Bài tập lớn môn Điều Khiển Số ĐHHH

BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC Chương 1 Khảo sát mô hình động cơ 14D 3001 2 1 1 Giới thiệu về động cơ 14D – 3001 2 1 2 Xác định mô hình đối tượng trên miền z 5 1 3 Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm 7 bước nhảy đơn vị 7 Chương 2 Thiết kế bộ điều khiển PID 9 2 1 Thiết kế bộ điều khiển PID liên tục 9 2 2 Xấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền thời gian gián đoạn và 11 khảo sát đáp ứng 11 Chương 3 Thực thi bộ điều khiển số 17 3 1 Thực thi bộ điều khiển PID.

BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC Chương Khảo sát mơ hình động 14D-3001 Hình 1.1: Động RHS 14-6002 thực tế * Cấu tạo động servo: BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 1.2: Cấu tạo động servo 1, Động ; 2, Bản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hi ệu 5, Dây âm nguồn ; 6, Điện kế 7, Đầu (bánh răng) ; 8, C c ấu ch ấp hành ; 9, Vỏ ; 10, Chíp điều khiển Động RH 14D-6002 động chiều hãng Harmonic c Nh ật 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 không ph ải quay liên tục động DC hay động bước 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 o  Nhiệt độ môi trường : -10 ~ +40 C o  Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ +60 C  Độ ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng t ụ )  Độ rung : 2.5g (5 ~ 400HZ)  Shock : 30g (11ms)  Bôi trơn : Dầu nhờn (SK-1A) BÀI TẬP LỚN  HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Đầu : Mặt bích Bảng 1.1: Thơng số động RH 14D-3001 Thông số Đơn vị ĐC RH14-3001 Công suất đầu (sau hộp số) W 12.3 Điện áp định mức V 24 Dịng điện định mức A 1.3 Mơmen định mức TN In-lb 34 Nm 3.9 Tốc độ định mức nN rpm 30 Mômen hãm liên tục In-lb 39 Nm 4.4 Dịng đỉnh A 2.1 Mơmen cực đại đầu Tm In-lb 69 Nm 7.8 Tốc độ cực đại rpm 50 Hằng số mômen (KT) In-lb/A 43 Nm/A 4.91 Hằng số điện B.E.M.F ( ảnh v/rpm 0.5 hưởng tốc độ đến sđđ phần ứng )(Kb) Mô men quán tính (J) In-lb –sec2 0.38 Kgm2 43 Hằng số thời gian khí ms 8.5 Độ dốc đặc tính In-lb/rpm 4.6 Nm/rpm 5.2*10-1 In-lb/rpm 0.62 Nm/rpm 1.7*10-2 Tỷ số truyền 1:R 1:100 Tải trọng hướng tâm lb 55 Hệ số momen nhớt ( Bf) BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG N 245 lb 44 N 196 Công suất động W 20 Tốc độ định mức động rpm 3000 Điện trở phần ứng Ω 4.7 Điện cảm phần ứng mH 1.6 Dòng khởi động A 0.31 Dịng khơng tải A 0.61 Tải trọng hướng trục  Động RH -14D 3001 có tham số nh sau: Rư = 4,7Ω ; Lư = 1.6mH Kt = 4.91 Nm/A ; J= 43* Bf= 1.7* 10−2 10−3 Kg/ m2 Nm/rpm ; Ke = 0,5 V/rpm K = 100  Các phương trình biến đổi động DC :  Phương trình mạch phần ứng : di dt  U = Rư.Iư + L +e Phương trình suất điện động phần ứng :  e = Ke.∅.ω Biểu thức momen động cơ:  M = Kt Iư Biểu thức momen quán tính động cơ: BÀI TẬP LỚN J dω dt HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG = M – Mc –Bf ω Laplace hóa phương trình biến đổi động ta được: U = Rư.Iư + Lư.I ư.s+ e e = Ke.∅.ω M = Kt Iư J ω.s = M – Mc –Bf ω Iư = U −e Ru +Lu.s e = Ke.∅.ω M = Kt Iư ω= M − Mc Js + Bf Từ phương trình ta xây dựng mơ hình cấu trúc động c nh sau: BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 1.3:Mơ hình khảo sát đối tượng Khai báo Mfile: Gs hàm truyền đạt động miền s, để biến đổi sang miền gián đoạn ta sử dụng lệnh czd (Gs,Time ,zoh) Gz = c2d (Gs , 0.1, ‘zoh’) Kết ta được: 1.385 z^3 - 1.329 z^2 - 0.002285 z - 4.32e-21 Gz = -6 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG z^4 - 1.245 z^3 + 0.2728 z^2 - 6.385e-18 z - 1.189e-35 hàm bước nhảy đơn vị Khai báo M-file: Đáp ứng đầu có dạng: BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hinh 1.4:Đáp ứng đầu đầu vào hàm bước nhay đơn vị Chương Thiết kế điều khiển PID Yêu cầu: Thiết kế điều khiển PID liêHn tục phù hợp với dối tượng cho thời gian xác lập < 0.5s BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 2.1:Mơ hình mạch vịng tốc độ sử dụng điều khiển PID tương tự PID turn Hình 2.2:Cửa sổ PID turn BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hinh2.3: Tham số điều khiển chạy PID turn Hình 2.4:Đáp ứng đầu tốc độ 10 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG r1 = − K R (1 + r2 = K R 2TV T − ) T TC ; (2.5) TV T Chọn thời gian trích mẫu T=0.001s Thay KR =0.1527; TC = 0.0524; TV = -0.0111 vào (2.5) ta được: r0 r1 r2 =-1.5357 = 3.2272 = -1.6885 Thay vào công thức (2.4) ta hàm truy ền điều khiển miền rời rạc: U ( z ) −1.5257 + 3.2272 z −1 − 1.6885 z −2 = Rω ( z ) E ( z ) − z −1 = Thay điều khiển PID số vào mơ hình: 13 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 2.6: Mơ hình mạch vịng điều chỉnh tốc độ sử dụng điều khiển PID số Hình 2.7:Đáp ứng đầu tốc độ không tải 14 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 2.8:Đáp ứng đầu dịng điện động chạy khơng tải Hình 2.9:Đáp ứng đầu tốc độ động chạy với tải 15 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 2.10: Đáp ứng đầu dòng điện động chạy với tải Nhận xét : nhìn vào đáp ứng đầu hệ ta thiết k ế x ấp x ỉ b ộ ều khiển PID sang miền thời gian gián doạn ta th đáp ứng có t ương đối chất lượng có dạng tương đương với đáp ứng đầu c h ệ s dụng điều khiển PID tương tự Điều chứng tỏ việc tính tốn thi ết kế PID gián đoạn tương đối xác 16 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Chương Thực thi điều khiển số rúc trực tiếp kinh điển Bộ điều khiển PID có hàm truyền đạt dạng: n n U( z) E( z ) = ∑ a j z −1 U(z) j =0 n R( z ) E( z ) + ∑ b j z −1 j =1 D(z) = R( z ) (3.1) = ∑ a z −1 j j =0 n + ∑ b j z −1 j =1 D(z) = Biến đổi ta có: U(z) R( z ) n = ∑ a j z E( z ) −1 R( z ) j =0 (3.2) n U ( z ) = R( z ) ∑ a j z −1 Từ phương trình (3.2): j =0 Biến đổi z ngược pt ta được: 17 n = + ∑ b j z −1 j =1 (3.3) BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG n uk = ∑ rk − j a j j =0 (3.4) n E( z ) = R( z ) + R( z ) ∑ b j z −1 j =1 Từ phương trình (3.3) n R( z ) = E( z ) − R( z ) ∑ b j z −1 j =1 Biến đổi z ngược pt ta đ ược: n rk = ek − ∑ b j rk − j j =1 (3.5) Từ công thức (3.4) (3.5) ta có sơ đồ khối thực thi điều ển PID theo cấu trúc trực tiếp kinh điển có dạng : Hình 3.1:Sơ đồ cấu trúc thực thi điều khiển theo cấu trúc trực tiếp kinh đển 18 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Bộ điều khiển PID ta thiết kế theo phương pháp xấp xỉ liên tục có d ạng: U ( z ) −1.5257 + 3.2272 z −1 − 1.6885 z −2 = Rω ( z ) E ( z ) − z −1 = Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc PID 19 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG iển Hinh 3.3:Chương trình Hình 3.4:Trình ph ục v ụ ng (ISR) Là sử dụng thời gian ngắt (được khởi tạo ban đầu) để tạo độ trễ vòng lặp bắt buộc.Trong phương pháp phần mềm gồm ph ần là: Ch ương trình Trình phục vụ ngắt ISR (interrupt service routine) Hình (3.3) chương trình bao gồm khởi tạo A/D converter kh ởi tạo thời gian ngắt – khoảng thời gian thiết lập để ngắt m ột khoảng thời gian tương đương với khoảng th ời gian l m ẫu c b ộ ều khiển số yêu cầu Và sau chương trình bắt đầu vịng lặp đ ợi cho th ời gian gián đo ạn xảy Bất thời gián đoạn xảy chương trình nhảy sang trình phục vụ ngắt (ISR) biểu diễn Hình (3.4) Trong trình phục ngắt (ISR) thuật tốn điều khiển th ực hiện: tính tốn sai lệnh cách so sánh tín hiệu đặt mong muốn ( setpoint) v ới tín hiệu phản hồi về(output) Sau thuật toán th ực l m ẫu đầu cho thời gian lấy mẫu tại.Một bước tiền xủ lý sau đ ược thực cách cập nhật biến cho mẫu Trở lại t trình 20 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG phục vụ ISR, chương trình đợi chương trình cho đ ến kho ảng thời gian lấy mẫu trình lặp lặp lại Hình 3.5:Cấu trúc thực thi khiển PID Với α= T Ti β= TD T Tham số động tham số cảu điều khiển PID: 21 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 3.6: Mơ hình điều chỉnh tốc độ sử dụng khối Matlab Function 22 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 3.7: chương trình cho vi điều khiển Hình 3.8: Đáp ứng đầu tốc độ không tải 23 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 3.9:Đáp ứng đầu tốc độ có tải Nhận xét: Đáp ứng đầu có thời gian xác lập nhỏ khoảng 0.2s ,và d ạng đáp ứng giống với hệ sử dụng điều khiển PID tương tự 24 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG KẾT LUẬN Khi thiết kế điều khiển mạch vòng tốc độ phương pháp xấp xỉ liên tục ta thấy đáp ứng hệ thống tương đối chất lượng Bộ điều khiển số điều khiển tương tự cho đáp ứng có dạng tương đương nhau.Và cơng việc thực thi điều khiển số thực vi xử lý với thời gian xử lý nhanh nhạy đặc biệt điều khiển số cho phép ta thay đổi luật điều khiển cách dễ dàng cách thay dổi chương trình cho vi điều khiển, điều không thực với điều khiển tương tự Từ kết mô hệ thống ta thấy vai trò điều khiển hoạt động với tải, khơng có điều khiển có tải gây ổn định đặc biệt làm việc với tải lớn, điều không 25 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG phép hệ thống điều khiển xác Nhờ có điều khiển mà có thay đổi ảnh hưởng tải hay nhiễu từ bên ngồi làm cho tốc độ động bị thay đổi, tốc độ thực phản hồi so sánh với tốc độ đặt người sử dụng xuất sai lệnh gửi tín hiệu sai lệch vào điều khiển, điều khiển tự động điều chỉnh tham số điện (như điện áp, tần số, dòng điện ) để tốc độ quay động ln có giá trị giá trị đặt Trong tập lớn này, ta xét động servo có cơng suất nhỏ nên dịng động nhỏ nên thay đổi dịng điện có tác động nhiễu nhỏ ta bỏ qua, xét mạch vòng điều khiển tốc độ Từ kết mơ ta thấy việc chọn chu kỳ trích mẫu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống Một điều khiển mà ta thay đổi chu kỳ trích mẫu cho đáp ứng khác Chu kỳ trích mẫu nhỏ điều khiển cho đáp ứng có chất lượng cao độ điều chỉnh thấp thời gian xác lập nhanh Tuy nhiên lúc lựa chọn chu kỳ trích mẫu nhỏ, điều cịn phụ thuộc vào lực tính tốn thiết bị, tài nguyên hỗ trợ thân hệ thống cần điều khiển 26 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Hệ thống điều khiển số: Đại học Hàng Hải Việt Nam, TS Phạm Tuấn Anh 27 ... Tham số động tham số cảu điều khiển PID: 21 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 3.6: Mơ hình điều chỉnh tốc độ sử dụng khối Matlab Function 22 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ... 0.5s BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Hình 2.1:Mơ hình mạch vịng tốc độ sử dụng điều khiển PID tương tự PID turn Hình 2.2:Cửa sổ PID turn BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG... c h ệ s dụng điều khiển PID tương tự Điều chứng tỏ việc tính tốn thi ết kế PID gián đoạn tương đối xác 16 BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Chương Thực thi điều khiển số rúc trực