THIẾT kế PID điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ một CHIỀU KÍCH từ

Bài 1: Mô phỏng, khảo sát đáp ứng tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo các thông số cho sẵn.. Nhận xét :- Đối với khi không tải và có tải thì lúc khởi động tốc độ động

KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC HUẾ

-*-*-*-*-*-THIẾT KẾ PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT

CHIỀU KÍCH TỪ

Họ và tên : Nguyễn Cửu Sửu

Mã SV : 20E1050032

Lớp : Kỹ thuật Điều Khiển & Tự động hóa

Bộ môn : Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính Giảng viên : Huỳnh Thị Thùy Linh

Bài 1: Mô phỏng, khảo sát đáp ứng tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo các thông số cho sẵn

Bảng 1.1 Mô hình tĩnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Bảng 1.2 Mô hình động của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Tốc độ động cơ

E(s)

 (s)

k kt

k kt

Hình 1.1 Sơ đồ khối mô hình động của động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thông kích từ độc lập

Câu 1 : Dựa trên mô hình động của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ( Bảng.1.2 ) xây

dựng mô hình mô phỏng trên Mathlab/Sumlinks với thông số như sau

- Công suất định mức : Pđm = 1492 (W)

- Điện áp định mức phần ứng : Uđm = 220 (V)

- Dòng điện định mức : Iđm = 8,5 (A)

- Điện cảm phần ứng : Lư = 12 (H)

- Điện trở phần ứng : Rư = 3 (Ω)

- Momen quán tính : J = 1,14 (Kg.m2)

Câu 2 : Khảo sát tốc độ động cơ ở chế độ không tải và có tải Rút ra nhận xét.

Các thông số cần tính toán khác :

- Sức điện động : E = Uđm – Rư Iđm (V)

- Tần số góc :  = (rad/s)

- Từ thông kích từ hệ số k : k kt =

- Momen tải : MT =

2.1.Nhập như số liều bài cho mà công thức tính các thông số khác vào cửa số Command

Window

2.2 Tại cửa sổ làm việc Matlab/simulinks , Nhấn Run để khảo sát tốc độ động cơ khi

không tải và có tải

2.3 Nhận xét :

- Đối với khi không tải và có tải thì lúc khởi động tốc độ động đều không ổn định trong khoảng 10s đầu tiền

- Nhưng sau 10s có sự khác biệt :

+Đối với không tải thì tốc độ động cơ không có thay đổi nhiều, tiến đến ổn định sau 30s

và giữ quyên tốc độ vượt định mức( hoạt động thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến độ bền của động cơ)

+ Đối với khi có tải, tốc độ động cơ có thay đổi tương đối, tiến đến ổn định sau 30s và giữ nguyên tốc độ định mức

Câu 3: Khảo sát dòng điện động cơ ở chế độ không tải và có tải Rút ra nhận xét.

3.1 Nhận xét

- Cũng như khảo sát với tốc độ động cơ, Dòng điện có tải và không tải đều không ổn định trong 10s đầu tiên

- Sau 10 giây có sự khác biệt

+ Đối với không tải thì dòng điện không có thay đổi nhiều và dao động với biến độ nhỏ + Đối với có tải thì có thay đổi tương đối, dần ổn định sau 30s và dao động với biên độ nhỏ quanh giá trị Iđm

Câu 4 : Tổng hợp các thông số đáp ứng tốc độ, dòng diện, momen của động cơ trên cùng

một đồ thị ở chế độ không tải Rút ra nhận xét

4.1 Thiết lập mô hình Matlab/Simulinks khảo sát các thông số đáp ứng khi không có tải

4.2 Nhấn Run trong cửa sổ làm việc của Matlab/Simulinks để cho ra các thông số đáp

ứng như sau

4.3 Nhận xét

- Tất cả giá trị đáp ứng đều dao dộng không ổn định khi động cơ khởi động, sau 30s các giá trị đó ổn định như đã khảo sát với tốc độ và dòng điện

Câu 5 : Tổng hợp các thông số đáp ứng tốc độ, dòng điện, momen của động cơ trên cùng

một đồ thị ở chế độ có tải Rút ra nhận xét

5.1 Thiết lập mô hình Matlab/Simulinks khảo sát các thông số đáp ứng khi có tải

5.2 Nhấn Run trong cửa sổ làm việc của Matlab/Simulinks để cho ra các thông số đáp

ứng như sau

5.3 Nhận xét

- Từ lúc khởi động các thông số biến thiên với biên độ lớn, tại giây thứ 20 có tác động của Momen tải , thì chúng dần ổn định với biên độ nhỏ quanh các đại lượng định mức trong suốt thời gian hoạt động còn lại của động cơ

Câu 6 : Khảo sát tốc độ động cơ ở các mức điện áp phần ứng khác nhau Rút ra nhận xét 6.1 Thay đổi mức điện áp phần ứng : 110V , 200V, 220V, 300V đã thu được biểu đồ

tương ứng với từng mức điện áp như sau

6.2 Nhận xét :

- Với các mức điện áp phần ứng khác nhau thì sẽ động cơ sẽ đạt những tốc độ khác nhau (kể cả lúc khởi động và ổn định)

- Tại mức điện áp thấp hơn nhiều so với điện áp định mức (220V) sẽ không đạt được đến tốc độ tối đa hay tận dụng hết công suất của động cơ

- Ngược lại, tại mức điện áp cao hơn nhiều so với điện áp định mức (300V) thì động cơ chạy với tốc độ vượt mức dễ , gây hỏng hóc cháy nổ

Câu 7: Khảo sát tốc độ động cơ ở các mức Điện trở phần ứng khác nhau Rút ra nhận xét 7.1 Thay đổi đại lượng điện trở phần ứng : 0.5 Ω, 3 Ω, 5 Ω, 10 Ω đã thu được biểu đồ

tương ứng với từng điện trở như sau

7.2 Nhận xét

- Với các giá trị điện trở phần ứng khác nhau thì sẽ động cơ sẽ đạt những tốc độ khác nhau (kể cả lúc khởi động và ổn định)

- Với giá trị điện trở rất nhỏ, động hoạt động không ổn định, tốc độ thay đổi liên tục với

biên độ lớn và luôn hoạt động ở chế độ vượt hạn

- Ngược lại, với giá trị điện trở tăng dần thì tốc độ quay của động cơ giảm dần đến giác trị nđm và tiếp túc giảm nếu giá trị điện trở vẫn tăng

Câu 8 : Tính toán các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống, bao gồm : độ vọt lố, thời gian xác

lập, sai số xác lập

+ Độ vọt lố : POT% = x 100 = x 100 = 26,8%

+ Thời gian xác lập : txl = 10s

+ Sai số xác lập :

Bài 2: Thiết kế và mô phỏng bộ PID điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích

từ độc lập thỏa mãn yêu cầu chất lượng như sau:

- Chỉ tiêu 1: Độ vọt lốt không quá 18%

- Chỉ tiêu 2: Thời gian xác lập không quá 16s

- Chỉ tiêu 3: Sai số xác lập không quá 0,7

- Chỉ tiêu 4: Không có lỗi ở trạng thái xác lập.

Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Zeigler – Nichols thứ hai áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ, tốc độ động cơ… Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông r(t)

số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín như hình 2.1 Tăng dần hệ số khuếch đại K của hệ kín ở hình 2.1 đến giá trị giới hạn Kgh, khi đó đáp ứng ra của hệ kín

ở trạng thái xác lập dao động ổn định với chu kỳ Tgh

Bảng 2.1 Các tham số PID theo phương pháp Zeigler – Nichols thứ hai

Câu hỏi 1: Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Zeigler – Nichols thứ 2.

1.1 Các bước thực hiện như sau :

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng khâu khuếch đại

- Tăng hệ số khuếch đại K tới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là c(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tgh của dao động

1.2 Thiết lập mô hình trên cửa sổ làm việc của Matlab/simulinks

c(t)

BĐK

Thông số

1.3 Thay đổi các giá trị K, ta thu được Đáp ứng nấc của hệ kín khi K thay đổi

Theo dữ liệu thu được , ta có Kgh = 30 ; Tgh = 2s

Chọn thông số bộ điều khiển PID theo phương pháp Zeigler – Nichols :

Kp = 0,6 Kgh = 0,6 x 30 = 18

TI = 0,5 Tgh = 0,5 x 2 = 1s

TD = 0,125 Tgh = 0,125 x 2 = 0,25

Do đó GPID(s) = Kp(1 + +TDs) = 18 (1 + + 0,25s)

Câu 2: Tính toán các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống sau khi đặt bộ PID, bao gồm: độ

vọt lố, thời gian xác lập, sai số xác lập

2.1 Thay thế khâu khuếch đại trong hệ kín bằng bộ điều khiển PID dựa vào các thông số

trên

2.2 Nhấn Run trong cửa sổ làm việc Matlab/Simulinks a thu đươc Đáp ứng nấc của hệ

thông khi có bộ điều khiển PID

+ Độ vọt lố : POT% = x 100 = x 100 = 40%

+ Thời gian xác lập : txl = 20s

+ Sai số xác lập : e

Câu 3: Hiệu chỉnh bộ PID điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thỏa

mãn yêu cầu chất lượng như sau:

- Chỉ tiêu 1: Độ vọt lốt không quá 18%

- Chỉ tiêu 2: Thời gian xác lập không quá 16s

- Chỉ tiêu 3: Sai số xác lập không quá 0,7

- Chỉ tiêu 4: Không có lỗi ở trạng thái xác lập

+ Sau khi điều chỉnh bộ điều khiển PID

Câu hỏi 4: Vẽ đáp ứng tốc độ động cơ trước và sau khi đặt bộ PID có hiệu chỉnh trên

cùng một đồ thị Rút ra nhận xét