bài tập lớn môn điều khiển số

bài tập lớn môn điều khiển số :Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái, đối tượng điều khiển là bộ băm áp DC DC lưỡng cực nối tiếp với động cơ DC kích từ vĩnh cửu(hayyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy)

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

là bộ băm áp DC- DC lưỡng cực nối tiếp với động cơ DC kích từ vĩnh cửu

PHẦN THUYẾT MINHChương 1: Tìm hiểu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chương 2: Thực hiện nội dung yêu cầu

Chương 3: Mô phỏng

Chương 4: kết luân

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Quách Đức Cường

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển, nhiều các lĩnh vực ngày các phát triển, đặc biệt là lĩnhvực công nghiệp những cỗ máy lớn cũng như các cỗ máy nhỏ hoạt động không ngừngnghỉ để tạo ra của cải vật chất trong các nhà máy Các cỗ máy có thể hoạt động được là

do động cơ, có rất nhiều loại động cơ và phương pháp điều khiển khác nhau đangngồi trên ghế nhà trường, nhờ các kiến thức mà thày cô truyển đạt lại cho chúng emqua các môn học, chúng em thực hiện làm bài tập lớn môn “ điều khiển số” được sựhướng dẫn nhiệt tình của TS Quách Đức Cường chúng em xin được trình bày nộidung mà chúng em thực hiện được

Chúng em mong được sự đóng góp của thày để bài tập của chúng em hoàn thiệnhơn Chúng em xin trân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1.TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐỘC LẬP 7

1.1 Động cơ điện một chiều 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Cấu tạo 7

1.1.3 Nguyên lý làm việc 8

1.1.4 Phân loại 8

1.1.5 Điều chỉnh tốc độ 9

1.1.6 Động cơ điện kích từ độc lập 9

CHƯƠNG 2.THỰC HIỆN CÁC NỘI DUNG YÊU CẦU 11

2.1 Tham số động cơ và cảm biến dòng điện, cảm biến tốc độ 11

2.2 Các bước tính toán 11

2.3 Xác định hàm truyền đạt Gs=Y (s)U (s) và phương trình trạng thái liên tục ( A B C D) mô tả đối tượng điều khiển 12

2.3.1 Hàm truyền đạt của hệ 12

2.3.2 Phương trình trạng thái liên tục mô tả đối tượng điều khiển 12

2.4 Rời rạc hóa đối tượng dưới dạng hàm truyền và phương trình trạng thái 14 2.4.1 Rời rạc hóa hàm truyền theo phương pháp Euler tiến 14

2.4.2 Rời rạc phương trình trạng thái 14

2.5 Khao sát tính điều khiển được và tính quan sát được 15

2.5.1 Tính điều khiển được 15

2.5.2 Tính quan sát được 15

2.6 Khảo sát chất lượng động , chất lượng tĩnh 15

2.6.1 Chất lượng động 15

2.7 Chất lượng tĩnh 17

2.8 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp áp đặt điểm cực để hệ thống có chất lượng động 19

2.9 Tìm hệ số khuếch đại để hệ số khuếch đại vòng kín bằng 1 22

2.10 Thiết kế bộ quan sát trạng thái theo yêu cầu chất lượng động 24

CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG 26

3.1 Mạch điều chỉnh dòng điện 26

3.2 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ 27

CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN 29

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Phần tĩnh bao gồm lõi thép được làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy

và các cực từ chính có dây quấn kích từ , dòng điện chạy trong dây quấn kích từ saocho các cực từ tính liên tiếp luân phiên nhau Cực từ chính gắn với vỏ máy nhờ bulong Ngoài ra còn có nắp máy cực từ phụ và cơ cấu chổi than

b) Phần động

Phần động ( roto) bao gồm lõi thép, dây quấn phần ứng cỏ góp và trục máy

 Lõi thép: hình trụ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5mm phủsơn cách điện ghép lại với nhau Các lá thép được dập các lỗ thông gió vàrãnh để đặt dây quấn phần ứng

 Dây quấn phần ứng: gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau đặt trong các rãnhcủa phần ứng tạo thành một hay nhiều vòng kín Phần tư của dây quấn là một

bó dây gồm một hay nhiều vòng dây hai đầu nối với hai phiến góp của vànhgóp hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên

 Cổ góp: gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép thành một khốihình trụ cách điện với trục máy

 Các bộ phận khác trục máy, quạt làm mát…

1.1.3 Nguyên lý làm việc

Hình 1.1.3.a nguyên lý làm việc

Khi cho điện áp một chiều tác U vào 2 chổi điện A và B thì khi đó trong dây quấnphần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường

sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau làm momen quay tác dụng lên roto làm totoquay chiều của lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi rorto quay đượcnửa vòng vị trí thanh dẫn ab và cd đổi chỗ cho nhau nhờ có phiến góp đổi chiều dòngđiện biến đổi chiều đưa vào phần ứng giữ cho chiều của lực tác dụng không đổi do đólực tác dụng lên roto vẫn theo một chiều không đổi đảm bảo chiều quay của động cơkhông đổi

1.1.4 Phân loại

Dựa vào hình thức kích từ người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại

 động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 động cơ điện một chiều kích từ song song

 động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

 +động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

 điều chỉnh bằng thay đổi từ thông trong mạch kích từ động cơ.

 điều chỉnh bằng thay đổi điện trở phụ

Hình 1.2.b đường đặc tính cơ.

 Kết luân: động cơ điện một chiều là loại động cơ rất được ưa chuộng trongcác mô hình lớn hiện nay

CHƯƠNG 2 THỰC HIỆN CÁC NỘI DUNG YÊU CẦU.2.1. Tham số động cơ và cảm biến dòng điện, cảm biến tốc độ.

B2: kiểm tra tính toán quan sát được det(Q) khác 0

B3: xác định đa thứ đặc tính của hệ quan sát

L=(l1ln); M0( z )=det ⁡¿)

B4: POT, Ts  z¿1,2

B5: xác định đặc tính mong muốn

2.3. Xác định hàm truyền đạt G (s)= Y (s)

U (s) và phương trình trạng thái liên tục (

A B C D) mô tả đối tượng điều khiển

2.4.2 Rời rạc phương trình trạng thái.

Tính ổn định của hệ thống : Hệ thống được gọi là ổn định nếu sau khi phá vỡ trạngthái cân bằng do tác động của nhiễu nó sẽ tự điều chỉnh trở lại ở trạng thái cân bằnga) Biểu đồ Bode

-Dùng matlab để vẽ biểu đồ Bode

- Điều kiện để hệ thống ổn định : Một hệ thống tuyến tính liên tục

được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ của nó tăng dần theo thời

gian và ở biên giới ổn định nếu quá trình quá độ của nó dao động với

biên độ không đổi hoặc bằng hằng số

- Tính ổn định của hệ thống : Hệ thống được gọi là ổn định nếu sau khi

phá vỡ trạng thái cân bằng do tác động của nhiễu nó sẽ tự điều chỉnh

trở lại ở trạng thái cân bằng

a) Biểu đồ Bode

- Biểu đồ Bode là đồ thị gồm 2 phần

+ Biểu đồ bode biên độ : biểu diễn mối quan hệ giữa

logarit của đáp ứng biên độ L(w) theo tần số w (L(w)=20lgM(w)

+ Biểu đồ bode phase : biểu thị mối quan hệ giữa đáp ứng phase ( )() )theo w

-Dùng matlab để vẽ biểu đồ Bode

b)biểu đồ nyquist

-Biểu đồ Nyquist là đồ thị biểu diễn đặc tính tần số W(j*w) trong hệ cực tọa độ khi

2.8. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp áp đặt điểmcực để hệ thống có chất lượng động.

Xét hệ thống điều khiển theo dạng biến trạng thái như sau:

Xét sơ đồ khối của hệ thống được chỉ ra ở hình 1 với điều khiển phản hồi trạng tháidưới đây:

ở đây K là một vector khuếch đại (gain) phản hồi hằng số Đầu vào hệ thống điềukhiển được giả thiết bằng 0 Mục đích của hệ thống này là đưa tất cả các trạng thái vềgiá trị 0 khi các trạng thái bị nhiễu tác động (perturbed)

Hình 1 Thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên phương pháp gán điểm cực

Thay (2) vào (1), biểu diễn trạng thái hệ thống kín sẽ là:

Phương trình đặc tính của hệ thống kín là:

Giả sử hệ thống được biểu diễn dưới dạng chính tắc biến pha như sau:

Thay A và B vào (4), phương trình đặc tính vòng kín cho hệ thống điều khiển đượccho bởi:

Với các vị trí điểm cực vòng kín xác định , phương trình đặc tínhmong muốn sẽ là:

Mục đích của thiết kế là đi tìm K để phương trình đặc tính cho hệ thống điều khiển

là giống hệt với phương trình đặc tính mong muốn Do đó, vector K thu được bằngcách đồng nhất các hệ số của phương trình (6) và (7):

Nếu mô hình trạng thái không ở dạng chuẩn tắc biến pha, chúng ta có thể sử dụng

kỹ thuật biến đổi để biến đổi mô hình trạng thái cho trước sang dạng chuẩn tắc biếnpha Hệ số K nhận được cho mô hình này và sau đó biến đổi ngược trở lại để xác nhậnvới mô hình ban đầu Thủ tục này dẫn đến công thức sau đây, được biết đến với têngọi công thức Ackermann

ở đây, ma trận S được cho bởi:

Và ký hiệu được cho bởi công thức sau:

Hàm được phát triển cho thiết kế gán điểm cực là các ma trận hệ thống,

và p là vector hàng chứa các điểm cực mong muốn của hệ kín Hàm này trả về vector

K và ma trận của hệ kín Trong Matlab CST (Control System Toolbox) bao gồm 2hàm cho phương pháp thiết kế gán điểm cực Hàm dùng để thiết

kế các hệ đơn đầu vào (single input), trong khi đó hàm dùng đểthiết kế các hệ đa đầu vào (multi-input) với giải thuật đáng tin cậy hơn

Điều kiện phải tồn tại để gán các điểm cực vòng kín tại các vị trí mong muốn là cóthể biến đổi mô hình trạng thái cho trước sang dạng chính tắc biến pha Có nghĩa là matrận điều khiển được S cho bởi (8) phải có định thức khác 0 Đặc tính này được gọi làtính điều khiển được

Ví dụ 1

Cho đối tượng được mô tả bởi:

Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái để gán điểm cực vòng kín tại và -8.Điều kiện đầu của trạng thái x là:

Các lênh thực hiện trên Matlab như sau:

A=[-1 0 0; -1 -2 0; 1 0 0];

B=[1; 0; 0];

C=[1 1 0 ]; D=0;

j=sqrt(-1);

P=[-3+j*4 -3-j*4 -8]; % desired closed-loop poles

[K,Af]=placepol(A,B,C,P); % returns gain K and closed-loop system matrix

% initial condition response

t=0:.02:2;

r=zeros(1,length(t)); % generates a row of zero input

x0=[1 1 -1]; % initial state

[y,x]=lsim(Af, B, C, D, r, t, x0); % initial state response

subplot(2,2,1), plot(t, x(:,1)),title(‘x_1(t)’), grid

subplot(2,2,2), plot(t, x(:,2)),title(‘x_2(t)’), grid

subplot(2,2,3), plot(t, x(:,3)),title(‘x_3(t)’), grid

subplot(2,2,4), plot(t, y),title(‘y(t)’), grid

subplot(111)

Kết quả được vẽ trên hình 2:

2.9. Tìm hệ số khuếch đại để hệ số khuếch đại vòng kín bằng 1

Từ khi mới ra đời, mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thực hiện các phéptính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự để mô phỏng các đại lượngkhác [1] Do đó, nó mới được đặt tên là "Mạch khuếch đại thuật toán" Đây là thànhphần cơ bản trong các máy tính tương tự, trong đó mạch khuếch đại thuật toán sẽ thựchiện các thuật toán như cộng, trừ, tích phân và vi phân v.v Tuy nhiên, mạch khuếchđại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng dụng khác ngoài các ứng dụng thuật

toán Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng các transistor,các đèn điện tử chân không hoặc những linh kiện khuếch đại khác, được trình bày dướidạng những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra rất tương hợp vớinhững linh kiện thực sự.

Trong khi các mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên phát triển trên các đèn điện tửchân không, giờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp (ICs), mặc

dù vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh kiện rời cũng được sử dụng nếu cần nhữngtiện ích vượt quá tầm của các IC

Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi từ cuốithập niên 1960, là các mạch sử dụng transistor lưỡng cực μA709 của hãng Fairchild,A709 của hãng Fairchild,

do Bob Widlar thiết kế năm 1965 Nó nhanh chóng bị thay thế bằng mạch 741, mạchnày có những tiện ích tốt hơn, độ ổn định cao hơn và dễ sử dụng hơn Mạch μA709 của hãng Fairchild,A741đến nay vẫn còn được sản xuất, và có mặt khắp nơi trong lĩnh vực điện tử - rất nhiềunhà chế tạo đã sản xuất ra các phiên bản khác của mạch này, nhưng vẫn tiếp tục thừanhận con số ban đầu là "741" Những thiết kế tốt hơn đã được giới thiệu, một số dựatrên transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) và transistor hiệu ứngtrường có cổng cách điện MOSFET(đầu thập niên 1980) Rất nhiều những linh kiệnhiện đại này có thể thay thế được cho các mạch sử dụng 741, mà không cần thay đổi

gì, nhưng lại cho những hiệu năng tốt hơn

Các mạch khuếch đại thuật toán thường có những thông số nằm trong những giớihạn nhất định, và có những vỏ ngoài tiêu chuẩn, cùng với nguồn điện cung cấp tiêuchuẩn Chúng có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử; chỉ cần một số ít linh kiệnbên ngoài nó có thể thực hiện cả một dải rộng các tác vụ xử lý tín hiệu tương tự Rấtnhiều mạch khuếch đại thuật toán tính hợp có giá chỉ chừng vài trăm đồng nếu muavới số lượng vừa phải, trong khi những mạch khuếch đại tích hợp hoặc rời rạc vớinhững thông số kỹ thuật không tiêu chuẩn có thể có giá đến cả vài triệu đồng đặt hàng

số lượng ít

Một mạch khuếch đại thuật toán thông dụng có 2 đầu vào và 1 đầu ra Điện áp đầu

ra bằng bội số của sai biệt điện áp hai đầu vào:

Vout = G(V+ − V−)

G là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại thuật toán Đầu vào được giả định có tổngtrở rất cao; Dòng điện đi vào hoặc ra ở đầu vào sẽ không đáng kể Đầu ra được giảđịnh c tổn trở rất thấp.

Nếu đầu ra được đưa trở về đầu vào đảo sau khi được chia bằng một bộ phân áp ,thì:

Kết cấu của một mạch khuếch đại thuật toán ráp thành mạch khuếch đại không đảo

Khi được nối trong một vòng hồi tiếp âm, mạch khuếch đại thuật toán sẽ cố gắngđiều chỉnh Vout sao cho điện áp vào sẽ càng gần nhau Điều này, cùng với tổng trở đầuvào cao dđôi khi được xem là 2 nguyên tắc vàng của thiết kế mạch khuếch đại thuậttoán (đối với những mạch có hồi tiếp âm) đó là::

Không có dòng điện đi vào đầu vào

Điện áp ở 2 đầu vào phải gần bằng nhau

Có ngoại lệ là nếu điện áp ra cần thiết lại vượt quá nguồn điện cung cáp cho mạch,điện áp ra sẽ gần bằng với mức ngưỡng của nguồn cấp, VS+ hoặc VS−

Hầu hết các mạch khuếch đại thuật toán đơn, đôi hoặc bộ tứ đều có các thứ tự chân

ra theo tiêu chuẩn, cho phép có thể lắp thay đổi lẫn nhau mà không cần thay đổi sơ đồnối dây Một mạch khuếch đại thuật toán cụ thể sẽ được chọn theo độ lợi vòng hở,băng thông, hệ số tạp âm, tổng trở đầu vào, công suất tiêu tán hoặc phối hợp giữanhững chức năng đó,

2.10. Thiết kế bộ quan sát trạng thái theo yêu cầu chất lượng động

Trong tất cả các loại nguồn điện cung cấp cho ngành công nghiệp, thì nguồn mộtchiều cũng đóng một vai trò khá quan trọng Trong thời đại ngày nay vấn đề nănglượng trở nên cấp thiết, sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) đang được ưachuộng Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter, viết tắt là BC) là một hệ thốngphát điện sử dụng năng lượng tái tạo Cấu trúc của mạch BC vốn không phức tạp,nhưng vấn đề điều khiển BC nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và bảo đảm ổn địnhluôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu Việc “thiết kế bộ điều khiển DC-DCtăng áp bằng phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái” sẽ đạt được mục tiêu đó

u được xác định như một đầu vào điều khiển

g x

x C

Cấu trúc điều khiển bộ DC-DC tằng áp

- Gradient của tuyến tính hóa đầu ra được tính như sau

- Sơ đồ điều khiển cho đối tượng DC – DC bằng phương pháp tuyến tính hóa phảnhồi trạng thái như sau:

3.1. Mạch điều chỉnh dòng điện

DC-DC boost converter

Đặc tính dòng điện

3.2. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Đặc tính tốc độ:

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN.

Kết thúc bài tập lớn môn ĐIỀU KHIỂN SỐ nhóm chúng em nhận đề tài SỐ

10 Nhóm chúng em đã có cái nhìn tổng quát hơn về việc điều khiển bộ băm áp

DC-DC lưỡng cực nối tiếp với động cơ kích từ vĩnh cửu

Sau một thời gian được giao nhiệm vụ thiết kế đề tài trên , dưới sự dẫn dắt tận

tình của thầy QUÁCH ĐỨC CƯỜNG và những nỗ lực của bản thân nhóm đã hoàn

thành nhiệm vụ của mình Do thời gian có hạn ,chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế ,bài của chúng em không khó tránh khỏi được những thiếu sót ,rất kính mong thầy

và các bạn chỉ bảo thêm cho nhóm

Qua đây nhóm chúng em cũng có lời cảm ơn chân thành gửi đến thầy, chúc thầy luôn luôn mạnh khỏe và thành công trong công việc của mình