TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ==========o0o========== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ MÃ HỌC PHẦN 13311 GIẢNG VIÊN TRẦN TIẾN LƯƠNG LỚP ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ N[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ==========o0o========== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ MÃ HỌC PHẦN: 13311 GIẢNG VIÊN: LỚP: SINH VIÊN: MÃ SINH VIÊN: TRẦN TIẾN LƯƠNG ĐIỀU KHIỂN HỆ ĐIỆN CƠ - N05 HOÀNG THANH TÙNG 85417 Hải Phòng, tháng năm 2022 Mục lục: I II III A B IV A B C V Cấu trúc điều khiển Lựa chọn thiết bị Xây dựng mơ mơ hình đối tượng Giới thiệu động chiều Cấu tạo động chiều Phân tích động chiều Nguyên lí làm việ động chiều Đặc tính động chiều kích từ độc lập Chế độ xác lập động điện chiều kích từ độc lập Chế độ độ động điện chiều kích từ độc lập Mơ động chiều Tính tốn điều khiển Bộ điiều khiển mờ Bộ điều khiển PID Tính tốn điều khiển Mơ tồn hệ thống I Cấu trúc điều khiển Rω: điều khiển tốc độ, ta dung điều khiển mờ Ri: điều khiển dòng điện BBĐ: biến đổi Đo ω: đo tốc độ động Đo i: đo dòng điện M: động chiều với thông số cho trước II Lựa chọn thiết bị Encoder E6B2-CWZ6C 600 xung Thông số kĩ thuật - Điện áp hoạt động: 5-24VDC - Đầu ra: đầu xung A, B, Z - Dạng xung: NPN - Dòng tiêu thụ : Max 80mA - Tần số đáp ứng tối đa : 100khz - Đường kính trục : 6mm - Đường kính thân : 40mm - Dây dài: 2m Động 220v Momen xoắn cực đại: 1.5Nm – 2.54Nm Đường kính trục: 16mm (có then) Công suất: 500W Điện áp: 220V – DC Cương độ dòng điện: 5A Số vòng quay: 1800 v/p, 3600v/ p Khối lượng: 6kg – 8kg BỘ ĐIỀU KHIỂN PID AUTO- TURN TENSE PC-72 Kích thước : 72x72mm Hiển thị : LED Dạng cảm biến : J,K,S type T/C, Pt100 Dải đo lường : -100 600 oC, J type T/C, (Inpt=J), -100 1300 oC, K type T/C, (Inpt=k) 1750 oC, S type T/C, (Inpt=S) 100 600 oC, Pt100, (Inpt=Pt) Độ chia : ± oC Sai số : ± 0.3 % Sai số thời gian : ± % 1.5 (so với giá trị đặt) Dạng điều khiển : ON-OFF or P, PI, PD, PID Ngõ nhiệt : Relay (NO + NC), 250VAC, 2A, Ngõ cảnh báo : Relay (NO + NC), 250VAC, 2A Chỉnh nhiệt : xxx ( phụ thuộc vào cảm biến kết nối ) oC Chỉnh cảnh báo : AL.tY = Abs; Scale oC (A.SEt) AL.tY = rel; -100 +100 oC (r.Alr) Cách lắp đặt: Mặt cánh tủ Đồng hồ đo dòng điện (A) TENSE DJ-A96 Đồng hồ đo dịng điện (A) pha có chức kiểm sốt dịng điện, cảnh báo có cố dịng điện (q dịng / thấp dịng), để đóng cắt hệ thống thông qua máy cắt contactor: + Cảnh báo người dùng dòng điện cao thấp so với ngưỡng cài đặt + Điều chỉnh thời gian trễ cảnh báo bảo vệ + Có khả nhận biết dòng khởi động cho phép cài đặt thời gian trễ cho bảo vệ động + Ngõ rơ le đưa tín hiệu đến đóng cắt hệ thống + Điều chỉnh thời gian tự động reset có lỗi dịng điện cao,thấp - Hiển thị LED ơ, chữ số - Điện áp hoạt động : 150-260VAC - Tần số hoạt động : 50/60Hz - Dải đo dòng điện : 150mA - 5,5A AC đo trực tiếp - Kết nối biến dòng : 10/5A - 995/5A (X5) - Sai số : 1% - Cấp độ bảo vệ : IP20 Bộ nguồn DC QJE QJ3003XE Output Voltage : ~ 30V Output Current : ~ 3A Resolution : 100mV/10mA Input Voltage : 220VAC – 50/60Hz Source effect CV≤1×10-4+5mV CC≤1×10-4 +5mA Load effect CV≤1×10-4 +5mV CC≤1×10-4 +5mA Ripple&Noise CV≤1mV rms/3mVp-p Dimensions (WxHxD) : 130x190x270mm Weight (kg) : 5.1 Bộ điều khiển ATyS C55 • Tự cấp nguồn từ cảm biến • Dải điện áp hoạt động: 88 – 576VAC • Nguồn cung cấp 24 VDC aux (để sử dụng tùy chọn) • relay chốt • Trình hướng dẫn vận hành thơng minh • Mức độ bảo vệ IP65 với miếng đệm (phụ kiện) • 1000 Báo động Sự kiện • I/O lập trình • Bộ tạo thời gian biểu vận hành máy phát • Lắp lên cửa mặt đằng sau • Các ứng dụng Main/Main, Main/Gen Gen/Gen • Phần mềm cấu hình Easyconfig • Truyền thơng Modbus RS485, Ethernet, SNMP, BACnet sử dụng thông qua DIRIS M-70 Gateway – WEBSERVER • DIRIS Digiware D-70 sử dụng làm hình hiển thị từ xa cho nhiều điều khiển ATyS C55/ C65; D-70 cung cấp kết nối Ethernet, SNMP & BACnet sơ đồ đấu nối thiết bị: III Xây dựng mơ mơ hình đối tượng A ĐỘNG CƠ CHIỀU Cấu tạo động điện chiều Máy điện chiều máy phát động điện có cấu tạo giống Những phần máy điện chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) phần ứng (phần quay) Các trị số định mức động điện chiều Chế độ làm việc định mức máy điện nói chung động điện chiều nói riêng chế độ làm việc điều kiện mà nhà chế tạo quy định Chế độ đặc trưng đại lượng ghi nhãn máy gọi đại lượng định mức Công suất định mức Pđm (kW hay W) Điện áp định mức Uđm (V) Dòng điện định mức Iđm (A) Tốc độ định mức nđm (vòng/ph) Ngồi cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích thích, dịng điện kích từ… Chú ý: Cơng suất định mức công suất đưa máy điện Đối với máy phát điện cơng suất đưa đầu cực máy phát, cịn động công suất đưa đầu trục động Phân loại động điện chiều Dựa theo cuộn kích từ, động chiều có loại sau: - Động chiều kích từ độc lập - Động chiều kích từ song song - Động chiều kích từ nối tiếp - Động chiều kích từ hỗn hợp stato Cực từ Dây quấn cực từ Day quấn cực từ phụ Cực từ phụ Lõi sắt Gông từ Dây quấn phần ứng Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dịng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên tạo nên mômen tác dụng lên rôto, làm quay rôto Chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 1a) Hình 1a Hình 1b Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ (hình 1b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, lực tác dụng lên rơto theo chiều định, đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Đặc tính động chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện chiều có cơng suất vơ lớn điện áp khơng đổi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc động gọi động kích từ song song (hình 2a) Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với (hình 2b), lúc động gọi động kích từ độc lập + - U U + Rf CKT E RKT I IKT E CKT Rf RKT IKT + UKT I - 2b Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Hình 2a Sơ đồ nối dây động kíchHình từ song song Phương trình đặc tính Theo sơ đồ (hình 2b), viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư Trong đó: Uư : điện áp phần ứng (V), Eư : sức điện động phần ứng (V), Rư : điện trở mạch phần ứng (), Rf : điện trở phụ mạch phần ứng (), Iư : dòng điện mạch phần (A) Với: Rư = rư + rcf + rb + rct (1.1) rư : điện trở cuộn dây phần ứng, rcf : điện trở cuộn cực từ phụ, rb : điện trở cuộn bù rct : điện trở tiếp xúc chổi than Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: p N . K. π a Eư = Trong đó: (1.2) p.N K = a - hệ số cấu tạo động cơ, p – số đơi cực từ chính, N – số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng, a – số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng, - từ thơng kích từ cực từ Wb - tốc độ góc, rad/s Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì: Eư = Ke n (1.3) 2..n = 60 Vì p.N .n Eư = 60.a p.N Ke = 60.a : Hệ số sức điện động động cơ, K 0,105K , 55 Ke = Từ công thức (1 - 1) (1 - 2) ta có: U R Rf I K K = ( 1.4 ) Biểu thức (1 - 4) phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mômen điện từ Mđt đcộng xác định bởi: Mđt = K Iư ( 1.5 ) Suy M dt K Iư = Thay giá trị Iư vào (1-4) ta được: U R Rf M dt K K = ( 1.6 ) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động mômen điện từ, ta ký hiệu M, nghĩa Mđt = Mcơ = M = U R Rf M K K ( 1.7 ) Đây phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập o o I®m Inm I M®m Mnm M Hình 1- Đặc tính điện đặc tính cơ động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng bù đủ, từ thông = const, phương trình đặc tính điện (1 - ) phương trình đặc tính (1.7) tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn (hình 1.7) Theo đồ thị trên, Iư = M = ta có : U o K o gọi tốc độ khơng tải lý tưởng động Cịn = ta có: I U I nm R Rf M = K Inm = Mnm Inm, Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mômen ngắn mạch, Nhận xét: đặt Uu 9v, tốc độ động tăng dần từ lên đến 101 khoảng 69 giây (đường màu xanh), cường độ dòng điện giảm dần từ 69A xuống sấp xỉ tốc độ động xác lập (đường màu vàng) C Tính tốn điều khiển A Bộ điều khiển mờ I CẤU TRÚC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Hoạt động điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm phương pháp rút kết luận theo tư người sau cài đặt vào máy tính sở logic mờ Một điều khiển mờ bao gồm khối bản: Khối mờ hoá, thiết bị hợp thành khối giải mờ Ngồi cịn có khối giao diện vào giao diện - Khối mờ hoá có chức chuyển giá tri rõ biến ngơn ngữ đầu vào thành véctơ μ có số phần tử số tập mờ đầu vào -Thiết bị hợp thành mà chất triển khai luật hợp thành R xây dựng sở luật điều khiển - Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu thành giá trị rõ y0 (ứng với giá tri rõ x0 đề điều khiển đối tượng) - Giao diện đầu vào thực việc tông hợp chuyển đổi tin hiệu vào (từ tương tự sang số), ngồi cịn có thểm khâu phụ trợ đê thực toán động tích phân, vi phân - Giao diện đầu thực chuyển đổi tín hiệu (từ số sang tương tự) để điều khiển đối tượng Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào phương pháp toán học sở định nghĩa biến ngôn ngữ vào/ra lựa chọn luật điều khiển Do điều khiển mờ có khả xử lý giá trị vào/ra biểu diễn dạng dấu phẩy động với độ xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng yêu cầu tốn điều khiển "rõ ràng" "chính xác" II Các điều khiển mờ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TĨNH a Khái niệm Bộ điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x), với x đầu vào y đầu ra, theo dạng phương trình đại số (tuyến tính phi tuyến) Bộ điều khiển mờ tĩnh không xét tới yếu tố "động" đối tượng (vận tốc, gia tốc,…) Các điều khiển tĩnh điển hình khuếch đại P, điều khiển re lay hai vị trí, ba vị trí, b Thuật tốn tổng hợp điều khiển mờ tĩnh Các bước tổng hợp điều khiển mờ tĩnh giống bước chung để tổng hợp điều khiển mờ trình bày Để hiểu kỹ ta xét ví dụ cụ thể sau: Ví dụ: Hãy thiết kế điều khiển mờ tĩnh SISO có hàm truyền đạt y = f(x) khoảng x = [a1 , a2] tương ứng với y khoảng y [β1, β2] Bước 1: Định nghĩa tập mờ vào, - Định nghĩa N tập mờ đầu vào: A1, A2,…, An khoảng [a1 , a2] x có hàm liên thuộc μAi (x) (i = 1, 2, , Ni dạng hình tam giác cân - Định nghĩa N tập mờ đầu ra: B1, B2,…, BN khoảng [β1, β2] y có hàm liên thuộc μBj(x) (j = 1, 2, , N) dạng hình tam giác cân Bước 2: Xây dựng luật điều khiển Với N hàm liên thuộc đầu vào ta xây dựng N luật điều khiển theo cấu trúc: Ri: χ = Ai; γ = Bi Bước 3: Chọn thiết bị hợp thành Giả thiết chọn nguyên tắc triển khai SUM-PROD cho mệnh đề hợp thành, công thức Lukasiewicz cho phép hợp tập mờ đâu B’ đầu vào giá trị rõ x0 là: N μ B ( y )={1, MIN ∑ μ Bi ( y ) μ Ai ( x 0) } ' i=1 Vì μ Bi ( y ) hàm kronecker μ Bi ( y ) μ Ai ( x )=μ Ai ( x ) đó: N μ B ( y )={1, MIN ∑ μ Ai ( x ) } ' i=1 Bước 4: Chọn phương pháp giải mờ Chọn phương pháp trung bình có trọng số để giải mờ, ta có: N ∑ y i μ Ai ( x ) y ( x )= i=1N ∑ μ Ai ( x ) i=1 Quan hệ truyền đạt điều khiển mờ có dạng N ∑ y i μ Ai ( x ) y ( x )= i=1N ∑ μ Ai ( x ) i=1 c Tổng hợp điều khiển mờ tuyến tính đoạn Trong kỹ thuật nhiều ta cần phải thiết kế điều khiển mờ với đặc tính vào - cho trước tuyến tính đoạn Ta xét ví dụ đơn giản với đường đồ thị y(x) cho trước dạng liên tục, gãy khúc với miền xác định đóng khoảng liên thông x ≤ x ≤ x hình 2.1 gồm điểm gãy khúc ( x i , y i ) , ⅈ=1,2,3,4,5,6 Nhiệm vụ thiết kế điều khiển mờ đặt xác định hệ mờ theo cấu trúc hình 1.21a, tức phải thiết kế khâu mờ hóa biến ngơn ngữ đầu vào A x ∈ X , biến ngồn ngữ đầu B y ∈ Y , khâu luật điều khiển luật hợp thành khâu giải mờ, cho quan hệ truyền đạt x ↦ ycủa đường gãy khúc y(x) cho trước Hình 2.1 Đặc tính vào cho trước Thuật tốn tổng hợp điều khiển giống thuật toán tổng hợp điều khiển mờ với hàm truyền đạt y(x) Tuy nhiên, để đoạn đặc tính thẳng nối với cách liên tục nút cần tuân thủ số nguyên tắc sau: 1.Thiết kế khâu mờ hóa: Hệ có biến ngơn ngữ đầu vào A x ∈ X , biến ngôn ngữ đầu B y ∈ Y Ta định nghĩa giá trị mờ (tập mờ) , Ai , ⅈ=1,2,3,4,5,6dạng hình tam giác hình 2.2 có đáy khoảng kín x i−1 , x i+1 , đỉnh x i , hai đầu mút có x 0= x x 6= x tập mờ Bi , ⅈ=1,2,3,4,5,6 đầu dạng singleton Hình 2.2 Mờ hóa 2.Thiết kế luật điều khiển luật hợp thành Luật điều khiển gồm mệnh đề hợp thành: Ri :nếu A= A i B=Bi , ⅈ=1,2,3,4,5,6 Thiết bị hợp thành max - Phương pháp giải mờ: Điểm trọng tâm trung bình có trọng số BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG Bộ điều khiển mờ động điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động đối tượng vận tốc, gia tốc, dạo hàm gia tốc, Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có đạo hàm sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với biến động đột xuất đối tượng Các điều khiển mờ động hay dùng điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân (PD) tỉ lệ vi tích phân (PID) a Bộ điều khiển mờ luật PI Bộ điều khiển mờ luật PI thiết kế tốt điều khiển đối tượng miền làm việc rộng với sai số xác lập Tuy nhiên cần ý điều khiển làm chậm đáp ứng hệ thống nhiều trường hợp điều chỉnh xảy dao động Cấu trúc điều khiển mờ luật PI Có hai cách để thực điều khiển PI mờ trình bày hình 2.3, dễ dàng thấy hai sơ đồ tín hiệu điều khiển có quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào tích phân tín hiệu vào Tuy nhiên, sơ đồ hình 2.3a khó thực theo kinh nghiệm đưa quy tắc điều khiển dựa vào tích phân 39 sai số Do có sơ đồ điều khiển PI mờ hình 2.3b sử dụng thực tế Bộ điều khiển PI mờ thiết kế tốt điều khiển đối tượng miền làm việc rộng với sai số xác lập Tuy nhiên cần để ý rằng, điều khiển PI làm chậm đáp ứng hệ thống làm cho q trình điều chỉnh có dao động Cấu trúc điều khiển PI mờ Hệ tiền sử lý cho điều khiển PI mờ ... động điện chiều kích từ độc lập Chế độ độ động điện chiều kích từ độc lập Mơ động chiều Tính toán điều khiển Bộ điiều khiển mờ Bộ điều khiển PID Tính tốn điều khiển Mơ toàn hệ thống I Cấu trúc điều. .. hoàn toàn đáp ứng yêu cầu tốn điều khiển "rõ ràng" "chính xác" II Các điều khiển mờ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TĨNH a Khái niệm Bộ điều khiển mờ tĩnh điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x), với x đầu vào... ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG Bộ điều khiển mờ động điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động đối tượng vận tốc, gia tốc, dạo hàm gia tốc, Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển