Bài tập lớn Điều khiển số

Nội dung thực hiện: Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển số -Giới thiệu chung -Hệ thống điều khiển được giao. Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều khiển số -Cơ sở lý thuyết -Ứng dụng vào bài tập được giao. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển số -Cơ sở lý thuyết -Ứng dụng thiết kế bộ điều chỉnh cho bài tập được giao.

Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Mục lục Trang Đề bài: Cho hệ thống điều khiển số có cấu trúc hình vẽ: R(s) (-) T Gc (z) ZOH G(s) C(s) H(s) Trong đó: T: chu kì lấy mẫu Gc(z) : Bộ điều chỉnh Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội G(s): Đối tượng điều khiển, hàm truyền đối tượng điều khiển H(s): Khâu phản hồi, hàm truyền khâu phản hồi Cho số liệu : T(sec) Gc(z) 0,8 P G(s) s(s + 1) H(s) s +1 Nội dung thực hiện: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển số Giới thiệu chung Hệ thống điều khiển giao - Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống điều khiển số - Cơ sở lý thuyết Ứng dụng vào tập giao Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển số - Cơ sở lý thuyết Ứng dụng thiết kế điều chỉnh cho tập giao Chương 4: Tính ổn định chất lượng hệ thống điều khiển số - Cơ sơ lý thuyết Ứng dụng vào tập giao Chương 5: Mô đánh giá kết - Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink mô đánh giá kết hệ thống điều khiển Kết luận Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ A Giới thiệu chung Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 1.1 Khái niệm Tùy theo tính chất tín hiệu mà hệ thống điều khiển tự động phân thành hệ liên tục hệ gián đoạn Hệ thống liên tục: tất phần tử hệ thống có tín hiệu truyền Hệ thơng gián đoạn: mắt xích điều khiển có khâu truyền gián đoạn Hệ điều khiển số bao gồm: hệ thu nhập sử lý tín hiệu vi sử lý, vi điều khiển, hệ thống lớn có máy tính số,… Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển Hệ thống điều khiển số bao gồm hai loại khâu bản: Khâu có chất gián đoạn: Các tín hiệu vào trạng thái gián đoạn thời gian mức – mô tả thiết bị điều khiển digital - Khâu có chất liên tục: mô tả đối tượng điều khiển Bộ biến đổi A/D - • Bộ biến đổi A/D làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi q trình cắt mẫu, thông thường khoảng thời gian cắt mẫu không đổi u(t) u(k) t u(t) t u(k) Hình 1.2: Mơ hình q trình biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số • Trường Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Bộ biến đổi D/A Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự u(t) u(k) Hình 1.3: Sơ đồ biến đổi D/A 1.2 Phân loại hệ thống điều khiển số Hệ thống điều khiển số phân thành ba loại: - Hệ thống điều khiển đơn: hệ thống có nhiều đầu vào có đối tượng điều khiển Hệ thống điều khiển đa kênh: Có nhiều đối tượng điều khiển đối tượng khơng liên quan đến Hệ thống điều khiển nhiều chiều: Có nhiều đối tượng điều khiển đối tượng có liên hệ với 1.3 Ưu nhược điểm hệ thống điều khiển số Mỗi loại điều khiển thể ưu nhược điểm Tuy nhiên việc so sánh giữ điều khiển số điều khiển tương tự cho ta thấy điểm mạnh điểm yếu điều khiển số, để giúp ta chọn điều khiển cách xác hợp lý 1.3.1 Hạn chế điều khiển tương tự ưu điểm điều khiển số Thông số linh kiện điện tử dễ bị trôi thay đổi, xuất điện áp lệch, trôi đầu điều khiển, thuật tốn (do điều kiện mơi trường) Việc khử tượng đòi hỏi phải xây dựng mạch bù tốn kém, phức tạp Trong kỹ thuật số có mức 0, đặc trưng cho trạng thái có điện khơng có điện chịu ảnh hưởng yếu tố Các linh kiện tương tự thường nhạy với nhiều: thân(đặc biệt nhiệt độ Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội sinh làm việc) nhiễu ký sinh bên nhiệt độ mơi trường Về nhiệt biến đổi nguồn gây nhiễu lớn Tuy nhiên kỹ thuật số có phương pháp chống nhiễu kỹ thuật tương tự người ta thường dùng kỹ thuật lọc số cho phép loại bỏ điểm bất thường mà không ảnh hưởng đến giải thông mạch Việc truyền dẫn thực tương tự gặp khó khăn suy giảm tín hiệu nhiễu (đường truyền, kỹ thuật số với khoảng cách hợp lý điều không xảy ra) Linh kiện kỹ thuật tương tự có tính chất khác tần số sản xuất hàng hoạt ổn định nguồn gây nhiễu Việc thực số chức nhớ, trễ kỹ thuật tương tự gặp khó khăn Tuy nhiên lại đơn giản với kỹ thuật số Cuối tính phức tạp việc thực điều khiển kinh điển Chức tương tự thực mạch tổ hợp cần đến nhiều linh kiện rời, việc hiệu chỉnh thông số thực mạch chúng tốn nhiều thời gian cơng sức, cần có nhiều tiếp điểm làm giảm độ tin cậy mạch tương tự Với mức độ phức tạp mà mạch tương tự trở nên bất hợp lý mạch số trở nên đơn giản 1.3.2 Ưu điểm điều khiển tương tự nhược điểm điều khiển số Kỹ thuật điều khiển tương tự có ưu điểm bật mà chuyển sang kỹ thuật số ta phải lưu ý giải Những điều cần ý thiết kế hệ thống điều khiển, đặc biệt hệ điều khiển truyền động điện a)Tác động nhanh - Các tượng điện từ máy điện biến đổi thường xảy nhanh phá huỷ tồn hệ thống xảy cố Kỹ thuật điều khiển tương tự tác động gần tức thời cấu số tác động có thời gian Trong điều khiển số, vấn đề thời gian tác động đặt theo góc độ khác tuỳ theo toán cụ thể - Đối với biến đổi chậm, ví dụ chỉnh lưu tiristor làm việc với lưới 50Hz Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội trường hợp điều khiển coi lý tưởng thực chức bảo vệ điều chỉnh thực vi xử lý có tính thơng thường - Đối với biến đổi tác động nhanh bơm (điều khiển tần số, biến tần) làm việc tần số hàng chục kHz trường hợp VXL tác động nhanh phải lưu ý đặc biệt phải dự tính chiến lược điều khiển dựa giải pháp phần cứng phần mềm - Giải pháp phần cứng: Để tăng độ tác động nhanh ta thường dùng hai giải pháp: + Sử dụng cấu trúc lai (tương tự số); + Sử dụng cấu trúc hoàn tồn số (vì VXL làm việc song song), VXL chuyên dụng thực chức đặc biệt - Giải pháp phân mềm: Theo quan niệm tin học điều khiển tự động học + Tin học: Phần mềm phải có tinh chất cấu trúc, sử dụng ngơn ngữ gần với ngôn ngữ máy (assembly) ngôn ngữ cấp cao có đặc tính hợp ngữ ngơn ngữ C Trong trường hợp khó khăn riêng việc lập trình vấn đề thời gian thực, tác động nhanh an toàn + Điều khiển: Việc mơ hình hố hệ thống (Z) đơn giản hệ thống biến vào, biến Trong trường hợp máy điện cụ thể, máy điện đồng bộ, không đồng phi tuyến nhiều biến, số biến mơmen, từ thơng rơto, dịng điện dây quấn cản rôto không đo b) Tác động liên tục - Các linh kiện tượng tự có tác động nhanh liên tục linh kiện số làm việc với đại lượng rời rạc - Đa số đại lượng vật lý thực tế đại lượng liên tục Điều khiển số đòi hỏi sử dụng biến đổi tương tự - số sau cảm biến Việc đặt vấn đề độ xác tính tốn trung gian biến tác động lên cấu chấp hành Ngày nay, thường sử dụng máy phát tốc biến đổi A/D có dải thơng tốt thay đổi độ xác (số bit) tuỳ theo trường hợp sử dụng dải tốc độ (tốc Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội độ cao, tốc độ thấp, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh vị trí) Điều đặt vấn đề lấy mẫu bắt buộc phải có thời gian thực phép tính cần thiết Vấn đề lượng tử hố nhạy cảm làm việc với mômen nhỏ việc điều chỉnh mạch vịng dịng điện Điều chỉnh số tính tốn mức đặt dịng điện, mức thấp chuẩn dịng điện ứng với số bình nhỏ, khó xác định Nhiễu gây việc lượng tử hoá lớn dễ tạo nên cố, ví dụ tạo nên dao động c) Đơn giản thiết kế hệ thống tương tự Ta thây điều khiển tương tự mức độ phức tạp trở nên nặng nề Tuy nhiên, mức độ thích hợp cấu hợp lý điều khiển tương tự lại trở nên đơn giản phương diện cấu trúc Vì hợp lý thiết bị thử nghiệm chuẩn hố (đáp ứng điều hồ, xung đơn vị), người ta tìm mơ hình tốn liên tục phương trình vi phân, hàm truyền đạt dễ dàng xác định hệ số khuếch đại số thời gian điều chỉnh Các mơ hình gần kỹ sư biết rõ chúng sử dụng cho tính tốn sơ hiệu chỉnh cịn thơng số tiếp tục điều chỉnh thực nghiệm nơi lắp đặt Việc xây dựng cấu trúc dựa việc sử dụng mạch vòng lồng ghép vào nhau, cho phép chia toán lớn thành nhiều toán nhỏ dễ dàng giải Trong cấu trúc đầu hiệu chỉnh ứng với vòng đại lượng đặt cho mạch vòng bên Các biến đại lượng vật lý liên tục dòng điện, tốc độ, chúng đo cảm biến tương tự Các đại lượng liên tục sử dụng cách trực tiếp Tóm lại, việc thiết kế mạch điều khiển tương tự liên lực hệ thống dẫn đến cầu trúc đơn giản Điều khiển số điều khiển phức tạp, biến điều khiển khó truy nhập, trừ chương trình phần mềm dự tính Nếu ta sử dụng vi xử lý để thực nhiều chức cần phải thực tầm nhìn tổng thể Đều khiển số lĩnh hội tinh thần điều khiển tương tự mạch vòng bên làm gần liên tiếp, chia cắt toán lớn thành nhiều tốn nhỏ Nhưng việc thực số khơng linh hoạt điều khiển tương tự Chương trình phần mềm phải xử lý khối toàn vấn đề mà điều khiển tương tự giải mơđun riêng rẽ Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Việc thay đổi hệ số điều chỉnh số đơn giản nhiều so với điều khiển tương tự Khi thử nghiệm mạch tương tự ta điều chỉnh từ từ thông số cách an tồn Trong đó, kỹ thuật số lỗi gây hậu nghiêm trọng Việc lấy mẫu dễ gây ổn định giữ thơng số chu kỳ lấy mẫu ảnh hưởng thời gian tính tốn 1.3.3 Các ưu điểm có tính chất định điều khiển số + Điều khiển máy điện chuyển sang lai hoàn toàn số đặc tính định linh kiện số Các linh kiện số cho phép thao tác phức tạp cách chắn + Ngày 80% linh kiện thị trường linh kiện số Do xuất trào lưu chung kỹ thuật chuyển từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật số + Các chương trình phẩm mềm cho phép tối ưu hố điều khiển thay đổi tính mong muốn Ví dụ điều khiển mơmen từ thơng số khơng đổi thực điều khiển lôgic Nhưng trường hợp giá thành đắt phức tạp tốn nhiều thời gian thực điều khiển số đơn giản vấn đề + Vì chức điều khiển thực phần mềm với thiết bị phần cứng (một vi xử lý giao diện) sử dụng cho ứng dụng Điều dẫn đến giảm chi tiết dự phịng, giảm giá thành Điều khiển máy điện nằm khung cảnh tự động hóa tồn hệ thống Ngày thực máy tính với cơng nghệ số (cùng vi xử lý ) thực mức phân cấp tự động hóa khác nhau, làm dễ dàng tích hợp đồng hoá phần tử Các yếu tố chứng tỏ điều khiển số bước phát triển hoàn toàn phù hợp với xu phát triển điều khiển tự động tự động hoá 1.4 Tín hiệu lấy mẫu tín hiệu 1.4.1 Lấy mẫu tín hiệu Trong hệ thống điều khiển số tồn hai loại tín hiệu: tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc Nhóm 8 Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Ta chia trục thời gian thành khoảng thời gian ∆t 1=∆t2=… =T, tín hiệu lấy mẫu khoảng thời gian Hình 1.4: Đồ thị tín hiệu trước sau lấy mẫu 1.4.2 Các đặc tính lấy mẫu Hình 1.5: Sơ đồ khối cắt mẫu lý tưởng 1.5 Khâu ngoại suy liệu Hình 1.6: Sơ đồ khâu lưu trữ giữ liệu Nhiệm vụ khâu ngoại suy liệu xây dựng hàm lấy mẫu thành tín hiệu liên tục dựa vào hàm lấy mẫu trước + Khâu lưu trữ bậc khơng: Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội x(t) x(t) ZOH xh(t) Hình 1.7: Sơ đồ khâu lưu trữ bậc không Đầu vào khâu ZOH xung Dirac, đầu tương tự + Khâu lưu trữ bậc x*(t) x(t) FOH T xh(t) Hình 1.8: Sơ đồ khâu lưu trữ bậc Đầu vào xung Dizac, đầu hàm bậc có độ dốc xác định từ hai mẫu trước 1.6 Phép biến đổi Z 1.6.1 Tín hiệu xung ∞ f ( t ) ⇒ [ f ( k )] =∑ f (kT )δ (t−kT ) k=0 Nhóm 10 ... thống điều khiển số Hệ thống điều khiển số phân thành ba loại: - Hệ thống điều khiển đơn: hệ thống có nhiều đầu vào có đối tượng điều khiển Hệ thống điều khiển đa kênh: Có nhiều đối tượng điều khiển. .. điều khiển số điều khiển tương tự cho ta thấy điểm mạnh điểm yếu điều khiển số, để giúp ta chọn điều khiển cách xác hợp lý 1.3.1 Hạn chế điều khiển tương tự ưu điểm điều khiển số Thông số linh kiện... toàn vấn đề mà điều khiển tương tự giải môđun riêng rẽ Nhóm Bài tập lớn: Điều khiển số Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Việc thay đổi hệ số điều chỉnh số đơn giản nhiều so với điều khiển tương