BÀI tập lớn THIẾT kế xấp xỉ LIÊN tục KHÂU điều CHỈNH tốc độ ĐỘNG cơ DC SERVO HARMONIC RHS 14 6003

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG MÃ HỌC PHẦN: 13310 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XẤP XỈ LIÊN TỤC KHÂU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-6003 Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN TIẾN Lớp học phần: N04 Nhóm sinh viên: PHẠM DUY TIẾN HẢI 77836 HOÀNG XUÂN HỢP 78187 NGUYỄN VIỆT HOÀNG 78141 NGUYỄN TRUNG QUYẾT 79575 NGUYỄN VĂN THẮNG 79748 HẢI PHỊNG, 2021 LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần cơng nghệ thơng tin có bước nhảy vọt, đặc biệt đời máy tính tạo cho xã hội bước phát triển mới, ảnh hưởng đến hầu hết vấn đề xã hội cơng nghiệp Hịa phát triển đó, ngày nhiều nhà sản xuất ứng dụng họ vi xử lý mạnh vào công nghiệp, việc điều khiển xử lý đữ liệu Những hạn chế kỹ thuật tương tự trôi thông số, làm việc cố định dài hạn, khó khăn việc thực chức điều khiển phức tạp thúc đẩy việc chuyển nhanh cơng nghệ số Ngồi điều khiển số cho phép tiết kiện linh kiện phần cứng, cho phép tiêu chuẩn hóa Với vi xử lý, cấu trúc phần cứng dùng cho nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên kỹ thuật số có nhược điểm xử lý tín hiệu rời rạc…, đồng thời tín hiệu tương tự có ưu điểm mà kỹ thuật số khơng có tác động nhanh liên tục Vì xu hướng điều khiển phối hợp điều khiển số điều khiển tương tự Để vững kiến thức học việc nghiên cứu cần thiết sinh viên Bài tập lớn môn Điều khiển số với đề tài: “thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RHS 14-6003” giúp em biết thêm nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Văn Tiến, nhóm chúng em thực xong tập Do kiến thức cịn hạn chế nên tập cịn nhiều sai xót, nên chúng em mong nhận bổ sung, góp ý thầy, bạn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………….……………………………………………………………… MỤC LỤC CHƯƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS14-6003 1.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS14-6003 1.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS14-6003 CHƯƠNG KHẢO SÁT MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS14-6003 .7 2.1 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ TRÊN MIỀN THỜI GIAN LIÊN TỤC 2.1.1 Mô hình động DC servo Harmonic RHS14-6003 .7 2.1.2 Khảo sát đặc tính động học động miền thời gian liên tục 2.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CHU KỲ TRÍCH MẪU T ĐẾN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 10 2.2.1 Xây dựng hàm truyền đối tượng 10 2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống 12 CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS146003 16 3.1 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN .16 3.1.1 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục .16 3.1.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động 17 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 19 3.2.1 Kết mô điều khiển PID miền thời gian liên tục 19 3.2.2 Kết mô xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ .21 3.3 NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN: 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 Chương Khái quát chung động DC servo Harmonic RHS14-6003 1.1 Giới thiệu động DC servo Harmonic RHS14-6003 DC servo động cho phép điều khiển vô cấp tốc độ Điều khiển động DC (DC Motor) ứng dụng thuộc dạng điều khiển tự động DC Motor cấu chấp hành (actuator) dùng nhiều hệ thống tự động (ví dụ robot) DC servo motor động DC có điều khiển hồi tiếp Mặt khác, động servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Động servo có nhiều kiểu dáng kích thước, sử dụng nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay, ô tô Ứng dụng cho động servo dùng Robot, loại với động dùng mơ hình máy bay tơ Hình 1.1 Động RHS 14-6003 thực tế  Cấu tạo động servo: Hình 1.2 cấu tạo động servo Động Bản mạch Dây dương nguồn Dây tín hiệu Dây âm nguồn Điện kế Đầu (bánh răng) Cơ cấu chấp hành ; Vỏ 10.Chíp điều khiển Động RHS 14-6003 động chiều hãng Harmonic Nhật sản xuất Đây động thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác, momen lớn có gắn sẵn encoder  Nguyên lý hoạt động: Động servo thiết kế để quay có giới hạn mà khơng phải quay liên tục động DC hay động bước 1.2 Thông số kỹ thuật động DC servo Harmonic RHS14-6003  Các tham số động trình bày bảng 1.1  Kiểu chạy : Liên tục  Kích thích : Nam châm vĩnh cửu  Cách điện : lớp F  Điện trở cách điện : 100M Ω  Nhiệt độ môi trường : -10 ~ +40oC  Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ +60 oC      Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ ) Độ rung : 2.5g (5 ~ 400HZ) Shock : 30g (11ms) Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-1A) Đầu : Mặt bích Bảng 1.1: Thơng số động RHS 14-6003 Thơng số Đơn vị ĐC RHS14-6003 Công suất đầu (sau hộp số) W 34 Điện áp định mức V 75 Dòng điện định mức A 1.0 In-lb 48 Nm 5.4 rpm 60 In-lb 54 Nm 6.1 A 2.4 In-lb 155 Nm 18 rpm 100 In-lb/A 80 Nm/A 8.9 v/rpm 0.9 In-lb –sec2 0.41 Kgm2 0.45 Mômen định mức TN Tốc độ định mức nN Mơmen hãm liên tục Dịng đỉnh Mômen cực đại đầu Tm Tốc độ cực đại Hằng số mômen (KT) Hằng số điện B.E.M.F (Ke) Mô men quán tính (J) Hằng số thời gian khí ms 6.7 In-lb/rpm 6.2 Nm/rpm 0.71 In-lb/rpm 0.2 Nm/rpm 2.3*10-2 1:R 1:50 lb 88 N 392 lb 88 N 392 W 50 rpm 3000 Điện trở phần ứng Ω 11.6 Điện cảm phần ứng mH 4.5 Dòng khởi động A 0.25 Dịng khơng tải A 0.4 Độ dốc đặc tính Hệ số momen nhớt ( Bf) Tỷ số truyền Tải trọng hướng tâm Tải trọng hướng trục Công suất động Tốc độ định mức động Chương Khảo sát mơ hình động DC servo Harmonic RHS14-6003 2.1 Khảo sát đặc tính động học động miền thời gian liên tục 2.1.1 Mô hình động DC servo Harmonic RHS14-6003  Cấu trúc động sau: Hình 1.3 Cấu trúc động RHS 14-6003 Trong đó:  Rư : điện trở phần ứng    (Ω)  Lư : điện cảm (mH)  Kt : hệ số mômen J: mômen quán tính (kgm2) Bf : hệ số ma sát (Nm/rpm) Kb : hệ số sức điện động (V/rpm) (Nm/A)  Mơ hình mơ Simulink: Hình 2.1 Mơ hình mơ động RHS 14-6003  Các tham số chính:      J = 0.45 (kgm2)  Bf = 0.023 (Nm/rpm)  Ke = 0.9 (V/rpm) Vư = 75 (V) Rư = 11.6 (Ω) Lư = 4.5 (mH) Kt = 8.9 (Nm/A) 2.1.2 Khảo sát đặc tính động học động miền thời gian liên tục Với T=20s:  Đặc tính độ tốc độ dịng động khơng tải: Hình 2.2 Đặc tính dịng phần ứng động DC servo harmonic RHS 14-6003 Hình 2.3 Đặc tính tốc độ động DC servo harmonic RHS 14-6003  Đặc tính q độ tốc độ dịng động có tải với Mc =5.4 : >> Gfb=Ke Gfb = 0.9000 >> Gs=feedback(G0,Gfb) Gs = 8.9 0.002025 s^2 + 5.22 s + 8.277 Continuous-time transfer function Hình 2.6.: Tính tốn hàm truyền đối tượng matlab 2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống  TH1: Chu kỳ trích mẫu T =0.01 Gz=c2d(Gs,0.01,'zoh') Gz = 0.01627 z + 0.0006522 -z^2 - 0.9843 z + 6.377e-12 Sample time: 0.01 seconds Discrete-time transfer function >> step(75*Gz) Hình 2.7:Biến đổi Z đối tượng với chu kỳ trích mẫu T = 0.01 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T Hình 2.8: Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu với T = 0.01  TH2: Chu kỳ trích mẫu T =0.001 >> Gz=c2d(Gs,0.001,'zoh') Gz = 0.001093 z + 0.0004815 z^2 - 1.074 z + 0.07594 Sample time: 0.001 seconds Discrete-time transfer function >> step(75*Gz) Hình 2.9: Biến đổi Z đối tượng với chu kỳ trích mẫu T = 0.001 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu với T = 0.001 Hình 2.10: Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu với T = 0.001  Nhận xét:  Với chu kỳ trích mẫu T = 0.01, ta thấy đáp ứng đầu dao động nhiều, không ổn định  Với chu kỳ trích mẫu T = 0.001, ta thấy đáp ứng đầu dao động ít, mịn ổn định Đáp ứng đầu đối tượng có thêm hộp số với T=0.001s Hình 2.11: Đáp ứng đầu có hộp số Chương Xây dựng điều khiển động DC servo Harmonic RHS14-6003 3.1 Tổng hợp điều khiển 3.1.1 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục Để điều khiển tốc độ động DC servo thông thường ta dùng hệ thống hai vòng điều chỉnh Tuy nhiên động DC servo harmonic RHS 14-6003 loại động cỡ nhỏ nên bỏ qua mạch vịng dịng Hình 3.1: Thơng số động matlab Hình 3.2: Cấu trúc mạch vịng điều chỉnh tốc độ Hình 3.3: Tính tốn PID phần mềm Matlab  Ta tìm PI: P = 1.476; I = 4.574 Hình 3.4: Nhập thơng số PI vào PID 3.1.2 Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động Áp dụng xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật thành phần D bậc 1, ta có: (1) Với: Lại có: P = KR = 1.476 I = = 4.574 => = 0.32 TV = T = 0.001 Ta tính r0, r1, r2 : = 1.476 = -1.47 =0 Thay r0, r1, r2 vào phương trình ta được: Nhập thơng số vào matlab : Hình 3.5: Nhập thơng số GR(z) vào matlab 3.2 Kết mô 3.2.1 Kết mô điều khiển PID miền thời gian liên tục Ta có mơ hình mạch vịng tốc độ miền thời gian liên tục: Hình 3.6: Mơ hình mạch vịng tốc độ với điều khiển PI  TH1: Khi chưa có cản Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ động có điều khiển PI Hình 3.8 Đáp ứng dịng điện động có điều khiển PI  TH 2: Khi có cản với Mc = 5.4 (Nm) Hình 3.9 Đáp ứng tốc độ động có điều khiển PI Hình 3.10 Đáp ứng tốc độ động có điều khiển PI 3.2.2 Kết mô xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ Mô hình Simulink: Hình 3.11: Mơ hình xấp xỉ theo phương pháp hình chữ nhật  TH1: Khi chưa có cản Hình 3.12: Đáp ứng tốc độ động Hình 3.13 Đáp ứng dòng điện động  TH 2: Khi có cản với Mc = 5.4 (Nm) Hình 3.14: Đáp ứng tốc độ động có điều khiển PI Hình 3.15: Đáp ứng tốc độ động có điều khiển PI 3.3 Nhận xét kết luận: Các kết mô cho thấy đáp ứng miền số tương tự đáp ứng miền liên tục Điều khẳng định thuật toán cách thức xây dựng điều khiển số hồn tồn đắn xác Kết cho thấy việc chọn chu kì trích mẫu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển hệ thống Chu kì trích mẫu khác cho đáp ứng khác Chu kì trích mẫu nhỏ cho phép ta thiết kế điều khiển có chất lượng cao Tuy nhiên khơng phải lúc ta lựa chọn chu kì trích mẫu nhỏ, điều phụ thuộc vào lực tính toán thiết bị, tài nguyên hỗ trợ thân hệ thống cần điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điều khiển số (Digital control) – [2] Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, ... QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS1 4 -6003 1.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS1 4 -6003 1.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS1 4 -6003 CHƯƠNG... động DC servo Harmonic RHS1 4 -6003 2.1 Khảo sát đặc tính động học động miền thời gian liên tục 2.1.1 Mơ hình động DC servo Harmonic RHS1 4 -6003  Cấu trúc động sau: Hình 1.3 Cấu trúc động RHS 14- 6003. .. DC servo harmonic RHS 14- 6003  Đặc tính độ tốc độ dịng động có tải với Mc =5.4 : Hình 2.4 Đặc tính dịng phần ứng động DC servo harmonic RHS 14- 6003 Hình 2.5 Đặc tính tốc độ động DC servo harmonic