Trên thế giới, việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển số cũng như thiết kế hệ thống thực được phát triển rất mạnh mẽ trong những năm gần đây tại các khu công nghiệp và viện nghiên cứu lớn trên thế giới. Điều khiển số đã được phát triển và triển khai nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực: Từ lĩnh vực tinh vi như điều khiển robot đến lĩnh vực sản xuất công nghiệp, điều khiển quá trình, …Kỹ thuật vi xử lý đã thâm nhập mạnh vào các hệ thống thiết bị điều khiển. Từ lóp kế cận hay trực tiếp với quá trình công nghệ, cho tới các lớp cấp trên. Kỹ thuật vi xử lý đã góp phần làm thay đổi bộ mặt của các trung tâm điều khiển, nơi theo dõi – xử lý các tín hiệu – dữ liệu thu thạp được, thực hiện nhiệm vụ điều khiển và tối ưu hóa, vận hành và phân tích quá trình công nghệ.Để nắm vững và trau dồi kiến thức đã học, nhóm em đã lựa chọn đề tài” Thiết kế xấp sỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RH 11D – 6001. Qua đó giúp chung em nâng cao và trau dồi thêm kiến thức và kinh nghiệm trong việc ứng dụng thuật toán vào điều khiển sản xuất các thiết bị nhúng. Nhóm em cũng cảm ơn thầy Nguyễn Văn Tiến đã hỗ trợ và hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thiện bài đồ án này. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình làm đồ án có nhiều thiếu xót, mong thầy và các bạn góp ý để nhóm em có thể hoàn thiện bài đồ án một cách tốt nhất
BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG MÃ HỌC PHẦN: ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XẤP SỈ LIÊN TỤC KHÂU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 Giáo viên hướng dẫn : Lớp : ĐIỀU KHIỂN SỐ Sinh viên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 1.1 Giới thiệu chung động Servo 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Cấu tạo động DC Servo .4 1.1.3 Nguyên lý hoạt động 1.2 Thông số động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 .9 2.1 Xây dựng mơ hình động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 2.2 Khảo sát động học động DC Servo Harmonic RH 11D – 6001 miền thời gian liên tục .11 2.2.1 Kết mô 11 2.2.2 Nhận xét 13 2.3 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống 14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH XẤP XỈ LIÊN TỤC .19 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục 19 3.2 Thiết kế điều khiển 19 3.2.1 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục .19 3.2.2 Thiết kế điều khiển xấp xỉ liên tục 22 3.3 Kết luận 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 MỞ ĐẦU Trên giới, việc nghiên cứu lý thuyết điều khiển số thiết kế hệ thống thực phát triển mạnh mẽ năm gần khu công nghiệp viện nghiên cứu lớn giới Điều khiển số phát triển triển khai nghiên cứu nhiều lĩnh vực: Từ lĩnh vực tinh vi điều khiển robot đến lĩnh vực sản xuất công nghiệp, điều khiển trình, …Kỹ thuật vi xử lý thâm nhập mạnh vào hệ thống thiết bị điều khiển Từ lóp kế cận hay trực tiếp với q trình cơng nghệ, lớp cấp Kỹ thuật vi xử lý góp phần làm thay đổi mặt trung tâm điều khiển, nơi theo dõi – xử lý tín hiệu – liệu thu thạp được, thực nhiệm vụ điều khiển tối ưu hóa, vận hành phân tích q trình cơng nghệ Để nắm vững trau dồi kiến thức học, nhóm em lựa chọn đề tài” Thiết kế xấp sỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RH 11D – 6001 Qua giúp chung em nâng cao trau dồi thêm kiến thức kinh nghiệm việc ứng dụng thuật toán vào điều khiển sản xuất thiết bị nhúng Nhóm em cảm ơn thầy Nguyễn Văn Tiến hỗ trợ hướng dẫn để chúng em hoàn thiện đồ án Do thời gian kiến thức cịn hạn chế nên q trình làm đồ án có nhiều thiếu xót, mong thầy bạn góp ý để nhóm em hồn thiện đồ án cách tốt CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 1.1 Giới thiệu chung động Servo 1.1.1 Tổng quan a Khái niệm Động servo hay gọi servo motor loại máy móc chuyên dùng để cung cấp cho thiết bị, dây chuyền hay cấu q trình sản xuất chế tạo Chúng có nhiệm vụ đầu tàu cung cấp lực kéo dây chuyền hay cấu khác hoạt động theo Thiết bị sử dụng từ trường để biến điện thành dạng xoay nhằm kéo tải Động servo phải kết nối với cấu khí để cung cấp thơng qua chuyển động quay Chính mà thực tế chúng có giá trị kết nối chúng thiết bị, cấu khác với chuyền, hệ thống đai, hệ thống xích, hệ thống bơm,… b Phân loại Động servo chia thành loại: Động servo AC: Là động cho phép xử lý dịng điện cao, thường sử dụng máy móc cơng nghiệp Động servo DC: Là động phù hợp cho ứng dụng nhỏ, khơng xử lý dòng điện cao 1.1.2 Cấu tạo động DC Servo Động DC Servo chia làm loại: động chiều có chổi than động chiều khơng chổi than - DC Servo Motor có chổi than: Loại động bao gồm phận stato, rotor, chổi than cuộn cảm lõi Hình 1: Cấu tạo động DC Servo - DC Servo Motor khơng có chổi than: cấu trúc loại động tương đối giống với động có chổi than Điều khác biệt cuộn pha lắp rotor động vĩnh cửu Hoạt động êm không gây tiếng ồn nên thường sử dụng rộng rãi phổ biến so với dịng có chổi than 1.1.3 Ngun lý hoạt động Rotor động nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh stator động cuộn dây riêng biệt, cấp nguồn theo trình tự thích hợp để quay rotor Nếu thời điểm dòng điện cấp tới cuộn dây chuẩn xác chuyển động quay rotor phụ thuộc vào tần số pha, phân cực dòng điện chạy cuộn dây stator Động servo hình thành hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động vận hành vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Khi bầt kỳ 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 Bộ điều khiển servo 1.2 Thông số động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 Động DC Servo Harmonic loại động bước nhỏ, sử dụng công nghiệp, khả điều khiển chuyển động momen xoắn với độ xác cao Động có hộp số cho momen xoắn cao, độ cứng xoắn cao hiệu suất cao Do mà sử dụng robot cơng nghiệp tự động hóa Hình 2: Động DC Servo Harmonic RH - 11D 6001 - Thông số kĩ thuật động DC Servo Harmonic RH - 11D 6001 Bảng 1: Thông số động Thông số Công suất đầu (sau hộp số) Điện áp định mức Dòng điện định mức Đơn vị W V A In-lb Nm rpm In-lb Nm A In-lb Nm rpm In-lb/A Mômen định mức TN Tốc độ định mức nN Mơmen hãm liên tục Dịng đỉnh Mơmen cực đại đầu Tm Tốc độ cực đại Hằng số mômen (KT) RH 11D 6001 13.6 24 1.3 19 2.2 60 22 2.5 2.4 43 4.9 100 22 Hằng số điện B.E.M.F (ảnh hưởng tốc độ đến sđđ phần ứng) Mơmen qn tính (J) Hằng số thời gian khí Độ dốc đặc tính Hệ số giảm xóc nhớt (Bf) Công suất định mức Hằng số thời gian nhiệt Kháng nhiệt Tỷ số truyền Tải trọng hướng tâm Tải trọng hướng trục Công suất động Tốc độ định mức động Điện trở phần ứng Điện cảm phần ứng Dòng thời gian liên tục Dòng khởi động Dòng khơng tải Độ xác truyền động Khả lặp lại truyền động - Đặc tính tải động Nm/A 2.46 v/rpm 0.26 In-bl-sec2 Kgm2x103 ms In-lb/rpm Nm/rpm In-lb/rpm Nm/rpm kW/s °C/W 1:R lb N lb N W rpm Ω mH ms A A arc-min arc-min 0.095 11 8.5 1.2 1.4x10-1 0.16 1.8x10-2 0.43 10 3.3 50 55 245 44 196 20 3000 4.7 1.6 0.34 0.31 0.61 2.0 ±60 Hình 3: Đặc tính tải động CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 2.1 Xây dựng mơ hình động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 Hình 1: Động điện chiều kích từ độc lập Ta có phần ứng biểu diễn vịng trịn có sức điện động E, điện áp phần ứng U, dòng phần ứng I, điện áp kích thích U k, dịng kích thích Ik Ta có phương trình động chiều Phương trình mạch phần ứng: (2.1) Phương trình mạch kích từ: (2.2) Phương trình mơmen: (2.3) Phương trình chuyển động hệ thống: (2.4) Từ thơng kích từ: (2.5) Do động chiều nam châm vĩnh cửu có từ thơng khơng đổi: Ta có phương trình động chiều nam châm vĩnh cửu: (2.6) (2.7) Từ hai phương trình ta thiết lập sơ đồ cấu trúc: Hình 2: Sơ đồ cấu trúc động chiều nam châm vĩnh cửu Tham số động cơ: Điện áp định mức phần ứng: Tốc độ quay định mức: Dòng điện định mức: Điện cảm phần ứng: Điện trở phần ứng: Momen quán tính động cơ: Hệ số momen: Hệ số ma sát: Bf = (Nm/rpm) Hệ số sức điện động: Mơ hình động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 Dòng điện định mức: 1.4 A Dòng khởi động gấp lần dịng định mức Thơng số mô sấp sỉ gần thông số nhà sản suất cung cấp 2.3 Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống - Tính tốn hàm truyền Matlab 13 Hình 9: Tính tốn hàm truyền Matlab - Mơ ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T = 0.01s Hình 2.10: Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T=0.01s 14 Hình 2.11: Đáp ứng với chu kỳ trích mẫu T=0.01s - Mơ ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T = 0.001s Hình 2.12: Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T=0.001s 15 Hình 2.13: Đáp ứng với chu kỳ trích mẫu T=0.001s - Mơ ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T = 0.001s qua hộp số Hình 2.14: Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T=0.001s qua hộp số 16 Hình 2.13: Đáp ứng với chu kỳ trích mẫu T=0.001s qua hộp số - Nhận xét: Với chu kỳ trích mẫu nhỏ ta nhận đáp ứng đầu dao động, ổn định chất lượng 17 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH XẤP XỈ LIÊN TỤC 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục - Luật PID miền thời gian mô tả: (3.1) Với: KR : hệ số tỷ lệ Tc: số thời gian chậm sau Tv: số thời gian chậm trước - Xấp xỉ luật PID sử dụng phương pháp hình thang cho thành phần I phân thức sai phân bậc cho thành phần D (3.2) Với: (3.3) (3.4) (3.5) - Biến dạng thuật tốn PID2: Theo Takahashi làm suy giảm bớt biên độ đại lượng điều khiển đại lượng chủ đạo (giá trị đặt) có đột biến nhanh cách thay ek = wk – xk sử dụng ek = - xk Từ ta có: (3.6) 3.2 Thiết kế điều khiển 3.2.1 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục - Xây dựng cấu trúc điều khiển tốc độ động Matlab: 18 Hình 1: Cấu trúc điều khiển tốc độ động - Tính tốn PID Matlab Hình 2: Tính tốn PID Matlab Thông số điều khiển PI: P = 0.3971; I = 11.16 - Mơ Matlab 19 Hình 3: Tốc độ động Hình 4: Dịng điện động 20 Hình 5: Tốc độ động có cản Mc = 2.2 Hình 6: Dịng điện động có cản Mc = 2.2 - Nhận xét: Thời gian xác lập nhanh 0.5s Độ độ khoảng 10% Tốc độ dòng điện với tốc độ dòng điện định mức Khi có tải tác động thời gian phản hồi 0.4s Khi có tải tác động sau khoảng 0.4s tốc độ trở tốc độ định mức ban đầu 3.2.2 Thiết kế điều khiển xấp xỉ liên tục Ta có thơng số điều khiển PI vừa tính P = KR = 0.3971 I = = 11.16 = = = 0.036 21 D = => Tv = Chọn T = 0.001 Xấp xỉ luật PID sử dụng phương pháp hình thang cho thành phần I phân thức sai phân bậc cho thành phần D ta có: (3.6) Với: (3.7) (3.8) (3.9) Ta có: (3.10) (3.11) (3.12) (3.13) (3.14) = = 0.4 ==- 0.39 = =0 = =0 - Mô Matlab Hình 7: Mơ Matlab 22 Hình 8: Tốc độ động Hình 9: Dịng điện động 23 Hình 10: Tốc độ động tác động cản Mc Hình 11: Dịng điện động có cản - Nhận xét: Thời gian xác lập nhanh 0.6s Độ độ khoảng 13% Tốc độ dòng điện với tốc độ dịng điện định mức Khi có tải tác động thời gian phản hồi 0.5s Khi có tải tác động sau khoảng 0.5s tốc độ trở tốc độ định mức ban đầu 3.2.3 So sánh điều khiển: 24 Đáp ứng dòng tốc độ hai điều khiển tương đối giống Thời gian xác lập điều khiển số nhanh chút so với điều khiển PI Độ độ điều khiển số thấp so với điều khiển PI Nguyên nhân gây sai số làm trịn q trình tính tốn lấy thơng số 3.3 Kết luận Từ kết mô cho thấy đáp ứng đầu hai điều khiển tương đối giống Do thời gian trích mẫu nhỏ nên miền tương tự miền số Khi có điều khiển đáp ứng tốc độ liên bám theo tín hiệu đặt Từ cho ta thấy cách thức thuật toán xây dựng điều khiển xấp sỉ liên tục xác hồn tồn 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 ... số động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 .9 2.1 Xây dựng mô hình động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 2.2 Khảo sát động. .. điện động: Mơ hình động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 Hình 3: Mơ hình cấu trúc động Hình 4: Thơng số động 2.2 Khảo sát động học động DC Servo Harmonic RH 11D – 6001 miền thời gian liên tục. .. Hình 3: Đặc tính tải động CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 2.1 Xây dựng mơ hình động DC SERVO HARMONIC RH 11D – 6001 Hình 1: Động điện chiều kích từ độc lập Ta có phần