth

+ Chọn tham số của bộ điều khiển PID

- Cho hệ thống làm việc theo luật PID với cỏc giỏ trị kp=kpth- ξ(ξ đủ nhỏ),

TD và T1 tuỳ chọn

- Tăng hằng số thời gian vi phân cho đến khi hệ thống đạt đợc độ quá

điều chỉnh cực đại lớn nhất σmax→ max,khi đú xác định TDmax

- Chọn 1

3

T = T và TI= 4.5 TD

- Giảm kP cho đến khi hệ thống đạt đợc đặc tính động học mong muốn

1.3.3.Thiết kế bộ điều chỉnh dũng điện cho động cơ

Chức năng cơ bản của mạch vũng dũng điện trong hệ thống là xỏc địnhtrực tiếp mụmen kộo của động cơ, ngoài ra cũn cú nhiệm vụ bảo vệ, điềuchỉnh gia tốc… Thụng thường thỡ ta hay dựng mạch vũng cú sơ đồ khối nhưsau :

Hỡnh 1.11 Sơ đồ cấu trỳc mạch vũng điều chỉnhTrong đú :RI; Rω là 2 bộ điều chỉnh dũng điện và tốc độ

Để thuận tiện cho việc tổng hợp ban đầu ta coi Eư = 0 cho đơn giản rồisau đú mới điều chỉnh

Ta cú hàm truyền của sensor cảm biến dũng là

i

i

i 1 p.T

kF

.1

K F

dk BD

BD BD

++

u

u uR

1 )(

1 )(

1 (

1 )

(

p T p T p T p T

R K K p

S

u i

BD dk

u i BD i

+ +

+ +

=

Ta có:

3

2 ).

.

( ).

( 1 ) 1 )(

1

p.T1.(

p)

TTT(1(

R

1.K.K)

p(S

u si

si u

BD dk i

u i BD i

++

=+

+++

=

Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì modul của đặctính tần số - biên độ phải tiến đến 0.Vì thế đối với dải tần thấp nhất ,hàmtruyền phải đạt được điều kiện : F ( j ω ) ≈ 1

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta tìm được

p K T a

p T p

R

si si

u i

.

1 )

Với

u i BD si

R

1.K.K

p.T1)p(R

si si

u i

+

=

1.3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho động cơ

Hàm truyền mạch vòng dòng điện

G k T p

si i

I

2 1

1

1

+

=Hàm truyền phát tốc

p.T1

kF

.)

.1)(

21.(

)./(

)(

0

p T p

k J k p

T p T p

k J k p

S

s

i si

i

ω

ω ω

m i

J J

J J

T

T k brk d

ω

U

ω d Rω

p T

K i 1 2 s

1

1

1

p T

Jbrk- mômen quán tính của bánh răng

ωk - tốc độ quay của bánh răng

JT mô men tang trống

u c

E

R.J)K(

R.JT

=Φ

).1.(

2

1)

(

p p

T p

p k

J

k k

p R

s

i

σ ω

σ ω

ω

τ

τ

++

J

k k

p R

s i

s i

=Φ

=Φ

=

ω ω ω

ω

2 )

(

1)

) k (

k R

2 k ) k (

) k (

R k J

2 k ).

k (

k J )

p (

R

c

u s

i u

s 2

u i s

τ

Φ

= τ

Φ

Φ

= τ Φ

=

ω ω ω

ω ω

ω ω

1.3.5 Tính toán bộ điều khiển PID cho hệ truyền động Thyristor–động cơ

Ta tiến hành tính toán với sơ đồ sau :

C R1cc

Tham số ban đầu :

Các thông số cơ bản của động cơ:

Động cơ một chiều loại 220V kiểu Л-816 có:

Pdm = 150 (kW) ; nđm = 450(v/p) ; Iđm = 765(A) ; Uđm= 220(V)

Hiệu suất của động cơ

89 , 0 765 220

10 150 I.

U

dm dm

= η

Điện trở phần ứng động cơ

) ( 016 , 0 765

220 11 , 0 5 , 0 )

1 ( 5 ,

=

dm

dm dm u

n p

U L

dm dm

dm

765 450 2

60 220 25 , 0

2

60

=

π π

γ

Sức điện động định mức của động cơ

) ( 208 016 , 0 765 220

I U

E dm = dm − dm u = − =

Máy biến áp nguồn:

Chức năng của máy biến áp nguồn :

- Tạo cấp điện áp phù hợp với động cơ

- Cách ly giữa phần lực của bộ biến đổi và lưới điện

- Khi bộ biến đổi cần cách ly một số đầu ra của biến áp

Ở đây ta chọn MBA loại 3 pha 3 trụ đấu Δ/Ү làm mát bằng không khí tựnhiên

* Chọn công suất của MBA

) ( 177 89 , 0

150 05 , 1

max

P K

B d

B

ηTrong đó :

SBA - công suất biểu kiến của MBA

KB - là hệ số của MBA

Pd.max - là công suất làm việc cực đại của động cơ

Pd.dm - công suất định mức của động cơ

Điện áp sơ cấp MBA là 380V

Điện áp pha thứ cấp của MBA

Phương trình cân bằng điện áp:

max min 2

cos

γ U do = E udm +∑∆U v +∆U ba +∆U

Trong đó:

Udo: điện áp không tải của chỉnh lưu

α min: góc điều khiển cực tiểu

γ1 : là hệ số tính đến sự suy giảm của điện áp lưới (0,95)

γ2 : hệ số dự trữ MBA

Trong sơ đồ đảo chiều, dùng chỉnh lưu cầu 3 pha nên ta lấy α min=120

∑∆U v: Tổng sụt áp trên van(sụt áp trên 1 Thyristor chọn bằng 1,6 V)

u dm

I

I I

I U

U max max γ

, 2 05 , 0 5 , 0 12 cos 95 , 0

765 5 , 2 016 , 0 7 , 1 2 74 , 155 04 , 1

cos

.

.

min 1

max 2

U Y

I R U E

U

k

u u v udm

−

+ +

=

−

+

∆ +

λ α

376

V k

Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả nhiệt, điện

áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau:

- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:

) ( 392 160 6

3 2

1

3

1

K I

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tíchtoả nhiệt ; Dòng điện định mức của van cần chọn là :

) ( 662 441 5 , 1

Max(A)

Ug

Max(V)

Ir

Max(A)

ΔUMax(V)

dU/dt(V/s)

dI/dt(A/s)

tcm

(s)

Tmax

Max(s)

Chọn góc mở cực tiểu αmin=120.Đây là góc mở nhỏ nhất dự trữ để có thể

bù được điện áp lưới sụt giảm so với định mức

Khi góc mở là nhỏ nhất thì điện áp trên tải là lớn nhất

dm d d

min

. d cos α

Từ biểu thức trên ta xác định được αmax

Trong đó Ud.min được xác định qua biểu thức tính vùng điều chỉnh tốc độ D

Ta được công thức sau [9]

[2,34 .cos ( 1) .( )]

1

min 2

min 0

min

.34,2cos

U

U ar U

Ta biết điện áp sau khi qua bộ chỉnh lưu có nhiều thành phần song hàibậc cao, biên độ các thành phần sóng hài càng lớn khi góc mở tăng Có nghĩa

là sự đập mạch điện áp , dòng điện càng tăng lên Sự đập mạch này làm xấuchế độ chuyển mạch vành góp,đồng thời gây tổn hao phụ dưới dạng nhiệtđộng cơ Để hạn chế ta mắc nối tiếp động cơ với một cuộn kháng lọc đủ lớn

để hạn chế dòng điện sóng hài bậc cao và hạn chế vùng dòng điện gián đoạn(Im<0,1.Iu.dm)

) ( 524 , 0 765 1 , 0 60 12

101

1 , 0 2 6

I f

U L

dm

≥

π π

Mặt khác ta biết Lu=1,4mH; Lu > 0,524 mH

Chọn Lk=0,524mH là đủ lớn

* Thiết kế nguồn cấp cho mạch kích từ động cơ

Từ thông số của động cơ ta có các thông số của cuộn kích từ:

Điện trở của cuộn kích từ : Rcks = 24,7 (Ω)

P=Ud.Id=183,77.7,44=1,37 kW

Do đó ta chỉ cần dùng chỉnh lưu một pha

Do trị số điện áp Ud=183,77 là cao nên ta dùng chỉnh lưu cầu

Vậy ta sẽ dùng chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

Khi mắc loại này trực tiếp vào lưới có độ chênh lệch điện áp ra với lướikhông lớn

Điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu:

U2=

9 , 0

Với sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha ta có :

+ Dòng trung bình qua van:

Itbv=Id/2=Icks/2=7,44/2=3,72 (A

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên van :

Ungmax=1,41U2=1,41.204=287,64(V)

Để chọn van ta có thể chọn theo 2 chỉ tiêu :

Theo chỉ tiêu dòng điện:

Van được chọn phải thỏa mãn điều kiện:

Iv>kiv.IT

kiv : hệ số dự trữ về dòng điện van

Do tải nhỏ và ổn định nên ta lấy kiv=1,2

Khi đó van cần chọn phải có dòng thỏa mãn : Iv>1,2.3,72=4,464(A)

Theo chỉ tiêu điện áp:

Van được chọn phải thỏa mãn điều kiện:

Uv>kuv.Ungmax

kuv : hệ số dự trữ về điện áp cho van

Do thực tế điện áp lưới không ổn định và được phép dao động , mặt khác

có nhiều yếu tố ảnh hưởng ngẫu nhiên trên mạng điện nên hệ số dự trữ điện

áp thường lấy trong khoảng 1,7 đến 2,2 Ở đây ta lấy kuv=2

Khi đó van cần chọn phải thỏa mãn điều kiện: Uv>2.287,64=575,28(V)

Chọn diot loại SW06PCN030 của Tây Âu loại này có dạng vỏ kiểu bu-lông,

có phần gen là katốt, phần cáp là anốt

Các thông số của diot:

Hệ đồng bộ có khâu đồng pha do đó xác định được điểm chuyển mạch tựnhiên,có nhược điểm là gây nhiễu lưới vì có khâu đồng bộ liên quan đếnmạch lực nhưng có ưu điểm là hoạt động ổn định và dễ thực hiện.Ngược lại

hệ không đồng bộ trong mạch không có khâu đồng pha tức là không có khâuphát hiện điểm chuyển mạch tự nhiên ,chống nhiễu tốt hơn nhưng kém ổnđịnh

Trong thực tế đa số các mạch điều khiển thực hiện theo nguyên tắc đồng bộ.Trong hệ đồng bộ có hai nguyên tắc cơ bản :

+Nguyên tắc điều khiển kiểu nằm ngang

+Nguyên tắc điều khiển kiểu thẳng đứng

Trong thực tế người ta chủ yếu sử dụng nguyên tắc điều khiển kiểu thẳngđứng do có khả năng đáp ứng tốt nhất : đảm bảo tính đối xứng các kênh điềukhiển, cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, có khả năng bảo vệ đượcquá dòng, qúa áp khi có sự cố

-Nguyên tắc điều khiển kiểu thẳng đứng :

Tại thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển và điện áp tựa(chính là điện áp đồng bộ trùng pha với điện áp đặt lên A-K của Thyristor) vàthường đặt vào đầu vào đảo của khâu so sánh Điện áp tựa có dạng răng cưa,như vậy bằng cách điều khiển điện áp điều khiển Udk ta có thể điều khiển

được thời điểm phát xung.Người ta thường tạo điện áp tựa dạng răng cưa đilên thì đặc tính điều chỉnh là tuyến tính.

Ta xác định góc điều khiển theo phương trình:

Với α : góc điều khiển của thyristor

Udk : điện áp điều khiển

Usm : điện áp đồng bộ cực đại

Thông thường người ta thường lấy Ucm max=Usm Ta nhận thấy góc α là

một hàm tuyến tính của điện áp điều khiển do đó thông qua điều khiển điện

áp ta sẽ điều khiển được thời điểm phát xung

Trong mạch lực của hệ T-Đ đảo chiều có hai bộ chỉnh lưu cầu 3 pha , mỗimạch điều khiển phải phát xung mở 6 van một cách thích hợp Nguyên tắcđiều khiển cầu 3 pha đối xứng gồm 6 kênh Một máy biến áp đồng bộ gồm 6kênh và một nguồn điện áp điều khiển chung cho cả 6 kênh Cấu trúc của mỗikênh gần giống như cấu trúc điều khiển của một thyristor Sơ đồ phải đảmbảo mở hai van cùng một lúc : một ở nhóm katot chung, một ở nhóm anotchung:

Đây là sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển cho chỉnh lưu cầu 3 phanếu ta phát xung lầ lượt từ van 1 đến van 6 theo thứ tự :

Hình 1.15 Nguyên tắc điều khiển kiểu thẳng đứng

điện trong đó xung thứ nhất là xung chính vì nó là xung xác định góc α , xung

thứ hai là xung phụ vì nó chỉ đảm bảo điều kiện thông mạch

Tính chọn thiết bị đo tốc độ phản hồi

Tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính, vì vậy thiết bị đo tốc

độ có vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng động và tĩnh trong hệtruyền động, người ta thường dùng máy phát tốc một chiều Máy phát tốc làmviệc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến đổi chuyển động quaycủa trục động cơ thành tín hiệu điện áp Yêu cầu đối với máy phát tốc là điện

áp 1 chiều ra có chứa thành phần xoay chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc độđộng cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và đấu của so với biến đổi đại lượng đo

Hình 1.16.Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều

p U F

f fT

.1)(

)(

ω

ω ω

R

Rư - điện trở phần ứng của máy phát

τfω - hằng số thời gian bộ lọc (=1ms)

0 , 106

1 , 47

5

=

=

= ω

ω dk

U K

Tính chọn thiết bị đo dòng điện phản hồi

Ta chọn biến dòng lấy dòng ở 3 pha của điện áp cấp cho bộ biến đổi.Tínhiệu qua biến dòng qua bộ chỉnh lưu Diode cầu 3 pha tạo tín hiệu ra là 1chiều ii và ui trở về bộ điều khiển

Sơ đồ:

C

Rd

Uid Ui

Udk Ri(p)

FX i2

Ui=Rd.kbd.I hay Ui=ki.INhư vậy thông qua việc đo điện áp ta sẽ xác định được dòng điện

0 , 0065

765

5 i

u

T s

k F

BD

60 6 2

1

2

1

s f

0014,0

s R

L T

U

U K

Hàm truyền của đối tượng của Ri là:

) 1 )(

1 )(

1 )(

1 (

1 )

(

p T p T p T p T

R K K p

S

u i

BD dk

u i BD

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun ta tìm được

R p a T T K p p

si si

u i

.

1 ) ( = +

Ta có thể lấy hằng số a = 2

Với

875 , 17 016 , 0

1 0065 , 0 44

1

=

u i BD si

R K K K

) ( 0224 , 0 0014 , 0 001 , 0 02 ,

T T T

Vậy là đã xác định được Ri

p

p p

p p

K T a

p T p

R

si si

u i

8,0

.0875,01.875,17.0224,0.2

.0875,01

.1)

I

2 1

1

450

s rad

1 47

150000

Nm

P M

)

1 )(

2 1 (

) /(

) ( 0

p T p

k J k

p T p T p

k J k p

S

s

i si

m i

J J

J J

T

T k brk d

Trong đó:

Jd -là mômen quán tính của động cơ Jd=10,25(kg m2)

ωd - tốc độ động cơ

) ( 0816 , 0

1 , 47 208

016 , 0 100

) (

.

2 2

E

R J K

R J

=

ωTheo chuẩn tối ưu môdun có hàm chuẩn của Rω là

2

2 2 21

1

p p

) 1 (

2

1 )

(

p p

T p

p k

J

k k

p R

s

i

σ ω

σ ω

ω

τ

τ

+ +

k

k J k

J

k k

p R

s i s

i

= Φ

= Φ

=

ω ω ω

ω

.

2 ).

(

1 )

(

Đây được coi là 1 khâu khuyếch đại

const T

R k

k k R

k k

k R k J k

k

k J p

R

c

u s

i u

s

u i s

Φ

Φ

= Φ

=

2

) (

2 ) (

) (

.

2 ).

(

)

ω ω ω

ω ω

ω

ω

τ τ

τThay số :

08 , 15 0816 , 0 016 , 0 0458 , 0 106 , 0 2

1 , 47 208 0065 , 0

2

) (

i

T

R k

k k p

R

ω ω

Hình 1.18 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng PITrong đó:

8 0

0875 0 3

=

R

R k

Uw

Uid

+-

Hình 1.19 Cấu trúc bộ điều chỉnh tốc độ PVới bộ P ta có :

Mô phỏng bằng MATLAB SIMULINK ta có kết quả sau:

Sơ đồ cấu trúc điều khiển:

Ta Chọn Mômen cản gần bằng định mức Mc= 3184 (Nm) và thời gian tácđộng vào lúc t= 10s

Khi có Mômen (chọn Mômen định mức), tốc độ của động cơ sẽ giảm

( ) 4 , 25 .3184 2,8( / )

016 , 0