Bài báo này trình bày cách phân tích tổng hợp hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng điều khiển dùng bộ điều khiển PID. Kết quả của việc khảo sát và đánh giá thiết kế qua mô phỏng dùng Matlab -Simulink cho thấy được chất lượng thực trạng của hệ thống và hướng nâng cao chất lượng của hệ bằng cách đưa thêm vào bộ điều khiển mờ để điều khiển mạch kích từ của động cơ.
Trang 1ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ
TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG THIRISTOR-ĐỘNG CƠ
Nguyễn Thị Thu Hiền *
Trường ĐH CNTT&TT - Đại học Thái Nguyên
TÓM TẮT
Hiện nay các hệ thống truyền động một chiều kiểu Thiristor-Động cơ (T-Đ) đang được ứng dụng rộng rãi do chúng đảm bảo các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống và dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn đồng thời có tính bền vững cao Bài báo này trình bày cách phân tích tổng hợp hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng điều khiển dùng bộ điều khiển PID Kết quả của việc khảo sát và đánh giá thiết kế qua mô phỏng dùng Matlab -Simulink cho thấy được chất lượng thực trạng của hệ thống và hướng nâng cao chất lượng của hệ bằng cách đưa thêm vào bộ điều khiển
mờ để điều khiển mạch kích từ của động cơ
Từ khóa: Hệ thống truyền động một chiều kiểu T-Đ, tổng hợp hệ, mô phỏng, điều khiển mờ, mạch
vòng phản hồi
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay trong các hệ thống điều khiển đặc
biệt là các hệ điều khiển Rôbốt công suất lớn,
thì hệ truyền động một chiều kiểu T-Đ đang
ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì chúng
đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ
thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có
công suất lớn và tính bền vững cao Việc
phân tích và tổng hợp thành công các hệ
thống này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn
lớn vì đây là hệ thống cơ bản trên nhiều dây
truyền sản xuất cụ thể Trên cơ sở của việc
tổng hợp và mô phỏng với bộ điều khiển PID
kinh điển, việc phát triển phối hợp điều khiển
mờ để tạo ra bộ mờ lai (Hybrid Fuzzy) nhằm
nâng cao chất lượng hệ truyền động sẵn có là
hướng phát triển có nhiều tiềm năng
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP TRUYỀN
ĐỘNG.[1], [2], [3]
Đối với hệ truyền động T – Đ việc điều chỉnh
các thông số đầu vào hệ được thực hiện để thu
được các đặc tính đầu ra sao cho phù hợp với
yêu cầu của công nghệ Để điều chỉnh được
các thông số vào hệ thống thì động cơ thường
được thiết kế với hai mạch vòng phản hồi
trong nhằm để ổn định dòng điện kích từ,
mạch vòng phản hồi ngoài là mạch vòng phản
Tel: 0972208032, Email: nthienedu@gmail.com
hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ Ví dụ trong trường hợp trục cán làm việc ở chế độ cán có phụ tải nặng, mômen cản biến thiên liên tục, cần phải đảm bảo cho mômen động cơ đủ lớn thắng được mômen cản, hay nói cách khác với truyền động này cần ưu tiên đến mômen động cơ Khi tải biến thiên, hệ truyền động cần đưa thêm mạch vòng phản hồi dòng điện
- mạch vòng này gọi là mạch vòng bù dòng điện phần ứng Ở đây ta xét sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều khiển gồm có hai mạch vòng như trong hình 1
Hình 2 Sơ đồ hàm truyền đạt của hệ T - Đ một
chiều với hai mạch vòng điều khiển
Trong đó:
- T ω , T i là hệ số dòng điện và hệ số tốc độ động cơ;
- Ta: hằng số thời gian điện từ;
- Tc: hằng số thời gian cơ học
Trong sơ đồ này hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện là hai mạch vòng quen biết Quá trình tổng hợp hệ thống được thực hiện từ mạch vòng trong ra đến mạch vòng ngoài Kết quả tổng
Trang 2hợp mỗi mạch vòng sẽ chọn được bộ điều
chỉnh thích hợp
Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch sức điện
động như hình 3
Hình 3 Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện
Trong bài báo này tiến hành tổng hợp mạch
vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul
để tìm hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện
Ta có:
(1)
Trong đó: T đk : là hằng số thời gian của mạch
điều khiển
T i : là hệ số thời gian của sensơ dòng điện
T ư : là hệ số thời gian điện từ của mạch phần ứng
T v : là hệ số thời gian của động cơ điều khiển
K i : điện trở của sensơ
Thay: = Tđk +Tv +Ti <<Tư
(2)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu của môdul ta có
hàm truyền hệ kín:
2 2 σ
τ 2 1
1
P P
Mặt khác ta có theo hình 4 ta có:
i i
i i OMi
S P R
S P R P
F
σ
σ )
( 1
)
( )
(
(4)
i OMi i
OMi i
S F S
F P
R
σ
) (
(5)
(6)
(7)
Chọn min (Tư ,Tsi ) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) tính được như sau:
(8)
Ri(P) là khâu tỷ lệ – tích phân (PI)
Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như hình vẽ 4
Hình 4 Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ
Để tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta có thể tổng hợp theo phương pháp tối ưu modul hoặc phương pháp tối ưu đối xứng Trong bài báo này, áp dụng theo tiêu chuẩn tối
ưu modul để xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ :
) 1 (
sω
ω ω
T P P T C K
K R S
c u i
Với T =2 với rất nhỏ áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đul:
2 2 σ
σ 2τ τ 2 1
1
P P
F OM ω
(10) Mặt khác ta có:
ω ω ω
ω ω
)
(
o OM o
OM
S F S
F P
R
(11)
(12)
) 1 ).(
1 ).(
1 ).(
1
(
/ )
(
)
(
P T P T P T P T
R K K P
U
P
U
S
i U V
dk
i cl
dk
i
Oi
i
T
) 1 ).(
1 (
/ )
(
sP T P T
R K K P
S
U i
i cl
Oi
2 2 σ σ
2 2 σ σ
τ 2 τ 2 1
1 1
) 1 )(
1
(
/
τ 2 τ 2 1 1 )
(
P P T
p pT
R k k
P P P
R
u si
i cl
i
) τ 1 (
τ 2 ) 1 )(
1 (
/
1 )
(
σ σ 11
p p
T p pT
R k k P
R
u si
i cl i
)
1 1 ( 2
2
1 )
(
s si cl i u
u i
i cl
u i
T P K K T
T R R
T K K P
T P P
sω Tsi Tω Tsω
2 2 σ σ
s ω ω
2 2 σ σ ω
τ 2 τ 2 1
1 1
) 1 (
τ 2 τ 2 1 1
) (
P P T
P P T C K
K R
P P P
R
c u i
Trang 3(13) Chọn
Ta có :
sω ω ω
2
) (
T K R
T C K P
R i u c (14)
Vậy là khâu tỷ lệ :P
Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống
khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi IC
là nhiễu nữa
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng
tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
p
s s
s
d
1 2 1
1 1
2 2
1
1 )
(
)
(
2
(15)
MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Tính toán các thông số của hệ thống
Một số thông số cho trước
P đm : Công suất định mức của động cơ 1kW
U đm : Điện áp định mức của động cơ 220 V
n đm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1000 v/p
L ư :Điện cảm phần ứng 0, 0016 H
R ư :Điện trở phần ứng 2,42
T i : Hằng số thời gian của máy biến dòng 0,0025 s
T CL :Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu 0,003s
T đk :Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,00015s
: Hằng số thời gian của máy phát tốc 0,0015s :Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0,3s L:Chiều dài quãng đường cần di chuyển 110 m R:Bán kính trục truyền tải cuối cùng 0,35 cm
η đm :Hiệu suất định mức của động cơ 90%
T đk =100 s,T v = 2,5ms ,T i = 2ms ,T ư = 100ms
Mô phỏng hệ truyền động cán tinh bằng phần mềm Matlab [4]
Sau khi tính toán các thông số của hệ thống theo tiêu chuẩn tối ưu modul, tìm ra hàm truyền của các khâu hiệu chỉnh, tiến hành ghép nối các khâu lại với nhau và kiểm nghiệm lại hệ thống Sử dụng phần mềm Matlab -Simulink để tiến hành mô phỏng hệ thống truyền động T-Đ dùng bộ điều khiển PID (PD) Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như hình 5
Hình 5 Sơ đồ mô phỏng dùng Simulink cho hệ T-Đ
σ
s ω ω ω
τ 1 τ 2 ) 1 (
1 )
(
P P
T P P T
C
K
K R P
R
c u
i
sω
τ T
)
(P
R
T
T
Trang 4Hình 6 Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ Với Ta=0.103, Tc=1,3
(Trong đó: Ta - hằng số thời gian điện từ, và Tc - hằng số thời gian cơ học)
Hình 7 Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ với Ta=0.05, Tc=1.3
Hình 8 Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ với Ta=2, Tc=1
Kết quả mô phỏng
Trang 5Khi chạy chương trình mô phỏng ta được các
đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ như hình
bên
Từ các nhận xét trên ta thấy khi Ta và Tc thay
đổi thì đặc tính hệ thống bị thay đổi rất nhiều
Để đảm bảo các đặc tính tốc độ (t) và dòng điện
Ri(t) là đạt như mong muốn ta cần thay đổi các
tham số của bộ điều khiển
Trong thực tế khi tính toán các hệ truyền động
T-Đ, các thông số là Ta, Tc, Ku , J là những tham
số không đổi, nhưng thực tế các thông số đó là
thay đổi và phi tuyến vì vậy dẫn đến sự thay đổi
mô hình toán cũng như các đặc tính của hệ
Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể dùng
các phương pháp điều khiển hiện đại để nâng
cao chất lượng hệ thống
Từ kết quả mô phỏng chúngta cũng nhận thấy
ứng với trường hợp Ta=0.103, Tc=1,3 đặc tính
có dạng ứng với hệ thống có chất lượng tốt nhất,
làm việc ổn định nhất, dòng điện quá độ nhỏ
nhất
Đánh giá
Qua khảo sát ta có thể tính toán và mô phỏng hệ thống truyền động T-Đ chỉ dùng bộ điều khiển PID với các thông số cố định chúng ta nhận thấy:
Chất lượng động của hệ thống truyền động tương đối đảm bảo yêu cầu, tuy nhiên trong hệ thống có các thống số là phi tuyến mà hệ thống chỉ mô phỏng với hệ số của mạch kích từ cố định nên chất lượng của hệ thống chưa cao Để giải quyết vấn đề này ta có thế đưa thêm bộ điều khiển mờ vào để chỉnh định thông số của bộ điều khiển PID
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc
Hải, Dương Văn Nghi (2002), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [2].Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004), Cơ sở điều chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học và kỹ
thuật, Hà Nội
[3] Nguyễn Doãn Phước (2003), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội [4].Nguyễn Phùng Quang (2003) ,MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Khoa
học và kỹ thuật, Hà Nội
SUMMARY
ADJUSTING ELECTRICITY AND SPEED IN THIRISTOR-MOTOR POWER
TRANSMISSION SYSTEM
Nguyen Thi Thu Hien
College of Information and Communication Technology - TNU
At the moment, the one-way thiristor-motor power transmission systems (T-D) are being widely applied because they ensure to have static and dynamic targets of systems and are easy to perform large capacity and high sustainability transmission systems This paper presents the ways to analize generally T-D power transmission with 2 control loop circuits using PID controller The result of the survey and evaluating the design by simulation using Matlab-Simulink shows the real quality of the system and the way to improve it by adding the fuzzy controller to control the exciting circuit of motor
Key words: one-way thiristor-motor power transmission systems, general system, simulation, fuzzy controller,
feed back loop circuit
Tel: 0972208032, Email: nthienedu@gmail.com