Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước nhảy vọt, đặc biệt là sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội một bước phát triển mới, nó ảnh hưởng đến hầu hết các vấn đề của xã hội và trong công nghiệp cũng vậy. Hòa cùng sự phát triển đó, ngày càng nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các họ vi sử lý mạnh vào trong công nghiệp, trong việc điều khiển và sử lý đữ liệu. Những hạn chế của kỹ thuật tương tự như sự trổi thông số, sự làm việc cố định dài hạn, những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đã thúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số. Ngoài ra điều khiển số cho phép tiết kiện linh kiện phần cứng, cho phép tiêu chuẩn hóa. Với cùng một bộ vi sử lý, một cấu trúc phần cứng có thể dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên kỹ thuật số cũng có những nhược điểm như sử lý các tín hiệu rời rạc, đồng thời tín hiệu tương tự có những ưu điểm mà kỹ thuật số không có như tác động nhanh và liên tục. Vì vậy xu hướng điều khiển hiện nay là phối hợp cả điều khiển số và điều khiển tương tự. Để lắm vững những kiến thức đã học thì việc nghiên cứu là cần thiết đối với sinh viên. Vì vậy nhóm em được giao đề tài bài tập lớn “Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động cơ DC Servo Harmonic RH 11D3001.” Qua bài tập lớn đã giúp chúng em biết thêm được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm. Dưới sự hướng dẫn của thầy … chúng em đã thực hiện xong bài tập này. Do kiến thức còn hạn chế nên bài tập còn có nhiều sai xót, nên chúng em mong nhận được sự bổ sung của các thầy.
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN SỐ Mà HỌC PHẦN: 13310 + 13310H ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XẤP XỈ LIÊN TỤC KHÂU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RH 11D-3001 Giảng viên: Lớp: ĐIỀU KHIỂN SỐ Nhóm sinh viên: MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 11D-3001 1.1 Giới thiệu động Servo 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Cấu tạo động Servo .2 1.1.3 Hình ảnh thực tế động Server 1.2 Thông số động DC Servo Harmonic RHS 11D - 3001 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ .6 2.1 Mô tả đối tượng điều khiển .6 2.2 Khảo sát động học đối tượng miền thời gian liên tục 2.2.1 Mơ hình mơ 2.2.2 Kết mô 2.2.3 Nhận xét CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC 10 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục .10 3.2 Thiết kế điều khiển 10 3.2.1 Thiết kế điều khiển PID miền liên tục .10 3.2.2 Thiết kế điều khiển số xấp xỉ liên tục 13 3.3 Mô 14 3.4 Kết luận 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 MỞ ĐẦU Trong năm gần công 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 sử lý mạnh vào công nghiệp, việc điều khiển sử lý đữ liệu Những hạn chế kỹ thuật tương tự trổi thông số, làm việc cố định dài hạn, khó khăn việc thực chức điều khiển phức tạp thúc đẩy việc chuyển nhanh công nghệ số Ngoài điều khiển số cho phép tiết kiện linh kiện phần cứng, cho phép tiêu chuẩn hóa Với vi sử lý, cấu trúc phần cứng dùng cho nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên kỹ thuật số có nhược điểm sử 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 Vì nhóm em giao đề tài tập lớn “Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RH 11D-3001 ” Qua tập lớn giúp chúng em biết thêm nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm Dưới hướng dẫn thầy … chúng em thực xong tập Do kiến thức hạn chế nên tập cịn có nhiều sai xót, nên chúng em mong nhận bổ sung thầy CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 11D-3001 1.1 Giới thiệu động Servo 1.1.1 Tổng quan 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) Điều khiển DC Motor ta tự xây dựng cho nhiều hệ thống tự động 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 1.1.2 Cấu tạo động Servo DC Servo Motor có chổi than: loại động bao gồm phận là: stato, rotor, chổi than cuộn cảm lõi Hình 1.1 Cấu tạo động servo 1.1.3 Hình ảnh thực tế động Server Hình 1.2 Hình ảnh thực tế động Server 1.2 Thơng số động DC Servo Harmonic RHS 11D - 3001 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 Thơng số Bảng 1.1 Thơng số kỹ thuật động Đơn vị Động RH-11D-3001 Công suất đầu (sau hộp số) W 12.3 Điện áp định mức V 24 Dòng điện định mức A 1.3 In-lb 34 Nm 3.9 rpm 30 In-lb 39 Nm 4.4 A 2.1 In-lb 69 Nm 7.8 rpm 50 In-lb/A 43 Mômen định mức TN Tốc độ định mức nN Mômen hãm liên tục Dịng đỉnh Mơmen cực đại đầu Tm Tốc độ cực đại Hằng số mômen (KT) Nm/A Hằng số điện B.E.M.F (ảnh hưởng tốc độ đến sđđ phần ứng) (Ke) Mơ men qn tính (J) v/rpm In-bl –sec2 4.91 0.50 0.38 Kg.m2 Hằng số thời gian khí 43.0 msec 8.5 In-lb/rpm 4.6 Nm/rpm 5.2*10−1 In-lb/rpm 0.62 Nm/rpm 1.7*10^-2 1:R 100 lb 55 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 Phan cam mH 1.6 Dòng thời gian liên tục ms 0.34 Dòng khởi động A 0.31 Dịng khơng tải A 0.55 Độ dốc đặc tính Hệ số momen nhớt ( Bf) Tỷ số truyền Tải trọng hướng tâm Tải trọng hướng trục CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Mô tả đối tượng điều khiển Đối tượng điều khiển mô tả phương trình tốn học sau: diA Điện áp phần ứng: uư=eA+RưiA+Lư dt Sức từ động cảm ứng: eư=ke.n dn Tốc độ quay: = (mM −mT) dt 2J Momen quay: mM = kM.iA Hằng số động cơ: ke = 2.kM Hằng số thời gian phần ứng: Tư= Lu Ru Tham số động cơ: Rư Lư = 4.7 Ω = 0.0016 H (điện trở phần ứng) (điện cảm phần ứng) Kt = 4.91 Nm/A (hệ số mô men) Ke = 0.5 V/rpm (hệ số sức điện động) Bf = 0.017 Nm/rpm (hệ số ma sát) J = 0.043 Kg.m2 (hệ số mơ men) Ta có sơ đồ cấu trúc động sau: Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc động 2.2 Khảo sát động học đối tượng miền thời gian liên tục 2.2.1 Mơ hình mơ Hình 2.2 Mơ hình mơ động 2.2.2 Kết mô ➢ Khi không tải: Hình 2.3 Đáp ứng tốc độ khơng tải Hình 2.4 Đáp ứng dịng điện khơng tải ➢ Khi có tải (thời gian bắt đầu có tải sau 1s): Hình 2.5 Đáp ứng tốc độ có tải Hình 2.4 Đáp ứng dịng điện phần ứng 2.2.3 Nhận xét ➢ Thời gian đáp ứng động nhanh khoảng 0.3 (s) ➢ Dòng điện tốc độ động thay đổi có tải khơng có khả ổn định tốc độ ➢ Dịng khởi động lớn nhiều so với dòng định mức (gấp lần) CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục Luật PID miền thời gian mơ tả: ��(�) � �� ] (3.1) �� Trong đó: KR: Hệ số tỉ lệ Tc: Hằng số thời gian chậm sau Tv: Hằng số thười gian vượt mức Sử dụng phương pháp xấp xỉ theo luật PID: Giả sử xấp xỉ thành phần I theo phương pháp hình chữ nhật thành phần D bậc 1: �� = �� [�� + (3.2) � � � �� ∑ � => �� = ��−1 + �� [�� − ��−1 + � �� ��−1 + ��� (�� � )] − 2��−1 − ��−2)] (3.3) Vậy: ��(�) = � �((��)) (3.4) Với: 10 = �0+�11�−−�1−+1�2�−2 �0 = �� (1 + ���); �1 = −�� (1 + 2��� − ���); �2 = �� ��� 3.2 Thiết kế điều khiển 3.2.1 Thiết kế điều khiển PID miền liên tục ➢ Mơ hình mơ matlab: Hình 3.1 Mơ hình mơ matlab ➢ Sử dụng PID Tuner App để tìm điều khiển: 11 (3.5) Hình 3.2 PID Tuner App ➢ Ta có thơng số điều khiển: Hình 3.3 Thơng số điều khiển 12 ➢ Kết quả: Hình 3.4 Đáp ứng tốc độ Hình 3.5 Đáp ứng dòng điện ➢ Nhận xét: - Thời gian đáp ứng nhanh 0.4 (s) - Độ độ nhỏ (10%) 13 - Dòng khởi động nhỏ chưa có điều khiển 3.2.2 Thiết kế điều khiển số xấp xỉ liên tục Chọn T = 0.001 (s) Từ (3.1) thông số từ điều khiển PID hình 3.3 ta có: � = �� = 0.35 �= � ��� = 9.4 → �� = 0.037 � = ��.�� = → �� = Từ (3.5) ta thông số điều khiển số xấp xỉ liên tục: �0 = �� (1 + ���) = 0.35, �1 = −�� (1 + 2��� − ���) = −0.34, �2 = �� ��� = Thay �0, �1, �2 vào (3.4) ta điều khiển số: �(�) �0 + �1�−1 + �2�−2 0.35 − 0.34�−1 ��(�) = − �−1 �(�) =1 = 14 3.3 Mô Hình 3.6 Mơ matlab ➢ Kết mơ phỏng: Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ 15 Hình 3.8 Đáp ứng dòng điện ➢ Nhận xét: - Đáp ứng điều khiển số xấp xỉ với điều khiển liên tục PID - Dòng khởi động điều khiển số cao chút so với điều khiển liên tục PID - Độ độ điều khiển số thấp so với điều khiển liên tục 3.4 Kết luận Các kết mô cho thấy đáp ứng điều khiển miền liên tục đáp ứng điều khiển số xấp xỉ liên tục 16 Khẳng định thuật toán cách thức xây dựng điều khiển số xấp xỉ liên tục hoàn toàn xác Chu kì trích mẫu nhỏ cho phép ta thiết kế điều khiển có chất lượng cao Tuy nhiên lúc ta lựa chọn chu kì trích mẫu nhỏ, điều phụ thuộc vào lực tính tốn thiết bị, tài nguyên hỗ trợ thân hệ thống cần điều khiển 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG – TS Nguyễn Khắc Khiêm, TS Phạm Tuấn Anh – nhà xuất hàng hải, 2018 18 ... Hình 1.1 Cấu tạo động servo 1.1.3 Hình ảnh thực tế động Server Hình 1.2 Hình ảnh thực tế động Server 1.2 Thông số động DC Servo Harmonic RHS 11D - 3001 Động DC Servo Harmonic loại động bước nhỏ,... CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 11D-3001 1.1 Giới thiệu động Servo 1.1.1 Tổng quan Điều khiển động DC (DC Motor) ứng dụng thuộc dạng điều khiển tự động DC Motor cấu chấp hành... 2.2.2 Kết mô 2.2.3 Nhận xét CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC 10 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục .10 3.2 Thiết kế điều khiển 10 3.2.1 Thiết