Xây dựng mô hình và điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ 4

Khóa luận tốt nghiệp Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P 36 CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 4 1 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là dạng thông dụng của bộ hồi tiếp Nó là một phần tử chủ yếu trong các bộ điều tốc đầu tiên và trở thành một công cụ chuẩn khi điều khiển quá trình nổi lên trong những năm 1940 Trong điều khiển quá trình ngày nay, hơn 95% các điều khiển hồi tiếp là dạng PID, hầu hết các vòng hồi tiếp là điều khiển PI Các bộ điều khiển PID ngày nay được tìm th.

Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG : ĐKĐCKĐB3P ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 4.1 Bộ điều khiển PID Hình 4.1 PID Bộ điều khiển PID dạng thông dụng bộ hời tiếp Nó mợt phần tử chủ yếu các bộ điều tốc đầu tiên trở thành một công cụ chuẩn điều khiển quá trình nổi lên năm 1940 Trong điều khiển quá trình ngày nay, 95% các điều khiển hồi tiếp dạng PID, hầu hết các vịng hời tiếp điều khiển PI Các bộ điều khiển PID ngày được tìm thấy hầu hết các lĩnh vực có ứng dụng điều khiển Các bợ điều khiển có nhiều dạng khác Bộ điều khiển PID một thành phần quan trọng một hệ thống điều khiển phân bố Các bợ điều khiển cịn được gắn nhiều hệ thống điều khiển đăc biệt Bộ điều khiển PID thường được kết hợp với các bộ logic, các hàm liên tục, các khối hàm khác để tạo thành các hệ thống điều khiển tự động phức tạp được sử dụng cho các ứng dụng chuyển đổi lượng, vận chuyển sản xuất Các bộ điều khiển PID đã trải qua nhiều thay đổi kỹ thuật, từ khí đến vi xử lý bằng các ống điện tử, các transitor, các mạch tích hợp Hầu hết các bộ điều khiển PID ngày dựa các vi xử lý Điều dẫn đến việc có thể 36 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P thêm các đăc tính khác tự động điều chỉnh, tự thu thập tự thích nghi một cách liên tục Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa các phương pháp đã biết phương pháp tổng hợp hệ thống Zieger Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch Một bộ điều khiển PID với đầu vào sai lệch e(t), đầu u(t) có mơ hình toán học sau: 𝑡 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 [ 𝑒(𝑡) + 𝑇𝐼 ∫ 𝑒()𝑑 + 𝑇𝐷 𝑑𝑒(𝑡) ] 𝑑𝑡 Hoặc 𝐺𝑃𝐼𝐷 (𝑠) = 𝐾𝑝 + Trong đó: 𝑇𝐼 = 𝐾𝐼 𝐾𝑝 , 𝑇𝐷 = 𝐾𝐼 + 𝐾𝐷 𝑠 𝑠 𝐾𝐷 𝐾𝑝 Các tham số KP, TI, TD, hay KP, KI, KD bộ điều khiển PID được chỉnh định sở tích phân tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống, sai lệnh e(t) đạo hàm de(t)/dt sai lệch Mô hình đối tượng được điều khiển phức tạp, phương pháp thực nghiệm Zeigler_Nichols dựa vào đáp ứng quá độ hệ thống kín được dùng để tính toán các tham số cho bộ điều khiển PID chỉ cho kết quẩ tốt một trường hợp định Bộ PID kết hợp khâu thành phần : 4.1.1 Khâu tỉ lệ (Proportional) : Hàm truyền : K(s) = KP Đặc tính thời gian : Y(s) = Kp.G(s).E(s) Sai số hệ thống : E(s) = 𝑅(𝑠) 1+Kp𝐺(𝑠)𝐻(𝑠) 37 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Nhận xét : Kp lớn thì tốc độ đáp ứng nhanh Kp lớn thì sai số xáp lập nhỏ (nhưng ko thể triệt tiêu) Kp lớn thì các cực hệ thống có xu hướng di chuyển xa trục => hệ thống dao động độ vọt lố cao Nếu Kp tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống dao động không tắt dần => ổn định Hình 4.2 Khâu tỉ lệ (Proportional) 4.1.2 Khâu tích phân (Integration) : Hàm truyền : K(s)= 𝐾𝐼 𝑃 Đặc tính thời gian : Y(s)= 𝐾𝐼 G(s) Sai số hệ thống : 𝐸 (𝑠) = 𝐸(𝑠) 𝑠 𝑠.𝑅(𝑠) 𝑠+𝐾𝐼 𝐺(𝑠)𝐻(𝑠) Nhận xét : Tín hiệu ngõ được xác định sai số 𝐾𝐼 lớn thì đáp ứng quá độ chậm 𝐾𝐼 lớn thì sai số xác lập nhỏ Đặc biệt hệ số khuếch đại khâu tích phân bằng vô tần số bằng => triệu tiêu sai số xác lập với hàm nấc 𝐾𝐼 lớn thì độ vọt lố cao 38 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Hình 4.3 Khâu tích phân (Integration) 4.1.3 Khâu vi phân (Derivative) : Hàm truyền : K(s)= KDs Đặc tính thời gian : Y(s)=KD.G(s).E(s).s Sai số hệ thống : 𝐸 (𝑠) = 𝑅(𝑠) 1+𝑠𝐾𝐷 𝐺(𝑠)𝐻(𝑠) Nhận xét : KD lớn thì đáp ứng quá độ nhanh KD lớn thì độ vọt lố nhỏ Hệ số khuếch đại tần số cao vô lớn nên khâu hiệu chỉnh D nhạy với nhiễu tần số cao Khâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải dùng kết hợp với các khâu P khâu Hình 4.4 Khâu vi phân (Derivative) 39 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Bộ PID thông thường : Hình 4.5 Bộ PID thơng thường PID Anti Windup : Măc dù có nhiều khía cạnh mợt hệ thống điều khiển có thể hiểu được dựa các lý thuyết tuyến tính, có mợt số ảnh hưởng khơng tuyến tính chỉ có thể nhận biết được thực tế Windup một tượng vậy, gây tác động các thành phần tích phân khâu bảo hoà Tất cả các thành phần tác đợng có mợt giới hạn; ví dụ đợng thì có giới hạn vận tốc, một van không thể mở đã mở hồn tồn hoăc khơng thể đóng kín đãđóng hồn tồn…Mợt hệ điều khiển với mợt dãy vận hành rợng thì có thể xảy trường hợp biến điều khiển đạt đến giới hạn bợ tác đợng Khi điều xảy thì vịng hồi tiếp bị phá vỡ hệ thống hoạt động mợt vịng hở phần tác đợng giữ lại giới hạn mợt cách đợc lập với tín hiệu điều khiển Nếu bộ điều khiển sử dụng một bộ tích phân thì sai số tiếp tục được tích luỹ Điều có nghĩa thành phần tích phân lớn hay gọi tượng “windup” 40 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Hiện tượng “windup” thành phần tích phân có thể né tránh bằng việc tạo một hành động tích phân để giữ một giá trị thích hợp cấu chấp hành trạng thái bảo hồ, thì bợ điều khiển vẫn sẳn sàng phục hồi lại hành đợng có thay đởi lỡi tín hiệu điều khiển Kiểu sơ đồ anti-windup được gọi “sự tự hiệu chỉnh” (tracking or back calculation) Hình 4.6 Sơ đồ song song bộ điều khiển ainti-windup kiểu “tracking” Sự sai khác tín hiệu ngõ vào cấu chấp hành giá trị ngõ sau (TR) được cấp trở lại bộ tích phân thông qua hệ số khuếch đại 1/Ta Ngay bợ giới hạn tín hiệu bảo hịa, sai lệch tín hiệu u’ u khác zero tác động ngược trở lại bộ tích phân, hạn chế tượng windup 4.1.4 Các phương pháp tìm thông số PID (KP, KD,KI) : Chỉnh định bằng tay : Đặt KI=KD=0 Tăng KP đến hệ thống dao động tuần hoàn Đặt thời gian tích phân bằng chu kì dao động Điều chỉnh lại giá trị KP cho phù hợp Nếu có dao đợng thì điều chỉnh giá trị KD Phương pháp Ziegler-Nichols : 41 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Đặt KI=KD=0 Tăng KP đến hệ thống dao đợng t̀n hồn Đặt giá trị KP = Kc Đo chu kì dao động PC Chỉnh bằng phần mềm : Dùng phần mềm để tự động chỉnh định thông số PID (thực mô hình toán, kiểm nghiệm mô hình thực) Ví dụ dùng giải thuật di truyền (GA) để tìm thông số cho sai số đo được nhỏ giá trị yêu cầu 4.2 Hệ thống điều khiển động pha không đồng bộ: 4.2.1 Bộ điều khiển: Hình 4.7 Hệ thống điều khiển 42 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Ta mơ phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động pha không đồng bộ Simulink: Hình 4.8 Hệ thống điều khiển tốc độ động pha không đồng bộ Khối động cơ: Hình 4.9 Khối động Wfb: tốc độ phản hời Wcmd: tốc đợ đặt 43 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Góc từ thơng rotor phản hời bợ điều khiển dùng để tính toán dịng điều khiển tham chiếu ia*,ib*,ic* Bộ ngịch lưu: Hình 4.10 Bộ ngịch lưu Điện áp đặt vào 200 Vdc Điện áp ngõ được tính sau: 𝑣𝑎𝑛 𝑉𝐷𝐶 [ 𝑣𝑏𝑛 ] = [ −1 𝑣𝑐𝑛 −1 −1 −1 −1 −1 𝑎 ] [𝑏 ] 𝑐 Bộ điều khiển PID: Hình 4.11 Bộ điều khiển 44 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Đầu vào bợ điều khiển tốc độ đặt mong muốn tốc độ phản hồi từ động , đầu moment cần bổ sung 𝑇𝑒 = 𝑃 𝐿𝑚 𝜆 𝑖 𝐿𝑟 𝑟 𝑞𝑠 𝑑𝜔𝑚 𝑇𝑒 = 𝑑𝑡 − 𝑇𝐿 𝐽 Để tính toán dòng tham chiếu ta sử dụng khối chủn đởi sau: Hình 4.12 Khối tính toán dịng tham chiếu 4.2.2 Kết quả mô phỏng: Khi không tải: Tốc độ sau điều khiển: Hình 4.13 Kết quả mô phỏng đợng khơng tải 45 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Moment khơng có tải: Hình 4.14 Moment không tải Khi có tải: Cài đặt tải: Hình 4.15 Cài đặt tải TL 46 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Thông số bộ PID anti-windup: Hình 4.16 Thông số bộ PID anti-windup Tốc độ sau điều khiển: Hình 4.17 Kết quả mơ phỏng đợng có tải 47 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Moment có tải: Hình 4.18 Moment có tải Dịng điện có tải: Hình 4.19 Dịng điện có tải Nhận xét: Ta thấy gắn bộ điều khiển PID: Moment: Để đáp ứng nhanh thì moment mở máy ta thấy tăng gấp lần, sau dao đợng tốc đợ ởn định Khi có tải, ta thấy hệ thống cấp lượng moment phù hợp để bù tải cho hệ thống chạy được với tốc độ đặt ổn định 48 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Dịng điện: Dịng điện có tỉ lệ thuận với moment, ta thấy moment tăng khoảng thời gian mở máy thì dòng điện tăng, moment khoản thời gian ởn định thì dịng điện Khi moment tăng khoảng thời gian cấp tải thì dòng điện tăng Tốc độ: Đáp ứng nhanh hơn, vọt lố Ở khoảng thời gian ta gắn tải, ta thấy tải bị sụt khoảng thời gian ngắn rồi lại giá trị đặt ban đầu, khơng cịn trạng thái bị sụt tốc đợ có tải 49 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc Truyền đông điện NXB ĐHQG, 2016 [2] John Wiley & Sons Advanced electric drives analysis, control, and modeling using MATLAB/Simulink Xuất bản đồng thời Canada, 2014 [3] Máy điện (Electrical machinery) ĐH Bách khoa – ĐHQG Tphcm, 2008 [4] Trần Công Binh Điều khiển số hệ thống điện cơ, điều khiển máy điện, động điện ĐH Bách khoa – ĐHQG Tphcm,2014 50 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến cô Bùi Thị Cẩm Quỳnh Cô đã hướng dẫn giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Những lời nhận xét, góp ý hướng dẫn đã giúp chúng em nhìn được ưu khuyết điểm đề tài từng bước khắc phục để có được kết quả tốt Chúng em xin cảm ơn thầy cô khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động đã tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng em các kiến thức chuyên ngành, công nghệ mới cách làm việc nhóm để hồn thành tốt khóa luận Và cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả người bạn đã giúp đỡ, sát cánh chúng em suốt thời gian qua Do kiến thức hạn hẹp nên khơng tránh khỏi thiếu sót cách hiểu, lỗi trình bày Chúng em mong nhận được đóng góp ý kiến, lời khuyên lời chỉ dẫn hữu ích từ q thầy để khóa luận được đầy đủ hoàn thiện Ngày Tháng Năm HẾT 51 ... bộ: 4. 2.1 Bộ điều khiển: Hình 4. 7 Hệ thống điều khiển 42 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Ta mơ phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động pha không đồng bộ Simulink: Hình 4. 8 Hệ thống điều. .. khiển tốc độ động pha không đồng bộ Khối động cơ: Hình 4. 9 Khối động Wfb: tốc đợ pha? ?n hời Wcmd: tốc đợ đặt 43 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Góc từ thơng rotor pha? ?n hời bợ điều. .. −1