TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN SỐ Mã 13310 Học kỳ 1 – Năm học 2022 2023 Đề tài Thiết kế xấp xỉ liên.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN SỐ Mã: 13310 Học kỳ: – Năm học: 2022 - 2023 Đề tài: Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 SINH VIÊN Nguyễn Khánh Toàn Nguyễn Văn Mạnh Lê Văn Chiêu MSV 83391 84398 84396 LỚP ĐTĐ60ĐH ĐTĐ60ĐH ĐTĐ60ĐH NHIỆM VỤ Nhóm trưởng Thành viên Thành viên Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chun ngành Điện tự động cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Tiến Bộ môn: Điện tự động công nghiệp Khoa: Điện – Điện tử HẢI PHÒNG - 12/2022 ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Mục tiêu: Giúp sinh viên biết cách thực kỹ thuật điều khiển số với hệ thống tổng hợp miền thời gian liên tục Nội dung: Xây dựng chương trình mô Matlab – Simulink để kiểm nghiệm kết đạt miền thời gian liên tục miền thời gian gián đoạn Nhiệm vụ sinh viên: - Mô tả đối tượng điều khiển - Khảo sát động học đối tượng miền thời gian liên tục - Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến tính ổn định hệ thống - Tiêu chuẩn thiết kế kết mô miền thời gian liên tục miền thời gian gián đoạn - Các phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục, thiết kế miền thời gian gián đoạn kết mô miền thời gian gián đoạn - So sánh chất lượng điều khiển kết luận - Kiểm chứng mơ hình thực nghiệm (nếu có) MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-3003 1.1 Giới thiệu động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 1.2 Các thông số động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG TRÊN MIỀN THỜI GIAN LIÊN TỤC 2.1 Khảo sát động học động miền thời gian liên tục 2.2 Khảo sát tính động học động miền thời gian gián đoạn .8 2.2.1 Khảo sát tốc độ 2.2.2 Khảo sát dòng điện 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC 14 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục 14 3.2 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục 14 3.3 Thiết kế điều khiển số xấp xỉ liên tục 17 3.3.1 Tính tốn điều khiển số xấp xỉ liên tục 17 3.3.2 Mô điều khiển số xấp xỉ liên tục Matlab Simulink .17 KẾT LUẬN .20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1:Động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 .1 Hình 1.2: Cấu tạo chung động Servo Hình 2.1: Đặc tính tốc độ động khơng có tải .6 Hình 2.2:Đặc tính dịng động khơng có tải Hình 2.3:Đặc tính tốc độ động có tải Hình 2.4:Đặc tính dịng động có tải Hình 2.5:Đặc tính tốc độ với chu kì lấy mẫu T = 1ms Hình 2.6:Đặc tính tốc độ với chu kì lấy mẫu T = 2ms 10 Hình 2.7:Đặc tính tốc độ với chu kì lấy mẫu T = 10ms 10 Hình 2.8: Đặc tính dịng điện với chu kì lấy mẫu T = 1ms .11 Hình 2.9: Đặc tính dịng điện với chu kì lấy mẫu T = 2ms .12 Hình 2.10: Đặc tính dịng điện với chu kì lấy mẫu T = 10ms 12 Hình 2.11: Quá trình độ dịng điện 13 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển động Matlab Simulink .15 Hình 3.2: Tổng hợp điều khiển sử dụng PID Tuner .15 Hình 3.3: Thông số PID sau tổng hợp 15 Hình 3.4: Đáp ứng đầu tốc độ có điều khiển PID 16 Hình 3.5: Đáp ứng dịng tải có điều khiển PID .16 Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển tốc độ động với điều khiển số xấp xỉ liên tục 17 Hình 3.7: Đáp ứng đầu tốc độ động sử dụng điều khiển số xấp xỉ liên tục 18 Hình 3.8: Đáp ứng đầu dòng điện động sử dụng điều khiển số xấp xỉ liên tục 19 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các thông số động DC Servo Harmonic RHS 143003 .3 Bảng 2.1:Cấu trúc động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, cơng nghệ thơng tin có bước phát triển vượt bậc, đặc biệt xuất máy tính tạo bước phát triển cho xã hội, tác động đến hầu hết vấn đề xã hội công nghiệp Với phát triển này, ngày có nhiều nhà sản xuất ứng dụng dòng vi xử lý mạnh mẽ công nghiệp, điều khiển xử lý liệu Những hạn chế công nghệ tương tự, chẳng hạn độ lệch tham số, cố định lâu dài khó thực chức điều khiển phức tạp, thúc đẩy q trình chuyển đổi nhanh chóng sang cơng nghệ kỹ thuật số Ngoài ra, điều khiển kỹ thuật số tiết kiệm thành phần phần cứng, đạt tiêu chuẩn hóa Sử dụng xử lý, kiến trúc phần cứng sử dụng cho nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên, kỹ thuật số có nhược điểm, xử lý tín hiệu rời rạc , tín hiệu tương tự lại có ưu điểm kỹ thuật số hành động nhanh liên tục Vì việc kết hợp điều khiển số PID trở thành xu hướng điều khiển Bài tập lớn mơn “Điều khiển số” giúp nhóm em học hỏi thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm, nắm thêm nhiều kiến thức học điều khiển Dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Tiến, chúng em hoàn thành bài: “Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RH 14 - 3003” Do kiến thức hạn chế, làm nhiều sai sót, mong nhận thầy giáo bạn bổ sung CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-3003 1.1 Giới thiệu động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Động RHS 14-3003 động chiều hãng Harmonic Nhật sản xuất Đây động thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác, momen lớn có gắn sẵn encoder Hình động RHS 143003 thực tế: Hình 1.1 Động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Cấu tạo chung động servo gồm: Rotor, Stator, chổi than, kẹp, dò, chỉnh lưu hình đây: Hình 1.2 Cấu tạo chung động Servo Trong rotor nam châm vĩnh cửu đem lại từ trường mạnh stator lại cuộn dây lại riêng biệt, cấp nguồn điện để làm quay rotor Nguyên lý hoạt động động Servo: Rotor động servo motor nam châm vĩnh cửu Động có từ trường mạnh, đồng thời stator động vào cuộn dây riêng biệt, cấp nguồn điện để hoạt động theo trình tự thích hợp, từ làm quay rotor Nếu thời điểm mà dịng điện cấp tới cho cuộn dây chuẩn xác chuyển động quay roto phụ thuộc vào tần số pha dòng điện, mặt khác, phân cực dòng điện chạy cuộn dây stator Động servo tạo nên hệ thống hồi tiếp vịng khép kín tín hiệu đầu động cơ, chúng nối với mạch điều khiển Khi động quay vận tốc vị trí chúng hồi tiếp mạch điều khiển Khi đó, cho dù tác nhân muốn ngăn cản chuyển động quay động cấu hồi tiếp nhận tín hiệu cho thấy chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch, điều khiến cho động đạt vị trí xác điều khiển servo 1.2 Các thông số động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Bảng thông số động DC Servo Harmonic RHS 14-3003: Bảng 1.1 Bảng thông số kĩ thuật động Thông số Công suất đầu (Rated Output Power) Đơn vị W Động RHS 143003 25 Điện áp định mức (Rated Voltage) V 75 Dòng điện định mức (Rated Current) A 0.9 Momen định mức In-Ib 69 (Rated Output Torque) Nm 7.8 Momen hãm liên tục In-Ib 13 (Rated Output Speed) Nm 1.5 A 2.0 Momen cực đại đầu In-Ib 250 (Maximum Output Torque) Nm 28 Tốc độ định mức động rpm 3000 Hằng số momen In-Ib/A 160 (Torque Constant) Nm/A 18 Hằng số B.E.M.F V/rpm 1.8 Momen quán tính (J) In-Ib-sec2 1.61 (Inertia at Output Shaft) Kgm2.10-3 1.8 msec 6.7 Độ dốc đặc tính In-Ib/rpm 25 (Torque-Speed Gradient) Nm/rpm 2.8 Hệ số momen ma sát In-Ib/rpm 1.2 (Viscous Damping Constant) Nm/rpm 1.4x10-1 1:R 1:100 Dịng khơng tải A 0.4 Dịng khởi động A 0.18 Điện trở phần ứng Ω 11.6 Điện cảm phần ứng mH 4.5 Dòng đỉnh (Peak Current) Hằng số thời gian khí (Mechanical Time Constant) Tỉ số truyền (Gear Radio) CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG TRÊN MIỀN THỜI GIAN LIÊN TỤC 2.1 Khảo sát động học động miền thời gian liên tục Các tham số động sau: Điện cảm phần ứng: Lư = 4.5 mH Điện trở phần ứng: Rư = 11.6 Ω Hệ số Kt = 18 Nm/A Momen quán tính: J = 1.8 Kgm2 Hệ số ma sát: Bf = 1.4*10-1 Nm/rpm Hệ số B.e.m.f: Kb = 1.8 V/rpm Cấu trúc động hình đây: Hình 2.1 Cấu trúc động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Khảo sát động học đối tượng miền thời gian liên tục với điện áp vào 75V: Khi khơng có tải Mc: Tốc độ động 4000rpm, đạt giá trị xác lập sau 3.5s hình đây: Khi có tải Mc = 7.8 Nm: Khi có Momen cản, tốc độ động bị giảm chưa có điều khiển: Hình 2.4 Đặc tính tốc độ động có tải Ngược lại, dịng điện động có tải tăng lên từ 0.4A -> 0.9A, với giá trị bảng 1.1 thông số động mà nhà sản xuất đưa ra: Hình 2.5 Đặc tính dịng động có tải Kết luận: - Đáp ứng đầu gần theo giá trị thông số động - Thời gian đáp ứng tương đối chậm 3.5(s) - Khi có Momen cản tốc độ động bị giảm, dòng điện tăng lên khơng có khả tự ổn định chưa có điều khiển 2.2 Khảo sát tính động học động miền thời gian gián đoạn 2.2.1 Khảo sát tốc độ Thực Matlab: s=tf('s') G1=1/(Lu*s+Ru) G2=Kt G3=1/(J*s+Bf) Gfb=Kb G0=G1*G2*G3 Gs=feedback(G0,Gfb) Gz=c2d(Gs,0.01,'zoh') step(24*Gz) Đặc tính tốc độ động với chu kỳ lấy mẫu 1ms, 2ms, 10ms: Hình 2.6 Đặc tính tốc độ với chu kì lấy mẫu T = 1ms Hình 2.7 Đặc tính tốc độ với chu kì lấy mẫu T = 2ms Hình 2.8 Đặc tính tốc độ với chu kì lấy mẫu T = 10ms Nhận xét: Khi tăng chu kì trích mẫu lên đáp ứng đầu tốc độ động nhanh dạng đáp ứng không mịn 2.2.2 Khảo sát dòng điện Thực Matlab: s=tf('s') G1=1/(Lu*s+Ru) G2=Kt G3=1/(J*s+Bf) Gfb=Kb * G3 * G2 Gs=feedback(G1,Gfb) Gz=c2d(Gs,0.01,'zoh') step(24*Gz) Hình 2.9 Đặc tính dịng điện với chu kì lấy mẫu T = 1ms Hình 2.10 Đặc tính dịng điện với chu kì lấy mẫu T = 2ms 10 Hình 2.11 Đặc tính dịng điện với chu kì lấy mẫu T = 10ms Nhận xét: - Đáp ứng đầu với thông số động - Khi tăng chu kì trích mẫu lên đáp ứng đầu dòng điện động nhanh dạng đáp ứng khơng mịn 11 Dự báo đặc tính đầu (rlocus(Gz)): Hình 2.12 Quá trình độ dịng điện Nhận xét: Ta thấy hệ có giá trị điểm cực z = 0.9838 z2 = 0.000 Vì |Z 1| > |Z 2| nên hệ có đáp ứng có dạng tắt dần khơng có thành phần điều hồ theo điểm cực Z1 có giá trị trội 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XẤP XỈ LIÊN TỤC 3.1 Phương pháp thiết kế xấp xỉ liên tục Luật PID miền thời gian mô tả sau: U(t) = K R ¿ (*) Trong đó: KR: Hệ số tỉ lệ; TC: Hằng số thời gian chậm sau; TV: Hằng số thời gian vượt trước; 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: T T uk =K R [ek + ∑ ei−1 + V ( e k −e k−1 ) ] T c i=1 T k uk =uk−1 + K R [ek −e k−1+ T ei −1 + Tc G R ( z )= U (z ) = E( z) TV ( e −2 e k−1−e k−2 ) ] T k r 0+ r z −1 +r z−2 1−z−1 (***) Với: ( r =K R 1+ ) ( ) TV TV T TV ; r 1=− K R 1+ − ; r 2=K R (**) T T Tc T 3.2 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục Cấu trúc điều khiển động Matlab Simulink: 13 Hình 3.1 Cấu trúc có điều khiển cho động Simulink Để tổng hợp điều khiển PID, em sử dụng PID tuner, sau sử dụng PID Tuner, chúng em tìm thơng số PID: P = 687.079482764226; I = 2171.84691662755, D = -16.5484566782961 hình đây: Hình 3.2 Thơng số PID sau tổng hợp 14 ... QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC SERVO HARMONIC RHS 14-3003 1.1 Giới thiệu động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Động RHS 14-3003 động chiều hãng Harmonic Nhật sản xuất Đây động thiết kế nhỏ gọn, truyền động xác,... pháp thiết kế xấp xỉ liên tục 14 3.2 Thiết kế điều khiển PID miền thời gian liên tục 14 3.3 Thiết kế điều khiển số xấp xỉ liên tục 17 3.3.1 Tính toán điều khiển số xấp xỉ liên tục. .. LỚN Thiết kế xấp xỉ liên tục khâu điều chỉnh tốc độ động DC Servo Harmonic RHS 14-3003 Mục tiêu: Giúp sinh viên biết cách thực kỹ thuật điều khiển số với hệ thống tổng hợp miền thời gian liên tục