Thiết kế bộ điều khiển pid thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi

Nhưng vì các hệ số của bộ ñiều khiển PID chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp vớ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số : 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2010

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hoàng Mai

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hồng Anh

Phản biện 2: TS Trần Đình Khôi Quốc

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 15 tháng 01 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Đối với các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, do cấu trúc ñơn giản

và bền vững nên các bộ ñiều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, ñạo hàm) ñược dùng phổ biến trong các hệ ñiều khiển công nghiệp Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD của bộ ñiều khiển PID Nhưng

vì các hệ số của bộ ñiều khiển PID chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của ñối tượng cần ñiều khiển Hơn nữa, bộ ñiều khiển này chỉ chính xác trong giai ñoạn tuyến tính còn trong giai ñoạn phi tuyến thì các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển không thực hiện ñược

Mục tiêu của ñiều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển tự ñộng Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng ñiều khiển khác nhau, với các yêu cầu và ñặc tính phức tạp khác nhau Do ñó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển cụ thể cho từng ñối tượng Mục ñích cuối cùng là tìm kiếm các bộ ñiều khiển cho các hệ truyền ñộng ñiện ngày càng ñạt ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, mức chi

phí thấp, và hiệu quả ñạt ñược là cao nhất, ñáp ứng các yêu cầu tự ñộng hoá truyền ñộng ñiện và trong các dây chuyền sản xuất

Những năm gần ñây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất

là ngành ñiện tử học ñiều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo ñiều kiện thuận lợi, vừa ñặt ra vấn ñề ñòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ ñiều khiển, ñáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ Việc nghiên cứu xây dựng

bộ ñiều khiển tốc ñộ cho ñộng cơ ñiện một chiều dựa trên các lý thuyết ñiều khiển hiện ñại là một vấn ñề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống

Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp ñược nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng rất nhiều ñó là phương pháp ñiều khiển thích nghi.Trong luận văn tác giả sử dụng phuơng pháp ñiều khiển thích nghi và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và

mô phỏng hệ thống ñiều khiển, ñây là công cụ khá ñắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền ñộng ñộng cơ một chiều

Động cơ ñiện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền ñộng ñiện ñòi hỏi chất lượng cao Chính vì vậy mà hệ thống ñiều khiển cho các

hệ truyền ñộng này cũng phải ñáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ Và nói chung, phần lớn các hệ thống truyền ñộng trong thực tế ñều có cấu trúc và tham số không cố ñịnh hoặc không thể biết trước

Đối với ñộng cơ ñiện một chiều, các thông số thường bị thay ñổi làm ảnh hưởng chất lượng ñiều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy ñiện bị bão hòa làm ñiện cảm mạch phần ứng Lu của ñộng cơ suy giảm Điện trở mạch phần ứng Ru của máy ñiện thay ñổi theo nhiệt ñộ làm việc, do ñó

hằng số thời gian mạch phần ứng Tu = Lu/Ru cũng sẽ thay ñổi trong quá trình làm việc Với mạch kích từ, từ thông Φ có thể bị thay ñổi dẫn ñến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay ñổi Khi xét ñến tải của các hệ truyền ñộng thì mô men quán tính của tải thường bị thay ñổi, làm cho mômen quán tính của hệ qui ñổi về trục của ñộng cơ thay ñổi Nếu bằng các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển thì chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ ñiều khiển ñạt ñược chất lượng cao Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ñang là hướng nghiên cứu ñược rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiển

Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay ñổi làm ñề tài nghiên cứu với mong muốn ñạt ñược ñáp ứng ngõ ra và các ñặc tính của hệ thống ñiều khiển thỏa mãn các yêu cầu

ñã ñề ra

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay

ñổi

Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều

3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu ñề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2 phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn ñề về ứng

dụng ñiều khiển thích nghi, các mô hình ñộng cơ ñiện một chiều, các hàm tối ưu trong Matlab và các tính toán hỗ trợ các hàm tối ưu

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu trong

phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng, mô phỏng kiểm

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ñề tài

Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều khiển mới khắc phục ñược một số nhược ñiểm của các phương pháp ĐK kinh ñiển, từ ñó mở ra một tiềm năng áp dụng cài ñặt vào các thiết bị ñiều khiển trong công nghiệp làm nâng cao hơn nữa chất lượng ñiều khiển cho ñộng cơ ñiện một chiều

5 Cấu trúc luận văn

Ngoài chương mở ñầu, trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau:

Mở ñầu

Chương 1 Tổng quan về ñộng cơ ñiện một chiều

Mô tả toán học ñộng cơ ñiện một chiều

Mô tả toán học mạch ñộng lực

Chương 2.Tổng hợp bộ ñiều khiển ñộng cơ diện một chiều

Các phương pháp xác ñịnh bộ ñiều khiển PID

Cấu trúc ñiều khiển ñộng cơ ñiện một chiều

Chương 3 Điều khiển thích nghi

Giới thiệu tổng quan về lý thuyết ñiều khiển thích nghi

Các phương pháp thiết kế luật thích nghi

Chương 4 Tổng hợp bộ ñiều khiển PID thích nghi

Thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cỏ ñiện một chiều với tham số mômen quán tính không xác ñịnh

Lựa chọn hàm Lyapunov dự kiến, xác ñịnh thuật toán ñiều khiển, xây dựng luật thích nghi ñể chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển và phân tích sự

ổn ñịnh của hệ thống ñiều khiển

Dựa vào kết quả thiết kế bộ ñiều khiển ở chương 4, áp dụng ñể mô phỏng hệ thống ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều trên phần mềm Matlab

So sánh và bàn luận về các ñặc tính của 2 bộ ñiều khiển: PID kinh ñiển và thích nghi

Chương 5 Kết quả mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến trong

các hệ thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất ñộng cơ một chiều từ vài W ñến hàng MW Đây là loại ñộng cơ ña dạng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ ñiện một chiều cũng dễ dàng ñáp ứng với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ

mômen – tốc ñộ

Trong Động cơ ñiện một chiều, bộ biến ñổi ñiện chính là các mạch chỉnh lưu ñiều khiển Chỉnh lưu ñược dùng làm nguồn ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng ñộng cơ Chỉnh lưu ở ñây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha

1.1.1 Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều

1.1.2 Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều

1.1.3 Điều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều

1.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

1.2.1 Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều

Mômen ñiện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn

phấn ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức ñiện

2

'

(1.2) Trong ñó: ω - tốc ñộ góc của rôto

Trong chế ñộ xác lập, có thể tính ñược tốc ñộ qua phương trình cân bằng ñiện áp phần ứng:

ω (1.3) Trong ñó: Ru - ñiện trở mạch phần ứng của ñộng cơ

1.2.2 Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều

Jp

1

u C

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên cơ sở khảo sát các ñặc tính vòng hở ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập, hệ T-Đ, ta rút ra ñược kết luận sau:

Ưu ñiểm nổi bật của hệ T-Đ là ñộ tác ñộng nhanh cao, không gây ồn

và dễ tự ñộng hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch ñại công suất rất cao, ñiều ñó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh nhiều vòng ñể nâng cao chất lượng các ñặc tính tĩnh và các ñặc tính ñộng của hệ thống

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

Mô mem quán tính: J = 0,0185;

2.2.1 Khái quát về bộ ñiều khiển PID

2.2.2 Các phương pháp xác ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID

2.2.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols

2.2.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

2.2.2.3 Phương pháp tối ưu modul

Phương pháp tối ưu modul là phương pháp lựa chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S [4]

Xét một hệ thống ñiều khiển kín như trên hình 2.7 Bộ ñiều khiển R(s) ñiều khiển cho ñối tượng S(s)

Hình 2.7: Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín

2.2.2.4 Phương pháp tối ưu ñối xứng

2.2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.2.1 Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ

2.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Khảo sát mô hình, từ ñó vẽ ñồ thị ñáp ứng dòng phần ứng và tốc ñộ của ñộng cơ trong trường hợp mômen quán tính thay ñổi

Hình 2.13: Mô hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh

Trường hợp mômen quán tính tải J1 =0.01(kg.m2):

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Khi sử dụng các bộ ñiều khiển trong hai mạch vòng của hệ thống

trong trường hợp mômen quán tính ñộng cơ không thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ ñạt ñược ñến tốc ñộ ñặt; hạn chế ñược dòng mở máy của ñộng cơ Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ có hai vòng ñiều chỉnh có khả năng ổn ñịnh

ñược tốc ñộ khi tải thay ñổi.Do ñó ta thấy các bộ ñiều khiển ñã chọn ñáp

ứng ñược yêu cầu khi thiết kế

Trong trường hợp khi mômen quán tính ñộng cơ thay ñổi thì thời gian ñáp ứng tốc ñộ lớn 3s

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

3.2 HỆ THỐNG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS)

Mô hình MRAS (Hình 3.1) ñầu tiên ñược ñề nghị bởi Whitaker vào năm 1958 với hai ý tưởng mới ñược ñưa ra: trước hết sự thực hiện của hệ thống ñược xác ñịnh bởi một mô hình, thứ hai sai số của bộ ñiều khển ñược hiệu chỉnh bởi sai số của mô hình mẫu và hệ thống Cấu trúc hệ thống ñiều khiển hình 3.1 gọi là hệ MRAS song song

Mô hình mẫu ñược chọn ñể tạo ra một ñáp ứng mong muốn ñối với tín hiệu ñặt, ym, mà ngõ ra của hệ thống, y, phải bám theo Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm ñối tượng và bộ ñiều khiển Sai lệch bám e là hiệu của ngõ ra hệ thống và ngõ ra của mô hình mẫu, e =ym –

y Bộ ñiều khiển có thông số thay ñổi dựa vào sai số này Hệ thống có hai vòng hồi tiếp: vòng hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng

Hình 3.1: Sơ ñồ khối thích nghi theo mô hình mẫu

Mô hình

Cơ cấu hiệu chỉnh

Đối tượng

Bộ ñiều khiển

hồi tiếp ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên trong Vòng hồi tiếp bên trong ñược giả thiết là nhanh hơn vòng hồi tiếp bên ngoài

Hệ thống thích nghi mô hình mẫu có thể ñược phân thành hai loại : trực tiếp và gián tiếp Trong bộ ñiều khiển loại trực tiếp (DMRAC:Direct Model Adaptive Control), vec tơ tham số θ của bộ ñiều khiển C(θ) ñược cập nhật trực tiếp bởi một luật thích nghi, ngược lại, trong bộ ñiều khiển gián tiếp (IRMAC: Indirect Model Adaptive Control) θ ñược tính toán tại mỗi thời ñiểm t bằng cách giải phương trình ñại số nào ñó có mối quan hệ của tham số θ với sự ước lượng trực tuyến các tham số của hệ thống

3.3 LUẬT THÍCH NGHI

3.3.1 Phương pháp ñộ nhạy (luật MIT)

3.3.2 Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu

chí ñánh giá hàm chi phí sai số

Pθ → θ

Bộ ñiều khiển C(θ )

Ước lượng

thông số line của θC*

mô hình mẫu sẽ ñược dựa trên lý thuyết ổn ñịnh của Lyapunov (tiêu chuẩn

ổn ñịnh thứ hai) nhằm ñạt ñược một hệ thống ñiều khiển ổn ñịnh và có các tiêu chí về các hàm ñặc tính như mong muốn

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

4.1 BỘ CHỈNH LƯU

4.2 ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ

Sử dụng máy phát tốc một chiều FT Để ñảm bảo yêu cầu là ñiện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc ñộ ñộng cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến ñổi ñại lượng ño,

ta sử dụng máy phát tốc một chiều có từ thông không ñổi trong toàn vùng ñiều chỉnh tốc ñộ Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp và sử dụng là thép kỹ thuật ñiện mỏng (hạn chế tổn thất dòng ñiện xoáy) Để loại bỏ sóng ñiều hoà tần số cao sử dụng bộ lọc lắp ở ñầu ra máy phát tốc

Hàm truyền ñạt của máy phát tốc:

= dm ft

W

K :là hệ số khuyếch ñại của máy phát tốc

T ft = 0 , 004 là hằng số thời gian của máy phát tốc

4.3 BIẾN DÒNG

4.4 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN

1 )

(

+

=

p T

K s

W

ft ft ft

) (

s W

s W

k

r

r

+ 1

RI

s T

R

A

A

+ 1

/ 1

i* A

s T

k

i

i

+ 1

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

Tầm thay ñổi của mômen quán tính tải J1 là [0 ÷ 0.5] , tốc ñộ ñặt

W = 209 rad/s

5.2 SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢP MÔMEN QUÁN TÍNH TẢI J1=0.01kg.m 2

5.3.SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢP MÔMEN QUÁN TÍNH TẢI J =

0.05kg.m 2

5.4 SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢP MÔMEN QUÁN TÍNH TẢI J1=[0:0.5] kg.m 2

5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI

5.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI

KẾT LUẬN CHƯƠNG 5

Với kết quả mô phỏng ở trên ta nhận thấy rằng với bộ ñiều khiển thich nghi như ñã thiết kế thì chất lượng của hệ thống luôn luôn ñược ñảm bảo khi mômen quán tính của ñộng cơ thay ñổi

Kết quả mô phỏng một lần nữa ñã minh chứng và khẳng ñịnh rằng việc áp dụng bộ ñiều khiển thích nghi hoàn toàn có thể ñảm ứng ñược yêu cầu chất lượng ñiều khiển của hệ truyền ñộng