Thiết kế hệ tự chỉnh trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

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 ---o0o--- NGÔ THÙY LINH THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀ

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

-o0o -

NGÔ THÙY LINH

THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

Trang 2

THÁI NGUYÊN- 2016

Trang 3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-o0o -

NGÔ THÙY LINH

THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216

KHOA CHUYÊN MÔN CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

PHÒNG ĐÀO TẠO

Trang 4

THÁI NGUYÊN- 2016

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Ngô Thùy Linh

Ngày sinh: 01 tháng 08 năm 1990

Học viên lớp cao học K16 - Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Thái nguyên, ngày tháng năm 2016

Học viên

Ngô Thùy Linh

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm sâu sắc của nhà trường, các khoa, trung tâm, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Bộ phận quản lý Đào tạo Sau đại học – Phòng Đào tạo, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai

Hương, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong

quá trình tác giả thực hiện luận văn này

Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên 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 này được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

Ngô Thùy Linh

Trang 7

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3

1.1 Mô hình động cơ điện một chiều 3

1.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 6

1.2.1 Khái niệm 6

1.2.2 Dạng sai phân 7

1.2.3 Dạng rời rạc 7

1.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 7

1.4 Các quy luật điều chỉnh 8

1.4.1 Quy luật điều chỉnh P 9

1.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 11

1.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 12

1.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 13

1.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 14

1.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 14

1.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm 14

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ CHỈNH THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 18

2.1 Tổng quan về hệ điều chỉnh tự động 18

2.1.1 Tiềm năng, ý nghĩa khoa học của hệ điều chỉnh tự động 18

2.1.2 Khái niệm về hệ điều chỉnh tự động 19

2.1.3 Nhiệm vụ của lý thuyết điều chỉnh tự động 20

2.1.4 Các nguyên tắc điều chỉnh tự động 22

2.1.5 Phân loại các hệ thống điều chỉnh tự động 24

Trang 8

2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển tự chỉnh 26

2.2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển tự chỉnh cơ bản: 26

2.2.2 Chức năng các khối trong bộ điều khiển tự chỉnh: 26

2.3 Giới thiệu về các phương pháp tự chỉnh tham số 27

2.3.1 Xác định thông số hệ thống 27

2.3.2 Lựa chọn phương pháp tự chỉnh tham số 28

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ CHỈNH ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 32

3.1 Các dạng biểu diễn khác của bộ điều khiển PID 32

3.2 Trọng số giá trị đặt 33

3.3 Giới hạn của hằng số đạo hàm 34

3.4 Nhận dạng quá trình 35

3.4.1 Mô hình hai tham số 35

3.4.2 Mô hình ba tham số 36

3.4.3 Mô hình bốn tham số 38

3.5 Bộ điều khiển PID tự chỉnh 38

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 41

4.1 Mô hình mô phỏng 41

4.2 Chỉnh định bằng tay 49

4.3 Đáp ứng quá độ tự chỉnh 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập 3

Hình 1.2: Mạch vòng điều khiển kinh điển 6

Hình 1.3: Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 9

Hình 1.4: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 10

Hình 1.5: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 11

Hình 1.6: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 12

Hình 1.7: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 13

Hình 1.8: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 14

Hình 1.9: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 16

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tự chỉnh cơ bản 26

Hình 2.2: Phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy 29

Hình 3.1 Các dạng PID.(a) không tương tác, (b) tương tác 33

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển phản hồi cơ bản 34

Hình 3.3: Phương pháp hình học xác định mô hình hai thông số từ đáp ứng quá độ 36

Hình 3.4: Phương pháp hình học xác định mô hình ba thông số từ đáp ứng quá độ 38 Hình 4.1: Mô hình Simulink hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 41

một chiều tự chỉnh 41

Hình 4.2: Cấu trúc bộ điều khiển ISA-PID tự chỉnh 41

Hình 4.3: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy của ω từ 0 - 50Rad/s của lần hiệu chỉnh lần thứ nhất 49

Hình 4.4: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy khác của ω của lần hiệu chỉnh lần thứ nhất 50

Hình 4.5: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy của ω từ 0 - 50Rad/s của lần hiệu chỉnh lần thứ hai 51

Hình 4.6: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy khác của ω của lần hiệu chỉnh lần thứ hai 51

Trang 10

Hình 4.7: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy của ω từ 0 - 50Rad/s của lần hiệu chỉnh lần thứ ba 52Hình 4.8: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy khác của ω của lần hiệu chỉnh lần thứ

ba 53Hình 4.9: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy của ω từ 0 - 50Rad/s của bộ điều khiển PID tự chỉnh 54Hình 4.10: Đáp ứng quá độ với hàm bước nhảy khác của ω của bộ điều khiển PID tự chỉnh 54

Trang 11

MỞ ĐẦU

tựu to lớn, ngành tự động hóa cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó Điều

Hệ truyền động động cơ một chiều thường sử dụng hai mạch vòng điều chỉnh Trong đó, mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong là mạch vòng điều chỉnh dòng điện Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứng nhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớn vào quán tính cơ của động cơ và của tải Chính vì vậy mà yêu cầu thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng dòng điện cũng có yêu cầu khắt khe hơn Để có được các thông số tối ưu cho bộ điều khiển cần phải có các thông số chính xác của động cơ Tuy nhiên, trong quá trình làm việc các thông số của động cơ hoàn toàn có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc vào điều kiện làm việc ( R của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo tải…) Những tác động này sẽ thay đổi các xung điều khiển làm cho tín hiệu phát ra không

cần phải thiết kế ở dạng tự chỉnh

Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên Tác giả xây dựng đề tài:

" Thiết kế hệ tự chỉnh trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều"

Trang 12

Mục tiêu cụ thể là:

- Phân tích các hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

- Nghiên cứu các phương pháp tự chỉnh tham số

- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của hệ thống nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài

Nội dung nghiên cứu

Phần mở đầu

Chương 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển số động cơ một chiều

Chương 2: Nghiên cứu các phương pháp tự chỉnh tham số trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

Chương 3: Xây dựng thuật toán tự chỉnh áp dụng cho hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Trang 13

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Trước hết, nghiên cứu về đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều, đặc biệt là mô hình toán của đối tượng nhằm phục vụ cho việc áp dụng các thuật toán để điều khiển đối tượng Đồng thời tác giả sẽ nghiên cứu hệ thống điều khiển

số động cơ một chiều

1.1 Mô hình động cơ điện một chiều

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1 trong các thông số vật lý của động cơ Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ cho máy sản xuất của đề tài

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn độc lập với nguồn điện cấp cho phần ứng động cơ

Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Trang 14

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn

có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm

 Phương trình đặc tính cơ - Dạng đặc tính cơ

Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:

Nhận xét:

- Đường đặc tính cơ là đường thẳng và động cơ làm việc ổn định khi tốc độ không đổi thì mô men điện từ bằng mô men trên trục động cơ, điểm làm việc trên đặc tính tương ứng giao điểm đặc tính tải với đặc tính cơ tự nhiên

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ bền cơ khí kết cấu cơ của máy, khả năng chuyển mạch cổ góp, độ duy trì tốc độ dặt khi có sự dao động của phụ tải tĩnh

- Đặc tính cơ cứng mô men khởi động lớn có thể điều chỉnh được mô men dùng các phương pháp cưỡng bức như đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

 Mô hình động cơ điện một chiều

Gọi góc quay của động cơ điện một chiều là θ, từ thông động cơ là Ф=const, J

là mômen quán tính, B là hệ số ma sát, R là điện trở phần ứng, L là điện cảm phần

M ) k (

R K

Trang 15

𝐿 𝑥2−𝑅

𝐿𝑥3+1

𝐿𝑢 Phương trình trạng thái có dạng:

Trang 16

0 −𝐾𝑒

𝐿 −𝑅𝐿) (

𝑥1

𝑥2

𝑥3) + (

001 𝐿

1.2 Bộ điều khiển PID kinh điển

1.2.1 Khái niệm

Xét một mạch vòng điều khiển kinh điển có dạng như hình 1.2

Hình 1.2: Mạch vòng điều khiển kinh điển

Trong đó: e(t) là sai số giữa tín hiệu mong muốn (reference value), r(t) tín hiệu

tín hiệu điều khiển, d(t) nhiễu

Luật điều khiển là thuật tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên các tham số hệ thống và tín hiệu sai số và được biểu diễn như sau

Trong một số trường hợp phương trình (1.10) còn được viết dưới dạng:

u(t)=Kpe(t) + Ki∫ e(t)dt

Trang 17

1

Biến đổi z cho (1.20) ta được

𝑈(𝑠)𝐸(𝑠)= Kp [1 +

Trang 18

Nếu kí hiệu hàm truyền từ r đến y là T thì, với cách tính tương tự như trên, các bạn có thể dễ dàng suy ra được hàm truyền này bằng

𝑇 = GpKc

1+ G p K c = 𝐿

Hàm này đánh giá độ nhạy của đầu ra y theo đầu vào r

Vì ta có thể dễ dàng suy ra được T +S = 1 nên có thể coi T là hàm bù nhạy của

y (hay e) với d (hay r) Ngược lại, S là hàm bù nhạy của y với r

Trong thực tế người ta thường quan tâm đến độ nhạy của đầu ra y với đầu vào d nên khi nói "độ nhạy" của hệ thống người ta ngầm hiểu là nói đến S Vì vậy S được nói ngắn gọn là hàm độ nhạy và T được gọi là hàm bù nhạy của S

1.4 Các quy luật điều chỉnh

Yêu cầu thiết kế được đặt ra là bộ PID số phải có tính linh hoạt cao, có nghĩa là phải có luật điều khiển các đối tượng công nghiệp theo P, I, PI, PD, và có thể lựa chọn tham số của các luật phù hợp với đối tượng thiết kế Luật PID số phải được thiết

kế gọn gàng, người sử dụng có thể chọn luật điều khiển dễ dàng Để khảo sát ảnh hưởng của các tham số của bộ điều khiển PID trong một mạch vòng điều khiển kinh điển như hình 1.2, ta xét một ví dụ cho một đối tượng có hàm truyền như sau:

Trang 19

Gp = 100

Xây dựng một mô hình mô phỏng như hình 1.3

Hình 1.3: Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển

Trên quan điểm về điều khiển thì ta mong có T càng lớn càng tốt để S nhỏ (vì S+T = 1) do S thì biểu thị độ nhạy của đầu vào r đối với sai lệch điều chỉnh e Khi S

nói cách khác bộ điều khiển Kc phải có độ lợi lớn

1.4.1 Quy luật điều chỉnh P

Tín hiệu ra của bộ điều khiển có dạng

𝑢𝑐(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) (1.25) Nghĩa là tín hiệu ra của bộ điều khiển luôn trùng pha với tín hiệu vào

Trang 20

Muốn có sai lệch nhỏ thì bộ điều khiển phải có độ lợi lớn, nhưng nếu độ lợi lớn quá thì tính dao động của hệ thống tăng lên và có thể dẫn tới mất ổn định

Để khảo sát đáp ứng của hệ thống với quy luật điều chỉnh kiểu P ta sử dụng một

Hình 1.4: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P

Khi tăng Kp lên 52.14 thì sai lệch tĩnh giảm, nhưng dao động của hệ thống tăng lên như hình 1.5

Trang 21

Hình 1.5: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn

1.4.2 Quy luật điều chỉnh PI

Để triệt tiêu sai lệch tĩnh ta có thể sử dụng thêm một khâu tích phân để có được

Trang 22

Hình 1.6: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI

1.4.3 Quy luật điều chỉnh PD

Để khảo sát đặc tính của hệ thống với bộ điều khiển kiểu PD ta thêm một khâu

Kp = 12.14

Ki = 0

Kd = 1.54

Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.7 Trong trường hợp này có thể thấy

hệ thống có đáp ứng khá nhanh và không có dao động Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn sai lệch tĩnh khá lớn

Trang 23

Hình 1.7: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD

1.4.4 Quy luật điều chỉnh PID

Cuối cùng ta khảo sát đặc tính của hệ thống kín với bộ điều khiển kiểu PID với các thành phần như sau:

Trang 24

Hình 1.8: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID

1.5 Quy trình chỉnh định tham số PID

1.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm

Việc chỉnh định các tham số PID theo kinh nghiệm không dựa trên các số liệu

đo đạc vật lý, vì vậy khó có thể đạt được chất lượng mong muốn và tùy thuộc vào kinh nghiệm của người chỉnh Với các phân tích trên đây ta có thể đưa ra quy trình chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID theo kinh nghiệm như sau:

1.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm

Phương pháp này còn được gọi là phương pháp Ziegler-Nichole thứ hai

Trang 25

• Chỉ cho thành phần P tác động

ổn định)

Kd = 0.054Kpmax

Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols

Việc chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols còn được gọi là phương pháp tương tác quá trình là phương pháp chỉnh định vòng hở thực nghiệm Phương pháp này được phát triển với mục tiêu sao cho hệ kín có khả năng kháng nhiễu tốt

Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có hàm truyền ổn định và được xấp

xỉ bởi một mô hình bậc nhất có trễ:

𝐺𝑝 = 𝑘𝑒

−𝜏𝑠

Nếu đối tượng có đáp ứng quá độ như hình 1.9 thì việc xác định các tham số của

bộ điều khiển PID được thực hiện như sau:

• Xác định giá trị giới hạn:

𝑘 = lim𝑡→∞ℎ(𝑡)

• T là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với đường thẳng h(t) = k

• Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn:

𝐾𝑝 = 𝑇𝑘𝜏

• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn:

Trang 26

Trang 27

Kết luận Chương 1

Như vậy trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu về động cơ một chiều và

hệ thống điều khiển số động cơ một chiều.Trong Chương 2, tác giả sẽ nghiên

cư ́ u các phương pháp tự chỉnh tham số trong hệ thống điều khiển số tốc độ động

cơ một chiều

Trang 28

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ CHỈNH THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU

2.1 Tổng quan về hệ điều chỉnh tự động

2.1.1 Tiềm năng, ý nghĩa khoa học của hệ điều chỉnh tự động

Trong những năm trở lại đây, nền công nghiệp sản xuất phát triển vô cùng mạnh

mẽ, các hệ thống bằng tay thông thường dần dần được thay thế hết bằng các hệ thống

tự động tiên tiến

Điều này thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển tự động phát triển mạnh một cách vượt bậc cả về lý thuyết lẫn ứng dụng Điển hình là các loại robot tự động Nói đến robot, ta có thể thấy trên thế giới đã xuất hiện các loại robot đạt được tốc độ cực kỳ cao và vô cùng chính xác như các máy DEK gắn các linh kiện điện tử lên PCB, máy CNC dùng để đục khắc , tạo hình với quy mô lớn…

Còn trong quân sự, các loại robot di dộng giám sát, rà phá bom mìn được sử dụng để tránh các tổn thất về con người được sử dụng Robot hầu hết được sử dụng thay thế con người trong các môi trường có rủi ro cao, mang tính nguy hiểm như môi trường lòng đất, lò phản ứng hạt nhân, thao tác ngoài không gian hoặc dưới đáy biển Lĩnh vực nghiên cứu robot là một lĩnh vực rộng lớn bao gồm nhiều phạm vi như vật

lý học, điều khiển học, xử lý hình ảnh, cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật máy tính

Nhắc đến robot, chúng ta không thể không nhắc đến những giải thuật điều khiển động cơ DC, điển hình là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID trong các thiết kế bộ điều tốc xuất hiện từ những năm 1890 Các bộ điều khiển PID sau đó được phát triển

các hê ̣ thống điều khiển tự đô ̣ng Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều

Trang 29

khiển khác nhau, với các yêu cầu, đă ̣c tính phức ta ̣p khác nhau Giải thuật điều khiển PID được sử dụng để điều khiển động cơ vì tính đơn giản nhưng vẫn đạt được hiệu quả tương đối trong những trường hợp cố định Tuy nhiên, để điều khiển hiệu quả bộ điều khiển PID, chúng ta cần xác định đúng hệ số Kp, Ki, Kd, vì thế trong những hệ thống thay đổi liên tục, việc sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống thể hiện nhiều nhược điểm

Một trong những đề tài hấp dẫn của lý thuyết điều khiển học hiện đại là nghiên cứu và tối ưu giải thuật thích nghi, xây dựng một hệ thống điều chỉnh tự động với bộ điều khiển tự chỉnh Trong những năm gần đây, bộ điều khiển tự chỉnh tỏ ra rất hứa hẹn trong những hệ thống mà thông số chưa biết hoặc luôn thay đổi bởi khả năng tự thích nghi, cho đáp ứng nhanh và chính xác song song với sự phát triển của những bộ

vi điều khiển hiệu năng cao Ví dụ như các robot, hệ thống công nghiệp có thể thay thế những bộ phận hỏng hóc bằng những loại động cơ khác nhau mà vẫn đảm bảo độ

ổn định của sản phầm; các thang máy và robot chuyên chở có thể hoạt động mượt và trơn tru hơn bất chấp lĩnh vực điều khiển chính xác áp dụng giải thuật thích nghi sẽ mang lại lợi ích lớn cho phát triển công nghiệp tại Việt Nam, ứng dụng trong điều khiển chính xác nhiệt độ lò nhiệt y tế sự thay đổi của tải

Với bộ điều khiển tự chỉnh, bất kì động cơ DC nào cũng được điều khiển chính xác và hiệu quả hơn so với những bộ điều khiển khác, điển hình là bộ điều khiển PID truyền thống

2.1.2 Khái niệm về hệ điều chỉnh tự động

Hệ thống điều chỉnh tự động là hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển Việc điều chỉnh tự động được thực hiện nhờ

sự thay đổi liên tục của thông số đầu vào theo mức độ sai lệch của thông số đầu ra

so với giá trị định trước, nhằm khắc phục độ sai lệch đó Như vậy khi có tác động của nhiễu làm ảnh hưởng đến thống số đầu ra, thì thông số đầu vào sẽ thay đổi và động cơ sẽ có một đường đặc tính cơ khác, điểm làm việc của động cơ sẽ dịch

Trang 30

chuyển từ đường đặc tính nhân tạo này sang đặc tính nhân đạo khác và vạch ra một đường đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động

Vì vậy có thể định nghĩa: “đặc tính cơ của hệ điều chỉnh tự động là quỹ tích của các điểm làm việc của động cơ trên vô số các đặc tính cơ của hệ điều chỉnh

vòng hở” Hay còn gọi là “quỹ đạo pha trên tọa độ đặc tính cơ”

Việc thay đổi tự động thông số đầu vào được thực hiện nhờ mạch phản hồi, mạch này lấy tín hiệu từ thông số đầu ra hoặc một thông số nào đó liên quan đến đầu ra, đưa trở lại gây tác động lên thông số đầu vào, tạo thành một hệ có liên hệ kín giữa đầu ra và đầu vào Vì vậy người ta gọi hệ này là hệ “điều chỉnh vòng kín”

Các thành phần chính của một hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm:

dòng điện

kỹ thuật số chuyên dụng phức tạp hoặc là các máy tính nhúng

bộ điều khiển

2.1.3 Nhiệm vụ của lý thuyết điều chỉnh tự động

Lý thuyết điều chỉnh tự động nhằm giải quyết 2 nhiệm vụ chính:

a Phân tích hệ thống

Nhiệm vụ này nhằm xác định đặc tính của tín hiệu ra của hệ thống, sau đó đem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng, điều khiển của hệ thống đó

Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết 2 vấn đề cơ bản: vấn đề về tính ổn định của hệ thống

và vấn đề chất lượng của quá trình điều khiển: quá trình xác lập trạng thái tĩnh và trạng thái động (quá trình quá độ)

Trang 31

Để giải quyết những vấn đề trên người ta thường dùng phương pháp mô hình toán học, tức là các phần tử của hệ thống điều khiển đều được đặc trưng bằng một mô hình toán và tổng hợp mô hình toán của các phần tử sẽ cho mô hình toán của toàn bộ

hệ thống

Xác định đặc tính ổn định của hệ thống thông qua mô hình toán của hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học Các bước để giải quyết bài toán ổn định là:

hàm truyền đạt)

của cả hệ thống

Tuy nhiên việc lập mô hình toán của các phần và của hệ thống trong thực tế rất khó khăn, nên ta dùng phương pháp xét ổn định theo đặc tính thực nghiệm (đặc tính tần số hoặc đặc tính thời gian)

Giải quyết nhiệm vụ phân tích chất lượng quá trình điều khiển cũng có 2 phương pháp: trực tiếp hoặc gián tiếp, thông qua mô hình toán hoặc đặc tính động học thực nghiệm Giải quyết vấn đề này thường là giải hệ phương trình vi phân, vi tích phân v.v Ngoài ra trong lý thuyết điều khiển tự động, khi phân tích quá trình quá độ người ta còn dùng máy tính tương tự và máy tính số

b Tổng hợp hệ thống

Tổng hợp hệ thống là vấn đề xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển Giải bài toán này thực tế là thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động Trong quá trình tổng hợp thường kèm theo bài toán phân tích Đối với các hệ thống điều khiển tối ưu và tự thích nghi, nhiệm vụ tổng hợp thiết bị điều khiển giữ vai trò rất quan trọng Trong các hệ thống đó, muốn tổng hợp được hệ thống, ta phải xác định algorit điều khiển, tức là phải xác định luật điều khiển U(t) Hệ thống điều khiển có yêu cầu

Trang 32

chất lượng cao thì việc tổng hợp càng trở nên phức tạp Trong nhiều trường hợp ta cần đơn giản hóa một số yêu cầu và tìm phương pháp tổng hợp thích hợp để thực hiện

Để thiết kế một hệ thống điều chỉnh tự động, ta cần tiến hành các bước sau đây:

điểm đối tượng được điều khiển ta xác định mô hình đối tượng điều khiển

lý điều khiển chung đã biết, khả năng các thiết bị điều khiển có thể sử dụng được hoặc chế tạo được, ta chọn một nguyên tắc điều khiển cụ thể Từ đó lựa chọn các thiết bị cụ thể để thực hiện nguyên tắc điều khiển đã đề ra

hiệu quả điều khiển trên các mặt: khả năng đáp ứng mục tiêu, chất lượng, giá thành, điều kiện sử dụng, hậu quả v.v Từ đó hiệu chỉnh phương án chọn thiết

bị, chọn nguyên tắc điều khiển hoặc hoàn thiện lại mô hình

bị từng phần Sau đó tiến hành kiểm tra, thí nghiệm thiết bị từng phần và hiệu chỉnh các sai sót

Hiệu chỉnh và nghiệm thu toàn bộ hệ thống điều khiển

2.1.4 Các nguyên tắc ðiều chỉnh tự ðộng

a Nguyên tắc giữ ổn định

Nguyên tắc giữ ổn ðịnh ðýợc thực hiện theo 3 nguyên tắc cõ bản sau:

Sõ ðồ cấu trúc:

Trang 33

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

Đối với hệ thống ta cần tìm quan hệ xác định sao cho Y = Yo = const

Đây là hệ thống hở nên có các nhýợc điểm nhý không có liên hệ nghịch nên có khi làm hệ thống mất khả nãng làm việc, và các nhiễu khó đo đýợc chắnh xác Do đó

Loại này tác động của hệ thống nhanh, độ tin cậy cao, nhýng giá thành lại cao

b Nguyên tắc điều chỉnh theo chương trình

Nguyên tắc điều chỉnh theo chýõng trình thýờng áp dụng do hệ thống hở và hệ thống kắn Nguyên tắc này dựa vào yêu cầu của tắn hiệu ra y biến đổi theo thời gian với một chýõng trình nào đó, chẳng hạn nhý y = y(t) Dựa vào mô tả toán học của đối týợng điều khiển ta có thể xác định tắn hiệu điều khiển

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	1,87 MB