Nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tốc độ của động cơ diezen ứng dụng truyền động cho tàu thủy

Với vị trí quan trọng của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ diezen nên trong bài luận văn này tôi đã chọn đề tài: “Nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tốc độ của động cơ Diezen ứng dụng truyền

Trang 1

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

DƯƠNG THỊ THANH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ DIEZEN ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG CHO TÀU

Trang 2

THÁI NGUYÊN - NĂM 2016

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

vào hồi 08h30p ngày 06 tháng 03 năm 2016

Trang 3

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Dương Thị Thanh

Sinh ngày: 19 tháng 05 năm 1990

Học viên lớp CHK16 – KTĐK&TĐH, Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

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 trong luận văn chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Dương Thị Thanh

Trang 4

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Dương Thị Thanh

Trang 5

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

MỞ ĐẦU ……… 1

NỘI DUNG ……… 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU TỐC CỦA ĐỘNG CƠ DIEZEN ……….………… ……… …… 3

1.1 Phân loại 3

1.1.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh3 1.1.2 Trên cơ sở chế độ hoạt động của bộ điều chỉnh 4

1.1.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh 4

1.1.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay 4

1.1.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau 4

1.2 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc 4

1.2.1 Độ không đồng đều 5

1.2.2 Độ rộng vùng không nhậy 5

1.2.3 Độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất 6

1.2.4 Độ không ổn định vòng quay tương đối 6

1.2.5 Thời gian điều chỉnh 7

1.3 Bộ điều tốc điện tử 7

1.3.1 Sơ đồ hệ thống 7

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 8

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEN 10

2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí 10

Trang 6

2.2.1 Phân tích và chọn hệ truyền động 11

Trang 7

2.2.2 Khảo sát và tính toán hệ truyền động PWM-Đ 11

2.2.2.1 Giới thiệu sơ đồ 11

2.2.2.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM 12

2.2.2.3 Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động 13

2.2.3 Quá trình tổng hợp hệ truyền động 13

2.2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng RI 13

2.2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R 13 

2.2.4 Mô phỏng hệ 15

2.2.4.1 Sơ đồ mô phỏng 15

2.2.4.2 Kết quả mô phỏng 15

2.2.4.3 Nhận xét 16

2.3 Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định vị trí với bộ điều khiển vị trí tuyến tính 16

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí 17

2.3.2 Mô phỏng 19

2.3.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập 19

2.3.2.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính 22

2.3.2.3 Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng 22

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEL BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT 23

3.1 Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt 23

3.1.1 Nguyên lý điều khiển trượt 23

3.1.2 Phương pháp điều khiển trượt 25

3.1.3 Thiết kế luật điều khiển trượt 29

3.1.4 Cơ sở điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển 29

3.1.5 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt 32

3.2 Xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí 32

Trang 8

3.2.1 Các bước xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí 32

3.2.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 35

3.2.3 Nhận xét và kết luận 38

Chương 4: THÍ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 39

4.1 Thí nghiệm 1 39

4.1.1 Xây dựng sơ đồ thí nghiệm 39

4.1.2 Phần cứng của thiết bị thí nghiệm 39

4.1.2.1 Động cơ DC 41

4.1.2.2 IC L298N 41

4.1.2.3 IC SN74HC08N 41

4.1.2.4 Giới thiệu card arduino 41

4.1.3 Thiết kế PID cho mô hình trong phòng thí nghiệm 43

4.1.4 Các kết quả thí nghiệm 43

4.1.5 Kết luận 44

4.2 Thí nghiệm 2 45

4.2.1 Giới thiệu hệ thống 45

4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 47

4.2.3 Kết quả thực nghiệm 48

4.3 Ứng dụng 49

4.3.1 Tự động ổn định tốc độ quay của chân vịt (sơ đồ hình 1.1) 49

4.3.2 Hệ thống tự động ổn định tốc độ Diezen khi kéo máy phát điện 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

Phụ lục 1: Các biểu thức tính toán 55

Phụ lục 2:Tính toán thông số của của hệ truyền động 61

Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị quyết của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ

Trang 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân

CPU: Bộ xử lý trung tâm

PWM : Phương pháp điều chế độ rộng xung điện áp

βI : Phản hồi âm dòng điện

γn : Phản hồi tốc độ

Ucđ : Điện áp chủ đạo

Uđk : Điện áp điều khiển

Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ

T : Thời gian chu kỳ điện áp ra

Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM

Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung

Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

T BI : Hằng số thời gian máy biến dòng

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

(hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị )

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều tốc điện tử của Diezen 7

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí 10

Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ 12

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM 12

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 13

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 13

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 14

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ 14

Hình 2.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 15

Hình 2.9: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện 16

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 17

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 19

Hình 2.12: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 19

Hình 2.13:Mô phỏng PID với U d = 10V 19

Hình 2.1: Mô phỏng PID với U d = 15V 21

Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng phương pháp mặt phẳng pha 26

Hình 3.2: Giải thích hiện tượng trượt (sliding) 28

Hình 3.3: Sự phụ thuộc của e và e' 29

Hình 3.4: Cơ sở hệ điều khiển mờ trượt từ điều khiển trượt kinh điển 30

Hình 3.5: Hàm thuộc với 5 tập 33

Hình 3.6: Luật hợp thành 34

Hình 3.7: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 34

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 35

Hình 3.9: Mô phỏng mờ trượt với U d =10V 36

Hình 3.10: Mô phỏng mờ trượt với U d =15V 37

Trang 11

Hình 4.1:Sơ đồ khối của hệ truyền động xung điện áp – động cơ điện một chiều

được điều khiển bởi card arduino 40

Hình 4.2: Phần cứng của thiết bị thí nghiệm 40

Hình 4.3: Sơ đồ khối hình thí nghiệm 40

Hình 4.4: Giới thiệu IC L298N 41

Hình 4.5: Giới thiệu IC SN74HC08N 41

Hình 4.6: Card arduino 42

Hình 4.7: Mô hình điều khiển động cơ trong miền z 43

Hình 4.8: Cấu hình đầu ra điều khiển động cơ 43

Hình 4.9: Cấu hình thời gian thực 44

Hình 4.10: Đáp ứng đầu ra khi không có tải 44

Hình 4.11: Đáp ứng đầu ra khi có tải 44

Hình 4.12: Hệ thống thí nghiệm 45

Hình 4.13: Mạch phát hiện điểm không 46

Hình 4.14: Đầu ra mạch phát hiện điểm không 46

Hình 4.15: Hệ động cơ – máy phát tốc 47

Hình 4.16: Bộ chỉnh lưu cầu ba pha 47

Hình 4.17: Vi điều khiển 16F877A 48

Hình 4.18: Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu 48

Hình 4.19: Tốc độ động cơ và giá trị đặt 49

Hình 4.20: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diezen 50

Hình 4.21: Đường đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’) 51

Hình 4.22: Sơ đồ khối bộ điều tốc cho máy phát Diezen 57

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ diezen được truyền động cho nhiều máy công nghiệp Đối với những loại công suất động cơ diezen lớn được truyền động cho một số máy sản xuất như: kéo máy phát điện, truyền động cho tàu hỏa, truyền động cho tàu thủy… thì những loại động cơ diezen này cần phải điều chỉnh và ổn định tốc độ

Bộ điều chỉnh tốc độ của những động cơ diezen này có một ý nghĩa kỹ thuật rất

quan trọng, ngoài việc điều chỉnh tốc độ thì cần phải ổn định tốc độ

Với vị trí quan trọng của hệ điều chỉnh tốc độ động cơ diezen nên trong

bài luận văn này tôi đã chọn đề tài: “Nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tốc độ

của động cơ Diezen ứng dụng truyền động cho tàu thủy”

Thành công của đề tài này ngoài việc tạo được một hệ điều tốc có chất lượng cao để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn đồng thời đó là một tài liệu để tiếp tục nghiên cứu và học tập để thiết kế một bộ điều chỉnh tốc độ có chất lượng tốt hơn

Bên cạnh việc nghiên cứu lý thuyết về tính toán hệ điều chỉnh tốc độ của động cơ diezen để ứng dụng truyền động cho tàu thủy thì đề tài cần phải thí nghiệm ở phòng thí nghiệm của trường để quá trình thực hiện đề tài mới vừa mang ý nghĩa lý thuyết lẫn ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan những yêu cầu quan trọng chủ yếu của điều chỉnh tốc độ động cơ Diezen

- Trên cơ sở hệ điều tốc sẵn có của động cơ Diezen, tiếp tục nghiên cứu để xây dựng được một sơ đồ cấu trúc hệ điều tốc có chất lượng tốt hơn

- Từ sơ đồ cấu trúc được thiết kế, tính chọn bộ điều tốc hệ truyền động một cách hợp lý, nghĩa là vừa thỏa mãn được yêu cầu truyền động, đồng thời có thể tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng tại phòng thí nghiệm

- Tiến hành khảo sát, tính toán, mô phỏng và tổng hợp để đánh giá chất lượng hệ điều tốc, so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết Từ đó giúp ta khẳng định được hệ điều tốc thỏa mãn yêu cầu và ứng dụng truyền động được cho tàu thủy

Trang 13

- Xây dựng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính Từ đó tính

toán sơ bộ, mô phỏng để kiểm tra chất lượng của hệ

- Ứng dụng những bộ điều khiển thông minh để nâng cao chất lượng

hệ thống

3 Dự kiến các kết quả đạt được

- Trình bày một cách tổng quan về hệ điều tốc, trong đó có những bộ điều

tốc ứng dụng trong tàu thủy

- Chọn được phương án hệ truyền động thích hợp, từ đó tính toán nhằm

đảm bảo độ ổn định của hệ để ứng dụng cho bộ điều tốc

- Thí nghiệm thành công hệ truyền động trong phòng thí nghiệm nhà

trường để kiểm chứng với lý thuyết

- Xây dựng được hệ điều khiển vị trí cho hệ điều tốc, từ đó khảo sát sơ bộ

với bộ điều khiển PID tuyến tính

- Nâng cao được chất lượng hệ thống khi ứng dụng các bộ điều khiển

thông minh

- Đề xuất ứng dụng hệ điều tốc Diezen cho tàu thủy

4 Nội dung luận văn

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ điều tốc của động cơ Diezen

Chương 2: Tính toán khảo sát hệ điều khiển truyền động tốc độ Diezen

Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển vị trí ổn định tốc độ động cơ

Diezen bằng bộ điều khiển mờ trượt

Chương 4: Thí nghiệm và ứng dụng

Trang 14

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU TỐC CỦA ĐỘNG

CƠ DIEZEN

Động cơ Diezen được ứng dụng trong tàu thủy dùng để kéo chân vịt, kéo máy phát điện và hệ thống tời Những thiết bị này thường trong quá trình làm việc cần phải điều chỉnh và ổn định tốc độ

Để ổn định tốc độ của động cơ Diezen thì những loại động cơ Diezen được ứng dụng trong tàu thủy là những động cơ Diezen phải được điều chỉnh và ổn định tốc độ thông qua bộ điều tốc Chất lượng của hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ Diezen này phụ thuộc nhiều đến bộ điều tốc Vì vậy, trong bản luận văn này sẽ nghiên cứu, khảo sát, tính toán và tìm phương pháp để nâng cao chất lượng

bộ điều tốc Từ đó nâng cao chất lượng cho các hệ truyền động trên tàu thủy Tùy theo công suất và chất lượng ổn định tốc độ của tàu thủy mà mỗi loại động cơ Diezen có một loại bộ điều chỉnh tốc độ khác nhau Do đó, phần tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu về các bộ điều tốc

1.1 Phân loại

Hiện nay, các loại bộ điều tốc lắp trên động cơ Diezen rất đa dạng, phụ thuộc vào công dụng và đặc tính động cơ Trong thực tế, để giúp cho các nhà chế tạo và khai thác có cùng khái niệm nhằm nhận dạng và phân loại được bộ điều tốc, người ta thường phân chúng ra thành các nhóm Việc phân loại bộ điều tốc thường được tiến hành dựa trên những tiêu chuẩn tiêu biểu khác nhau

1.1.1 Trên cơ sở truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh

- Bộ điều tốc hoạt động trực tiếp

- Bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

Nếu khớp trượt của bộ điều chỉnh nối trực tiếp với cơ cấu điều chỉnh của đối tượng thì bộ điều tốc này là bộ điều tốc hoạt động trực tiếp Còn bộ điều tốc được trang bị thêm động cơ trợ động nối giữa khớp trượt của bộ điều chỉnh và

cơ cấu điều chỉnh của đối tượng gọi là bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

Trang 15

1.1.2 Trên cơ sở chế độ hoạt động của bộ điều chỉnh

- Bộ điều tốc một chế độ

- Bộ điều tốc hai chế độ

- Bộ điều tốc nhiều chế độ

- Bộ điều tốc giới hạn

1.1.3 Dựa trên cơ sở tín hiệu công tác của phần tử điều chỉnh

Trên thực tế có thể các bộ điều tốc được chế tạo dựa trên ứng dụng các tín hiệu công tác khác nhau; chẳng hạn bộ điều tốc đó có thể sử dụng tín hiệu thủy lực, cơ học hoặc điện để truyền các thông tin Do vậy, dựa trên các loại tín hiệu công tác khác nhau có thể phân loại:

- Bộ điều tốc cơ học

- Bộ điều tốc khí nén

- Bộ điều thủy lực

- Bộ điều tốc điện tử

1.1.4 Trên cơ sở nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh vòng quay

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý độ lệch

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý bù nhiễu

- Bộ điều tốc xây dựng trên nguyên lý kết hợp

1.1.5 Dựa trên cơ sở sử dụng các loại phản hồi khác nhau

- Bộ điều tốc có liên hệ phản hồi cứng

- Bộ điều tốc có liên hệ phản hồi ngược mềm

- Bộ điều tốc có liên hệ phản hồi tổng hợp

Trong luận văn này, tôi chọn bộ điều tốc điện tử

1.2 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc

Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi hay thay đổi do tác động của con người, không phụ thuộc vào tải Đặc tính của bộ điều tốc được đặc trưng bởi một số thông số chủ yếu sau

Trang 16

1.2.1 Độ không đồng đều

Độ không đồng đều  trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỉ số độ chênh lệch giữa vòng quay động cơ khi tăng từ 0 đến toàn tải (khi giữ nguyên vị trí thanh răng bơm cao áp) với vòng quay trung bình:

tb

H kt

n kt: Vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải (v/ph)

n H: Vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức (v/ph)

cb

cb cb

Trang 17

động cơ Khi làm việc song song, chỉ cần có độ không nhậy nhỏ cũng có thể gây

ra sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống

điều chỉnh có thể được xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không

nhậy của động cơ

Độ không nhậy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác

động cơ và chất lượng chăm sóc bảo dưỡng Với các động cơ làm việc song

song mặc dù động cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhưng vùng không nhậy

không hoàn toàn giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận

1.2.3 Độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất

Độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất  là tỷ số giữa biên độ dao

động vòng quay lớn nhất ( vận tốc góc lớn nhất ) trong thời gian chuyển tiếp với



(1.3) n dd ( dd)- Biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá

trình chuyển tiếp

Giá trị thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất  phụ thuộc vào chất lượng bộ

điều tốc, trạng thái kỹ thuật, chất lượng quá trình cháy của động cơ và các hệ thống

phục vụ, phụ thuộc vào phương pháp và mức độ thay đổi tải theo độ quy định của

Đăng kiểm độ quá điều chỉnh có giá trị cao nhất 10% vòng quay định mức

1.2.4 Độ không ổn định vòng quay tương đối

Độ không ổn định vòng quay tương đối  là tỷ số giữa biên độ vòng quay

khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tương đối ( định mức, không tải v.v )

Trang 18

1.2.5 Thời gian điều chỉnh

Thời gian điều chỉnh t ct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép Thời gian t ct cũng phụ thuộc vào loại và chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật của động cơ và các hệ thống phục vụ, phương pháp và mức độ thay đổi tải đối với động cơ Diezen lai máy phát, thời gian điều chỉnh không lớn hơn 5(s)

1.3 Bộ điều tốc điện tử

1.3.1 Sơ đồ hệ thống

Sơ đồ khối bộ điều tốc điện tử:

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều tốc điện tử của động cơ Diezen

Giới thiệu sơ đồ: Có 2 khối chính:

1 Động cơ Diezen

2 Khối còn lại: Bộ điều tốc điện tử, bao gồm:

- Cơ cấu chấp hành của bộ điều tốc

- Động cơ truyền động cho khâu chấp hành

- Bộ điều khiển của hệ điều tốc

- P/U: Cảm biến vận tốc

- Tín hiệu đặt – đầu vào của bộ điều tốc

Trang 19

- Bộ điều khiển PID

- Fue limiter, L.S.S, Scav limiter: Khâu giới hạn dầu

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ Diezen:

Với 1 lƣợng đặt nhất định, thông qua bộ điều khiển PID; tín hiệu ra qua khâu L.S.S (khâu giới hạn dầu) Tiếp đó tín hiệu ra khâu giới hạn dầu đƣợc đƣa vào động cơ truyền động để điều khiển cơ cấu điều tốc điều chỉnh lƣợng mở vị trí DEC  INC

Với 1 lƣợng đặt nhất định thì DEC  INC ở 1 vị trí nhất định  bơm dầu làm việc ở 1 chế độ nhất định  tốc độ quay Diezen ở 1 tốc độ nhất định

Vậy khi ta thay đổi tín hiệu đặt thì tín hiệu ra thay đổi

Ví dụ:

- Khi chạy thử, tín hiệu vào nhỏ  tốc độ ra thấp

- Khi làm việc ổn định: Tín hiệu vào bằng giá trị đặt ổn định  tín hiệu ra ổn định

 Nguyên lý tự ổn định của hệ thống:

Trong quá trình làm việc, phụ tải của Diezen thay đổi thì tốc độ Diezen thay đổi  tín hiều đƣa về thay đổi, tín hiệu này so sánh với tín hiệu đặt, thông qua bộ điều khiển PID đƣa vào điều khiển hệ thống  thay đổi lƣợng dầu  ổn định tốc độ

Ví dụ:

Phụ tải tăng  tín hiệu đƣa về so sánh giảm, mà tín hiệu đặt là cố định 

tín hiệu đƣa vào PID tăng  điều chỉnh cơ cấu DEC  INC mở lớn hơn, lƣợng dầu vào nhiều hơn  tốc độ tăng

Khi phụ tải giảm  tín hiệu đƣa về so sánh tăng, mà tín hiệu đặt là cố định  tín hiệu đƣa vào PID giảm  điều chỉnh cơ cấu DEC  INC mở nhỏ hơn, lƣợng dầu vào ít hơn  tốc độ giảm

Trang 20

Tiếp theo luận văn sẽ trình bày các biểu thức tính toán và khảo sát hệ điều khiển truyền động tốc độ động cơ Diezen

Trang 21

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN

ĐỘNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEN 2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ điều khiển ổn định vị trí

Để ổn định tốc độ cho động cơ Diezen thì cần phải xây dựng hệ điều khiển chuyển động ổn định vị trí của van dầu Diezen Sơ đồ khối của hệ điều khiển chuyển động tốc độ Diezen được xây dựng với các giả thiết và điều kiện sau:

- Khi thay đổi vị trí cơ cấu DEC  INC (cơ cấu điều chỉnh lượng dầu) thì lượng dầu thay đổi thông qua bơm dầu và tốc độ động cơ thay đổi Như vậy qua giả thiết này thì vị trí của bơm tỷ lệ thuận với tốc độ bơm dầu

- Trong sơ đồ này động cơ truyền động cho cơ cấu điều khiển vị trí van dầu là động cơ phải ổn định được tốc độ trong quá trình làm việc

- Với cách đặt vấn đề và giả thiết trên, đồng thời dựa vào sơ đồ Hình 1.1 ta xây dựng được sơ đồ khối hệ điều khiển chuyển động ổn định vị trí điều khiển van dầu như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển ổn định vị trí

2.2 Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định tốc độ

2.2.1 Phân tích và chọn hệ truyền động

Với yêu cầu điều khiển chuyển động vị trí bơm dầu để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Diezen, dựa vào tính chất làm việc của hệ điều khiển chuyển động này ta thấy các hệ tự động truyền động sau có thể ứng dụng để truyền động cho bơm dầu:

- Hệ truyền động T-Đ

- Hệ truyền động xung điện áp động cơ điện 1 chiều ( PWM-Đ)

- Hệ truyền động biến tần – động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu

Trang 22

- Hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều Roto ngắn mạch

Bốn hệ truyền động trên đều có những ưu điểm riêng, xong để ứng dụng cho truyền động điều khiển chuyển động van dầu thì cần chọn hệ truyền động thích hợp

- Hệ truyền động T-Đ: Tuy thỏa mãn về mặt điều khiển, nhưng sơ đồ mạch phức tạp, công suất thường lớn

- Hệ truyền động biến tần – động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu, hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều roto ngắn mạch: Đây là hai hệ điều khiển mới có nhiều ưu điểm, nhưng mạch động lực và mạch điều khiển rất phức tạp, giá thành cao, công suất thường lớn

- Hệ truyền động xung điện áp – động cơ điện một chiều (PWM-Đ) có nhiều

ưu điểm hơn, thể hiện là:

+ Sơ đồ mạch đơn giản

2.2.2 Khảo sát và tính toán hệ truyền động PWM-Đ

2.2.2.1 Giới thiệu sơ đồ

Trang 23

Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ

Trong đó: Đ: Động cơ điện 1 chiều

MTX: Mạch tạo xung điều khiển

2.2.2.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM

Từ sơ đồ khối hệ thống truyền động xung điện áp- động cơ một chiều như

đã giới thiệu ở phần trên, ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống như sau:

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM

Ở hệ điều chỉnh tự động, cấu trúc mạch điều khiển và thông số của bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống điều tốc Vì vậy khi thiết lập ta phải thực hiện các thuật toán nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra Một số tiêu chuẩn thiết kế hay được sử dụng là tiêu chuẩn modul tối ưu, tiêu chuẩn modul đối xứng Tùy theo các yếu tố cụ thể của hệ điều khiển vị trí tương đối thường

Trang 24

đòi hỏi các chỉ tiêu chất lượng cao như thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao,

độ bền tốt với momen và tốc độ nằm trong giá trị cho phép

2.2.2.3 Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động

Các biểu thức tính toán (xem phụ lục1)

2.2.3 Quá trình tổng hợp hệ truyền động

2.2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng RI

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

T i=R C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện

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

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện

Các biểu thức tính toán (xem phụ lục 1)

2.2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R 

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau:

Trang 25

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ

Các biểu thức tính toán (xem phụ lục 1)

Với kết quả tổng hợp, ta xây dựng đƣợc sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM-Đ:

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ

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

) (

p d

1 1

2

2 1

) (

p d

1 1

8

8 4

1

3 3 2



Trang 26

2.2.4 Mô phỏng hệ

2.2.4.1 Sơ đồ mô phỏng

- Tính toán các thông số của mạch (xem phụ lục 2)

Sau khi tính toán ta đƣợc:

c i

T K R

T K K

2

.

0128 , 0 2 0318 , 0 7 , 6

203 , 0 2178 , 1 3256 , 2

Trang 27

2.3 Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định vị trí với bộ điều khiển vị trí tuyến tính

Để xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí ta dựa vào sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí (hình 2.1)

Trong sơ đồ này, hệ truyền động ổn định tốc độ trong chương 2 ta đã khảo sát và tổng hợp là hệ PWM – Động cơ điện 1 chiều Quá trình tổng hợp ta được

2 bộ điều chỉnh khác nhau, đó là khâu P và khâu PI Từ đó ta xây dựng được 2

hệ ổn định tốc độ tương ứng, đó là (2.1) và (2.2)

Sau khi tính được khâu chuyển đổi từ tốc độ góc sang tốc độ dài và cảm biến tốc độ, bản luận văn thể hiện sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí như hình vẽ 2.10

Trang 28

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí

Tổng hợp mạnh vòng vị trí cũng tương tự như tổng hợp mạnh vòng tốc độ,

ta dùng tiêu chuẩn module tối ưu và tối ưu đối xứng

Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí như hình vẽ 2.10

2 2

1

1 )

(

p p

K K p

S

s

r OT

( )

(

) ( )

(

p S p F p S

p F p

R

OT OMT

p p

pT p

K

K K p

.

1 )

(

Chọn:  T

Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu module:

Trang 29

) 2 1 ( 2 )

T K K

K p

K K

T K K

p

p p

8

8 4

1

4 1 )

K K p

( )

(

) ( )

(

p S p F p S

p F p

R

OT OMT

p p

pT p

K

K K

1

Chọn:  T

Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng:

) 4 1 ( 2 )

T K K

K p

Trang 30

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí

2.3.2 Mô phỏng

2.3.2.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Các thông số tính toán (xem phụ lục 2)

2.3.2.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính

Thay các thông số đã tính được vào cấu trúc điều khiển và dùng Simulink

ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều chỉnh vị trí như hình 2.12:

Hình 2.12: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID

Chạy chương trình với giá trị đặt khác nhau ta có kết quả như sau:

Trang 31

Hình 2.13: Mô phỏng PID với U d = 10V

Trang 32

Trang 33

2.3.2.2 Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng

- Thời gian khởi động 4s, tương đối lớn

+ Quan hệ tốc độ dài và tốc độ góc là đường cong

+ Ứng với những quãng đường φ có hệ số khếch đại Kφ khác nhau dẫn tới nhiều sai số

+ Cặp ăn khớp giữa bánh vít và trục vít có khe hở do ăn khớp không đồng đều gây ra tính phi tuyến

+ Lực ma sát của dầu

Kết luận chương 2:

Sau khi tính toán và khảo sát hệ điều khiển truyền động tốc độ động cơ Diezen với bộ điều khiển PID, kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng chưa thật tối ưu Mặc dù độ quá điều chỉnh bằng 0, độ dao động bằng 0, nhưng thời gian khởi động tương đối lớn (4s) Để khắc phục nhược điểm này, chương tiếp theo của luận văn sẽ nâng cao chất lượng hệ thống bằng cách dùng bộ điều khiển mờ trượt

Trang 34

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DIEZEL BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT

Có nhiều bộ điều khiển phi tuyến, như bộ mờ, mờ thích nghi, mờ nơ ron hoặc mờ trượt Trong các bộ mờ đó thì luận văn chọn bộ mờ trượt để nâng cao chất lượng hệ

3.1 Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt

3.1.1 Nguyên lý điều khiển trượt

Xét các đối tượng kiểu SISO một đầu vàouR, một đầu ra yR có n biến trạng thái x1,x2, ,x n với mô hình:

x1 x2

u x x x f x

x x

n n

( 1 2, ,

1



(3.1) Trong đó y x1

n T

n

x x dt

y d dt

dy y

2

(3.3) Bài toán đặt ra là tổng hợp một bộ điều khiển mờ phản hồi uu y thỏa mãn u umaxđể trạng thái ycủa đối tượng được đưa về một điểm trạng thái

Trang 35

n

k

k k k n

dt

t e d C t

)!

1 (

Chú ý rằng hàm s e là một hàm thực

Khi n 2thì (3.4) trở thành s e e e (3.5) Công thức (3.4) chỉ rằng khi có đƣợc

cho đối tƣợng 2 trạng thái thì với (3.5) và (3.3) có đƣợc điều kiện cho bài toán

tổng hợp điều khiển để hệ trƣợt trên mặt cong s(e)=0 về điểm trạng thái yo là:

Trang 36

, (

0 )

, ( 0

) sgn(

e e khi y

y f e

e e khi y

y f e u

e e e

e e khi u

0 0

) ) , ( (

e e khi

e e khi u

y y f y

, (

0 )

, (

e e khi y

y y f e

e e khi y

y y f e u

) , (y y y K e e f

3.1.2 Phương pháp điều khiển trượt

Xét hệ như hình vẽ 3.1 Từ sơ đồ khối của hệ cũng như hàm truyền đạt của khâu tuyến tính, ta có ngay khi =0:

0 2 1 1

x kx s khi

a)

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	3,59 MB