Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ TRANG NHUNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KH

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ TRANG NHUNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG

DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2017

2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Trang Nhung

Sinh ngày: 23 tháng 02 năm 1990

Học viên lớp CHK17 – 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

Nguyễn Thị Trang Nhung

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ hội đồng bảo vệ, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Trang Nhung

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG

1.2.1.1 Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí 14 1.2.1.2 Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính 15 1.2.1.3 Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17 1.2.1.4 Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế 19 1.2.2 Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám 20 1.2.2.1 Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t) 21

1.3 Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh hướng van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện 24 1.3.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện 24 1.3.1.1 Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 25

5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ

2.2 Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC 31

2.2.1.2 Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian 32 2.2.1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC 39 2.2.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ

2.4 Mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng van và sự ổn định của nó 52

2.4.3 Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động van

2.4.3.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ

2.4.3.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính 54

6

CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY

3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững 65 3.1.5 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững 70 3.1.6 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt 71 3.2 Xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí 72 3.2.1 Các bước xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí 72 3.2.2 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO

79 PHỤ LỤC

80

PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân

CPU: Bộ xử lý trung tâm

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 động cơ ĐB_KTVC

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

T u: Hằng số thời gian điện từ của động cơ

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

Hình 1.5 Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17 Hình 1.6 Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 18 Hình 1.7 Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t) 21 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù nhiễu 22 Hình 1.10 Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn 23 Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 24

Hình 1.13 Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng 28 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 31

Hình 2.4 Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha 34 Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα và isβ Thuộc hệ tọa độ Stator cố định 35 Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ 36 Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor, còn gọi

Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động biến tần

Hình 2.18: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 50

Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí truyến tính 52 Hình 2.21 Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng vị trí 53 Hình 2.22: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 55

Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 75

10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Điều khiển chuyển động vị trí có một ý nghĩa rất quan trọng đối với máy sản xuất Chất lượng náy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển chuyển dộng của các máy sản xuất này Trong thực tế thường gặp rất nhiều sự điều khiển chuyển động vị trí máy sản xuất, ví dụ như: điều khiển chuyển động máy rô bốt, điều khiển chuyển động bàn máy CNC, điều khiển chuyển động các van công nghiệp Để nâng cao chất lượng máy sản xuất thì người ta thường nghiên cứu các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ chuyển động này Đặc biệt, các chuyển động vị trí của các máy sản xuất thường là các khâu phi tuyến Cho nên việc tìm ra các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển dộng vị trí có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học và thực tiễn

Với cách đặt vấn đề trên, đề tài luận văn được chọn: ”Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong

hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện”.Việc nghiên cứu và giải quyết

thành công vấn đề mà đề tài nêu ra là một yêu cầu rất cần thiết, vừa phục vụ học tập giảng dạy, vừa phục vụ thực tiễn sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hoản chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí để từ đó xây dựng một sơ đồ điều khiển vị trí cho máy sản xuất thích hợp Để khảo sát và đánh giá sơ bộ chất lượng thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển vị trí là tuyến tính

Từ đó nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp, như là điều khiển mờ, mờ thích nghi, mờ trượt để chọn một phương pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động này với kết quả tính toán mô phỏng bằng lý thuyết

3 Dự kiến các kết quả đạt được

- Nghiên cứu hoàn chỉnh về lý thuyết điều khiển vị trí phục vụ cho hệ điều khiển chuyển động Đồng thời nghiên cứu các bộ điều khiển thông minh (phi tuyến) để nâng cao chất lượng hệ

- Chọn phương pháp tính toán và tổng hợp hệ đúng đắn nhằm đảm bảo tính chính xác các thông số của các khâu, các khối và các bộ điều chỉnh Trên cơ

4 Nội dung luận văn

Chương 1: Tổng quan về điều khiển vị trí ứng dụng điều khiển máy sản xuất Chương 2: Tính toán khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí ứng dụng cho hệ điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện

Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng cho hệ điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện

12

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG

ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT

1.1 Ý nghĩa của điều khiển vị trí

Chất lượng sản phẩm được gia công trên máy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào chuyển động của các máy sản xuất Các chuyển động này có độ chuyển động chính xác cao thì sản xuất ra chất lượng sản phẩm càng tốt Các chuyển động của máy có độ chính xác cao được đánh giá theo các tiêu chí sau: sai lệch tĩnh nhỏ từ 3% - 5%, thời gian quá độ nhỏ (như thời gian khởi động, hãm dừng máy, ), độ quá điều chỉnh nhỏ Các chỉ tiêu này được đánh giá theo các tiêu chuẩn

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

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

- Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)

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

Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân sau đây

t e

t



T dt t e

0

2

) (

Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)

Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ bậc hai Một hệ thống được thiết kế tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém

ổn định Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực tiểu hoá tiêu thụ năng lượng

 Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt

đối của sai lệch (ITAE)

Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây



0

) ( e t dt

t (1-2)

Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh Việc tính toán bằng

0,2

5 10 n t

Hình 1.2.Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt

đối của sai lệch (ITAE)

 Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm

sai lệch (ITSE)

Trong tính toán thiết kế người ta còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của

tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)

Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE

Những máy công cụ trước đây để đảm bảo độ chính xác các chuyển động máy sản xuất thì người ta chỉ giải quyết được độ chính xác của hệ truyền động điện Nhưng độ chính xác của máy sản xuất thì ngoài đảm bảo độ ổn định cao của hệ truyền động điện thì các chuyển động trên máy sản xuất phụ thuộc sự biến đổi của thông số máy sản xuất, ví dụ sự thay đổi thông số của hộp số biến đổi tốc độ, thay đổi thông số trong quá trình gia công như tải trọng thay đổi, mô men cắt gọt thay đổi Như vậy với việc ổn định hệ truyền động điện thì chưa đảm bảo được độ chính xác của các chuyển động trên may sản xuất Vậy muốn đảm bảo độ chính xác của các chuyển động của máy sản xuất thì cần thiết kế,

15

tính toán và khảo sát tốt mạch vòng phản hồi vị trí Với những nhận xét về các đối tượng chuyển động ở trên ta thấy rằng nếu các đối tượng này trong quá trình làm việc không thay đổi thông số, không chịu tác động của nhiễu hay nói cách khác đối tượng này trong quá trình làm việc là tuyến tính thì mạch vòng vị trí được thiết kế với bộ điều khiển vị trí là tuyến tính, cụ thể thường dùng bộ điều khiển tuyến tính là PID Nhưng đối tượng máy sản xuất trong quá trình làm việc

có thông số thay đổi, chịu tác động của nhiễu thì mạch vòng điều khiển vị trí với

bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển phi tuyến Trong trường hợp đối tượng điều khiển phi tuyến ít, ví dụ chỉ thông số hộp giảm tốc thay đổi thì việc thiết kế mạch vòng điều khiển vị trí bước đầu tiên là chọn sơ bộ bằng bộ điều khiển PID tuyến tính Sau khi đánh giá chất lượng các chuyên động ta có thể bù các sai số này bằng những bộ điều khiển phi tuyến Việc thiết kế cho phương pháp này dễ dàng và thực tế người ta hay dùng nhằm nâng cao chất lượng của

hệ Từ những lý luận trên ta thấy điều khiển vị trí có trong chuyển động của máy sản xuất

1.2 Một số vấn đề trong điều khiển vị trí

1.2.1 Hệ điều khiển vị trí tuyến tính

1.2.1.1 Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí

Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, Tuỳ thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm kW

Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt w) có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ Thông thường lượng điều khiển

Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính xác tĩnh nẵm trong giới hạn cho phép

1.2.1.2 Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính

Trong phần I.2.1.1, ta nói hệ điều khiển là tuyến tính nhưng quan hệ giữa tốc độ góc của khối 2 và lượng ra là tốc độ dài khối 3 sẽ là quan hệ phi tuyến Quan hệ này được xem xét sau đây:

Ta xét quá trình hãm: Khi bắt đầu hãm, tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau, nghĩa là:

 - vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm

Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức:

h h

1

h h

h h

PD với hệ số khuếch đại  constnhưng quan hệ tĩnh   f(   ) trong quá trình

hãm (công thức 2-4) được thể hiện trên hình 2.1

Như vậy khi   càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R càng lớn

để đạt được tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu

cầu

18

Ta thấy hệ   f(   )là phi tuyến và việc chọn Rchỉ chứa hệ số khuếch đại  constlà không hợp lý Để bù sai lệch cho hệ phi tuyến này ta có thể dùng bộ điều khiển phi tuyến như mờ, mờ thích nghi, mờ trượt, hoặc kết hợp

bộ điều khiển tuyến tính để nâng cao chất lượng của hệ

1.2.1.3 Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian với thiết bị tương tự (analog)

Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng thái ổn định khác Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp cao

Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp

mô đun tối ưu hoặc mô đun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân Như vậy quỹ đạo pha của nó là parabol và cấu trúc của hệ như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

Phương trình đối với tốc độ và vị trí là:

  C m axt (2-6)

  C t2 o

m ax

21

o là vị trí ban đầu Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2-6)

  2   Sign (   )

J

19

Ở đây d Cdientu là mô men hãm Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí

ở đây là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế lượng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch Tùy theo sai lệch vị trí mà bộ điều chỉnh sẽ đưa lệnh hãm Mô men điện từ của động cơ được tính bằng:

) (

Hình 1.7 Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều chỉnh

vị trí tối ưu theo thời gian

1.2.1.4 Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế

Khi nghiên cứu hệ điều chỉnh vị trí chúng ta đều dùng giả thiết không tính đến ảnh hưởng nhiễu loạn cvà ta có d  đt, thực tế điều đó không thực hiện được, chính nhiễu loạn này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động của hệ

a) Nếu như ta đặt d  đt thì mômen hãm sẽ lớn hơn thực tế cần có

21

Truyền động sẽ hãm tại thời điểm muộn hơn rất nhiều và với mômen điện từ nhỏ Cho nên tốt hơn ta chọn d  đt tức là hệ được điều chỉnh với mômen hãm nhỏ hơn thực tế cần có Hãm sẽ xảy ra sớm hơn Điều này dẫn đến dao động mômen ở hai giá trị  đt, như vậy sẽ làm thay đổi cực tính của sai lệch tốc độ    w , những dao động này xảy ra trong thời gian ngắn gây nên hiện tượng giật trong phần cơ truyền động Vì vậy ta phải chọn bộ điều chỉnh tốc

độ Rlà ba vị trí thay cho hai vị trí, cụ thể là một khâu tỷ lệ có hạn chế Nhưng đối với bộ điều chỉnh R như vậy thì giá trị của mômen sẽ biến thiên liên tục trong giới hạn (  dt,  dt), kết quả là thời gian hãm trong trường hợp d  đt

sẽ lớn hơn so với thời gian hãm tối ưu

b) Khi hãm với mômen điện từ cực đại có thể làm cho bộ điều chỉnh bão hòa khi sai lệch tốc độ    w  nhỏ bằng cách chọn hệ số khuếch đại tỷ lệ của bộ điều chỉnh lớn lên Điều này sẽ làm cho đặc tính quá độ của hệ ở thời điểm kết thúc quá trình bị dao động Để dập tắt dao động này phải chỉnh định hệ

số khuếch đại của hệ điều chỉnh tốc độ và dòng điện

c) Có sự sai lệch giữa hệ thực tế với lý thuyết là ở phần hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh vị trí Thực tế hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh R là hữu hạn, nhưng về lý thuyết quĩ đạo pha parabol lại cần có hệ số khuếch đại ở tọa độ đầu là vô cùng

d) Ngoài ra trong điều chỉnh vị trí cần phải nghiên cứu cả ảnh hưởng phần cơ truyền động Thực tế tồn tại thành phần mômen ma sát khô Thành phần này gây quán tính chậm trễ quá trình động, đặc biệt chú ý ở cuối quá trình hãm phải đảm bảo dt  ms thi không gây dao động

1.2.2 Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám

Yêu cầu hệ truyền động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám là: đảm bảo cơ cấu dịch chuyển bám theo đại lượng điều khiển với sai lệch không vượt quá giá trị cho phép Thông thường trong chế độ bám, đại lượng điều khiển biến thiên theo hàm điều hòa hoặc theo luật tùy ý không biết trước

22

Trong hệ truyền động này, ta phải quan tâm tới sai lệch  , nó quyết định tới độ chính xác Có hai yếu tố chính ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ

- Quan hệ giữa đại lượng điều khiển w và cấu trúc của hệ

- Ảnh hưởng nhiễu loạn lên đại lượng  

Để giảm ảnh hưởng của nhiễu và tăng độ chính xác người ta thường dùng các phương pháp sau:

- Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào

- Phương pháp bù nhiễu

1.2.2.1 Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t)

Sơ đồ điều khiển vị trí dùng phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào như hình 1.8

W B ( p)

U(p) Y(p)

W1(p) W2(p)

(-)

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t)

Trong đó W B ( p)là hàm truyền khâu bù

Hàm truyền của hệ thống:

) ( ).

( 1

) ( )].

( )

( [ ) (

) ( ) (

2 1

2 1

p W p W

p

W p

W p W p

U

p Y p

23

)(

1)(

W p

W B  (2-10)

Nếu thực hiện được đẳng thức (2-10), hệ thức sẽ khử được sai lệch hệ thống vì y(t)=u(t), đạt giá trị mong muốn

1.2.2.2 Phương pháp bù nhiễu

 Khái niệm về nhiễu: Các biến tác động vào quá trình khác với lượng vào

quá trình điều khiển chuyển động, có ảnh hưởng tới lượng ra của quá trình được gọi là nhiễu, ví dụ như: mômen cản dao động hay tác động ngoại sinh, áp suất

ma sát thay đổi Các bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ nhiễu hoặc bổ sung những thay đổi điểm đặt

Sơ đồ có nhiễu f(t) tác động Ta mong muốn tín hiệu ra chịu ảnh hưởng của f(t) ít nhất Trong trường hợp f(t)0 mà y(t) không hề phụ thuộc vào f(t), ta nói rằng hệ thống bất biến với nhiễu

Cho hệ thống (hình 1.9), từ nhiễu f(t) ta đưa thêm khâu bù có hàm truyền )

()

(1

)()

()

(

3 2

1

2

p W p W p W

p W p W p

Y u



 yu(t ) khi có f(t)0 và u(t) = 0:

24

)()

()

(1

)()]

()

(1[)(

3 2

1

2

p W p W p W

p W p W p W p

( ).

( 1

) ( )].

( ).

( 1 [ ) ( ) ( ).

( ).

( 1

) ( ).

( )

(

3 2

1

2 1

3 2

1

2

p W p W p W

p W p W p W p

U p W p W p W

p W p W p

1)

(

W p

W B  (2-15)

Đối với hệ vô sai với tác động phụ tải khi phụ tải biến thiên nhảy cấp Thực tế phụ tải biến đổi là hãm không xác định được trước Vì vậy biện pháp để khác phục ảnh hưởng của nhiễu loạn phụ tải là dùng cấu trúc bất biến đối với nhiễu loạn phụ tải

 : Hàm số truyền của máy phát tốc

I.3 Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh hướng

van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

I.3.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện

Hệ thống điều khiển gió là một hệ thống rất quan trọng ảnh hưởng trực

tiếp tới chất lượng hoạt động và hiệu suất của lò hơi Trông hệ thống điều khiển

khói gió nói chung thì gió vào được điều khiển khá độc lập, tín hiệu điều khiển

chỉ phụ thuộc chính vào yêu cầu về nhiên liệu Việc điều khiển lưu lượng gió

vào được thực hiện bằng cách điều khiển tốc độ quạt hút ổn định và độ mở cánh

hướng van bằng các cách sau:

 Giữ nguyên tốc độ quạt hút và điều khiển độ mở cánh hướng van

 Giữ độ mở cánh hướng van có độ mở cực đại rồi điều khiển tốc độ quạt hút

 Điều khiển cả tốc độ quạt và độ mở cánh hướng của van

Trong ba cách điều khiển trên, cách điều khiển giữ nguyên tốc độ quạt hút và

điều khiển độ mở cánh hướng van được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống

điều khiển khói gió hiện nay

Điều khiển bằng tay

Động cơ và cơ cấu chuyển đổi

X

f(x) Tín hiệu đặt

26

1.3.1.1 Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van

 Van điều khiển

Phần lớn van điều khiển công nghiệp được cấp nguồn khí nén, song một

số nguồn năng lượng khác như điện, điện từ hoặc thủy lực cũng có thể được sử dụng Ta có thể phân loại van dựa theo cơ chế truyền động như sau:

 Van khí nén: Loại phổ biến nhất, truyền động khí nén sử dụng màng

chắn/lò xo hoặc piston Tín hiệu đầu vào có thể là khí nén, dòng điện hoặc tín hiệu số (bus trường) Nếu tín hiệu điều khiển là dòng điện, ta cần bộ chuyển đổi dòng điện – khí nén (I/P) tích hợp bên trong hoặc tách riêng

bên ngoài

 Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước,

được điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển, thông thường là dòng điện tương tự 4-20 mA hoặc tín hiệu số Van điện được sử

dụng trong những ứng dụng công suất nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao

 Van thủy lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng

chắn hoặc piston, bơm dầu được điều khiển bởi tín hiệu ra từ bộ điều

khiển Van thủy lực được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn

 Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu và độ chính xác kém, chỉ phù hợp với các bài toán đơn giản

Van thủy lực Van khí nén Van điện

Cơ cấu điều khiển van cánh hướng thường sử dụng hệ thống khí nén hoặc

hệ thống điện Trong luận văn này, van điều khiển được sử dụng là van điều

27

khiển điện Điều khiển van cánh hướng sử dụng động cơ điện linh hoạt hơn trong điều khiển vị trí vì có thể dừng bất cứ vị trí nào bằng cách điều khiền nguồn cấp cho động cơ Ngoài ra, sử dụng hệ thống điều khiển cánh hướng dùng động cơ điện cũng thuận lợi hơn nhiều trong việc phối hợp cùng với các hệ thống điều khiển khác trong hệ thống (Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van)

 Nguyên lý làm việc của van

Với mỗi một độ mở cánh hướng của van điều chỉnh được lưu lượng khói gió đi qua Cánh hướng gồm hai nửa liên kết với nhau bởi một bản lề ở chính giữa, nên có thể quay đến gần o

90 Khi góc mở của cánh hướng giảm đi thì lưu lượng gió qua nó sẽ giảm và ngược lại, ứng với mỗi góc mở như vậy thì gây ra một trở lực chắn chống lại sự lưu thông của gió Trở lực chắn này sẽ làm giảm

áp suất của dòng khói gió Để đóng mở van ta điều chỉnh trong phạm vi từ 0 ÷

Gió

28

Khi hệ gồm nhiều van cánh hướng, các cánh hướng được điều chỉnh có cùng hướng quay và cùng độ mở Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng và độ mở van cánh hướng tuyến tính hơn so với trường hợp sử dụng một van cánh hướng đơn

Để điều khiển lưu lượng khói gió đặc tính mong muốn của quan hệ giữa lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển là tuyến tính Một phương pháp đơn giản là sử dụng cơ cấu điều khiển cánh hướng của van dựa vào khớp nối và góc quay gọi là hệ thống liên kết góc quay Góc quay của cánh hướng van khi đó phụ thuộc góc quay và kích thước của liên kết khớp nối của cơ cấu

Quan hệ giữa lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển góc mở cánh hướng có thể là tuyến tính bằng cách thiết kế cơ cấu điều khiển và tín hiệu điều khiển góc mở là tuyến tính Với cách này đặc tính phi tuyến của lưu lượng qua van cộng với đặc tính phi tuyến của vị trí cơ cấu điều khiển làm cho đặc tính điều khiển của hệ là phi tuyến, góc quay của cánh hướng tỉ lệ thuận với độ lớn tín hiệu điều khiển

% Lưu lượng khối gió 100%

29

Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất trung bình Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất là lớn Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất là nhỏ

Hình 1.13 Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng

 Kết luận: Quá trình điều khiển van còn phụ thuộc lực cản (áp lực) trong

bình hệ thống Để khảo sát đơn giản, trong quá trình làm việc ta giả thiết bỏ qua lực cản (áp lực) trong bình

 Động cơ và cơ cấu chuyển đổi

- Hệ truyền động của động cơ phải ổn định tốc độ và thỏa mãn yêu cầu truyền động cho van Có như vậy mới đảm bảo mạch vòng vị trí là ổn định

- Cơ cấu chuyển đổi: từ tốc độ góc chuyển đổi sang tốc độ dài Trong hệ thống này dùng bánh vít (trục vít) thông qua một hộp chuyển đổi tốc độ

 Phản hồi vị trí cánh hướng f(x)

Phản hồi vị trí cánh hướng là một sensor đo vị trí Một số loại sensor thông dụng dùng để xác định vị trí như sensor điện thế kế điện trở, sensor điện cảm, sensor điện dung, sensor quang, sensor dùng sóng đàn hồi…

 Sensor điện thế kế điện trở: Loại sensor này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu

đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có bụi và ẩm Điện thế kế điện trở gồm điện thế kế dùng con chạy cơ học và điện thế kế không dùng con chạy cơ học

 Sensor điện cảm: Sensor điện cảm là nhóm các sensor làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo Sensor điện cảm được chia ra: cảm biến điện cảm và hỗ cảm

 Sensor điện dung: được chia làm hai loại: sensor tụ điện đơn và sensor tụ

kép vi sai

 Sensor quang: các sensor đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp

quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang

30

(thường là tế bào quuang điện) Tùy theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo), các sensor được chia ra: sensor quang phản xạ và sensor quang soi thấu

 Bộ điều khiển vị trí

Nhiệm vụ của bộ điều khiển: trong mạch vòng phản hồi vị trí, khi ta chọn

bộ điều khiển thích hợp mạch vòng sẽ được ổn định

hướng van nhất định, tức là lượng khí vào điều khiển đi qua van là nhất định

Tín hiệu phản hồi f(x): Phản hồi vị trí cánh hướng là một sensor vị trí để

đo độ mở của cánh hướng van, đưa về so sánh với tín hiệu đặt *



U để đưa vào bộ điều khiển tạo ra một mạch vòng vị trí

1.3.1.2 Phân tích và chọn hệ truyền động

Như trên đã đề cập, hệ truyền động của động cơ phải ổn định tốc độ và thỏa mãn yêu cầu truyền động cho van, cụ thể là:

 Các yêu cầu truyền động cho van:

- Công suất không lớn lắm xấp xỉ 0,5 ÷ 1 kW

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

Hai hệ này đều thỏa mãn các yêu cầu trên nhưng hệ thống T – Đ thường

31

là công suất lớn, mạch điều khiển phức tạp hơn so với hệ xung điện áp động cơ một chiều Như vậy, nếu dùng hệ truyền động động cơ điện một chiều thì hệ xung điện áp động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm hơn, cụ thể là: sơ đồ mạch đơn giản, dễ điều khiển, giá thành hợp lý, công suất từ nhỏ đến lớn

b) Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều:

Với hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ta có hai hệ truyền động sau:

- Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha rôto ngắn mạch

- Hệ truyền động biến tần động cơ điện đồng bộ - kích từ vĩnh cửu (Hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB - KTVC)

Đây là hai hệ điều khiển mới có nhiều ưu điểm và nó hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu truyền động này, nhưng hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC làn việc an toàn, chắc chắn, có công suất thích hợp (nhỏ và vừa) để truyền động cho hệ truyền động van Đồng thời, đây là một hệ thống mới đang được nghiên cứu và ứng dụng

Qua việc phân tích bốn hệ truyền động trên, trong luận văn này sẽ chọn hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC để truyền động cho điều khiển

độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện

Kết luận:

Thông qua nội dung trình bày trong chương 1 cho ta thấy tổng quan về điều khiển vị trí, khả năng ứng dụng của nó trong điều khiển máy sản xuất Đồng thời cho thấy việc ứng dụng của nó trong điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện Cũng từ đó đưa ra được sơ đồ điều khiển ứng

dụng của nó (Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van) và phân tích hệ thống truyền động là hệ truyền động biến tần động cơ điện

ĐB – KTVC

Tiếp theo luận văn sẽ trình bày các bước tính toán và khảo sát hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

32

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ MỞ CÁNH HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.1 Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí

Từ sơ đồ hình 1.8 ứng dụng để điều khiển chuyển động van cánh hướng được xác định cụ thể như sau:

2.2 Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC

2.2.1 Động cơ điện ĐB – KTVC

2.2.1.1 Nguyên lý làm việc

Động cơ điện ĐB - KTVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ

trường quay của cuộn stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau (chế độ đồng bộ) thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực tù của stator và rotor và hình thành momen điện từ Động cơ khởi động dưới tác dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator Khi đạt tới vận tốc gần đồng

bộ, nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor



R

Hệ truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC

33

được kéo vào đồng bộ

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ Chỉ

số năng lượng (cosφ, η) cao hơn, trọng lượng và kích thước của máy bé hơn khi

có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn

2.2.1.2 Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian

* Xây dựng vector không gian

Đông cơ xoay chiều ba pha – Dù là động cơ đồng bộ hay động cơ không đồng bộ – đều có ba cuộn dây stator vớidòng điện ba pha, bố trí không gian như hình vẽ:

Pha U Pha V Pha W

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

isu(t)+isv(t) + isw(t) = 0 (2.1) trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau đây:

isu(t)= is|cos(wst) (2.2a)

isv(t)=is|cos(wst + 1200) (2.2b)

isw(t)= is|cos(wst + 0

240 ) (2.2c)

34

Một cách lý tưởng thì ba cuộn dây của ĐCXCBP đặt lệch nhau một góc

1200 trên mặt cắt ngang Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể dựng vector không gian sau đây:

  0   120   240

w

2 ( ) 3

(2.3)

Theo công thức (2.3), vector i-s(t) là vector có mU dudul không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ ωs và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một góc γ = ωs(t) (fs là tần số mạch Stator) Việc xây dựng vector i t s được mô tả như sau:

Hình 2.4 Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha

Qua hình 2.4 ta thấy rằng các dòng điện pha chính là hình chiếu của vector mới thu được lên trục cuộn dây pha đó Đối với các đại lượng khác của động cơ điện áp Stator, dòng Rotor, từ thông Stator hoặc Rotor ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện kể trên Ta đặt tên cho trục thực của mặt phẳng nói trên là α và trục ảo là β Ta hãy quan sát hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó Hình chiếu hai trục đó

được đặt tên là i sα và i sβ

Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với

các phần tử isα và isβ Thuộc hệ tọa độ Stator cố định

Hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin Ta có thể hình dung ra một động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho ba cuộn dây u,v,w Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3 cuộn dây Stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện Stator là ta đã

có đầy đủ thông tin về vector i s (t) với các thành phần trong công thức (2.2)

Công thức (2.2) chỉ dùng khi trục cuộn dây pha u được chọn làm trục quy chiếu chuẩn như trong hình 2.5 Điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều khiển điều chỉnh sau này:

isα = isu

isβ = 1 ( isu + 2isv) (2.4)

3 Tương tự đối với vector dòng Stator các vector điện áp Stator, dòng Rotor,

từ thông Stator và Rotor đều được biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ tọa độ Stator:

36

*

*

* Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian

Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng vector trên hệ tọa độ Stator cố định về quan sát trên hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông Stator

Xét hệ tọa độ tổng quát xy và hình dung có một hệ tọa độ khác x*y* có chung điểm gốc nằm lệch đi một góc * so với hệ xy

Quan sát một góc V bất kỳ ta thu được:

V* = (x cos * + y sin *) + j(x sin *+ y cos *) (2.9a)

= (x +jy) (cos * - j sin **) = Vxy e (2.9b)

= d * / dt Trong trường hợp đó hệ tọa độ x*y* là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ góc  * xung quanh điểm gốc của hệ tọa độ xy

Bây giờ giả sử ta quan sát động cơ xoay chiều ba pha đang quay với tốc

độ góc  =d  / dt, trong đó  là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đi qua trục cuộn dây pha u) Ta mô tả vector dòng Stator is và vector từ thông Rotor  r với modul và góc pha ngẫu nhiên Vector từ thông quay với tốc độ góc  s =

2fs = ds /dt Trong đó fs là tần số mạch điện Stator

Ta thấy ở hình dưới đây sự chênh lệch giữa  vàs sẽ tạo nên dòng Ro- tor với tần số fs, dòng đó cũng được biểu diễn dưới dạng vector i r quay với tốc

độ góc s = 2fs

Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ

từ thông Rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq

Lsdq R

s

f

s j p

Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC

Từ sơ đồ thay thế ta viết được các phương trình sau:

- Phương trình điện áp Stator

+ Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực

+ Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực

Khi chúng ta chọn động cơ ĐB_KTVC nếu là cực ẩn thì có L sd ≈ L sq vậy mô

men của động cơ còn lại là:

3 2

(2.16)

2.2.1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC

a) Cấu trúc điều khiển dưới tốc độ định mức

Cấu trúc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ cưc ẩn là điều khiển véc tơ trên

hệ tọa độ d-q, trong đó trục d trùng với trục nam châm Do vậy điều khiển véc tơ động cơ đồng bộ tương tự như điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ, định hướng theo trường rô to

Để điều khiển momen tương tự như động cơ một chiều, ta có chọn điều khiển dòng Isd = 0.Mặt khác động cơ đồng bộ có khe hở không khí tương đối lớn,

do đó điện cảm stato là nhỏ và thành phần từ thông phản ứng phần ứng là nhỏ nên

.

a L I s s

  nên có thể bỏ qua

b) Chế độ giảm từ thông của động cơ đồng bộ cực ẩn kích từ nam châm vĩnh cửu

Tốc độ của động cơ đồng bộ có thể được điều khiển cả bên ngoài vùng tốc

độ cơ bản bằng cách giảm từ thông kích thích Đối với động cơ kích từ bằng nam châm điện, để giảm từ thông, đơn giản chỉ cần giảm dòng điện kích từ tương ứng Đối với động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, thì cần phải tạo ra một thành phần của từ thông phản ứng phần ứng aq theo hướng khử từ của nam châm vĩnh

cửu

Hình 2.10 Đồ thị vectơ của SPM với điều khiển giảm từ thông

dòng stato không đổi