Thiết kế bộ điều khiển nowrowrron pid cho hệ băng tải động cơ một chiều không chổi than luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM THỊ LỤA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠRON-PID CHO HỆ BĂNG TẢI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM THỊ LỤA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠRON-PID CHO HỆ BĂNG TẢI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN NGÀNH: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa MÃ SỐ: 60.52.02.16 CHUYÊN SÂU: Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRỊNH LƯƠNG MIÊN HÀ NỘI - 2016 i TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Phạm Thị Lụa Năm sinh:1988 Cơ quan công tác: Trung tâm GDTX – KTHN Thuận An Mã học viên: 2181031014 Khóa:K21.2 (CS2) Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 Cán hướng dẫn: TS Trịnh Lương Miên Bộ môn: Điều khiển học Tên đề tài Thiết kế điều khiển nơron-PID cho hệ băng tải động chiều không chổi than Mục tiêu nghiên cứu đề tài Xây dựng mơ hình tốn học động chiều khơng chổi than (Brushless DC motor, BLDC), thiết kế điều khiển PID, điều khiển nơron-PIDcho hệ băng tải sử dụng BLDC, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển bám theo tốc độ đặt củabăng tảisử dụng BLDC, tải thay đổi Phương pháp nghiên cứu kết đạt Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp, là: khảo sát hệ băng tải BLDC thực tế, kết hợp chặt chẽ với phương pháp nghiên cứu lý thuyết BLDC, điều khiển nơron, mơ hình hóa mơ Kết đạt là: thiết kế điều khiển PID, điều khiển nơron-PID để điều khiển tốc độ hệ băng tải sử dụng BLDC bám theo quỹ đạo tốc độ đặt tải thay đổi Kết mô Matlab cho thấy điều khiển nơron-PID cho chất lượng điều khiển tốt Điểm bình qn mơn học: Điểm bảo vệ luận văn: Hồ Chí Minh, ngày… tháng năm 2016 Xác nhận cán hướng dẫn Học viên ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hồ Chí Minh, ngày tháng Học viên Phạm Thị Lụa năm 2016 iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Trịnh Lương Miên tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ mặt tinh thần tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Điều khiển học, Khoa Điện Điện Tử, cán Phòng Đào tạo Sau đại học quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập nghiên cứu trường Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình người thân theo sát, ủng hộ, động viên q trình học tập cơng tác Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt tập thể lớp cao học K21.2 (CS2) quan tâm, góp ý để tơi hồn thành tốt luận văn Tác giả luận văn Phạm Thị Lụa iv MỤC LỤC TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỆ BĂNG TẢI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Đặc điểm nguyên lý làm việc động chiều không chổi than 1.1.1 Ưu điểm động BLDC 1.1.2 Nguyên lý hoạt động 1.1.3 Một số đặc điểm điện động BLDC 1.2 Phương pháp điều khiển động chiều không chổi than 10 1.2.1 Phương pháp điều khiển tín hiệu cảm biến Hall- bước 10 1.2.2 Điều khiển động BLDC cách điều chỉnh điện áp ngõ vào 10 1.2.3 Điều khiển bằngphương pháp PWM 11 1.2.4 Điều khiển động BLDC không sử dụng cảm biến 12 1.3 Tổng quan số hệ tải sử dụng động BLDC 14 1.4 Đề xuất nội dung nghiên cứu luận văn 16 1.5 Kết luận chương 17 CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MẠNG NƠRON 18 2.1 Bộ điều khiển PID 18 2.2 Ứng dụng mạng nơron hệ thống điều khiển 21 2.2.1 Mạng nơron nhân tạo 21 2.2.2 Cấu trúc nơron 21 v 2.2.3 Mạng truyền thẳng 27 2.2.3 Mạng hồi quy 31 2.2.4 Mạng hàm sở xuyên tâm 33 2.3 Kết luận chương 36 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠRON-PID CHO HỆ BĂNG TẢI ĐỘNG CƠ ĐIỆNMỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 37 3.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ băng tải 37 3.2 Xây dựng mơ hình tốn động BLDC 38 3.2.1.Mơ hình tốn học động BLDC 38 3.2.2.Momen điện từ động BLDC 40 3.2.3 Phương trình động học động BLDC 41 3.2.4.Phương trình đặc tính động BLDC 42 3.3 Tổng hợp điều khiển tốc độ, điều khiển dịng điện cho mơ hình pha động BLDC 44 3.3.1 Mơ hình pha động BLDC 44 3.3.2.Tổng hợp điều khiển tốc độ, dịng điện chomơ hình pha động BLDC 45 3.3.3 Mô hệ thống điều khiển tốc độ cho mơ hình pha động BLDC 50 3.4 Xây dựng sơ đồ khối mô động BLDC pha Matlab 53 3.4.1 Mơ hình hóa động BLDC pha Matlab 53 3.4.2 Mơ hình hóa chuyển mạch điện tử cho BLDC3 pha Matlab 59 3.4.3 Mơ hình khối điều khiển động BLDC pha Matlab 60 3.4.4 Mơ hình hệ thống khiển động BLDC pha Matlab 64 3.5 Thiết kế điều khiển nơron-PID cho vòng điều chỉnh tốc độ hệ thống điều khiển tốc độ động BLDC pha 67 3.6 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Ảnh hưởng tham số KP,KI,KD 20 Bảng 3.1 Giá trị hàm tham chiếu sức phản điện động fk (r ) 55 Bảng 3.2 Mã hóa cảm biến vị trí Hall theo vị trí góc quay rotor 57 vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần động BLDC Hình 1.2 Nguyên tắc làm việc cảm biến Hall động BLDC Hình 1.3 Sự trùng pha sức điện động cảm ứng dịng điện Hình 1.4 Mơ hình phần tử cảm biến Hall Hình 1.5 Trình tự thời điểm chuyển mạch dịng điện Hình 1.6 Đường đặc tính đặc tính làm việc động BLDC Hình 1.7 Giản đồ xung điều khiển PWM kênh 11 Hình 1.8 Giản đồ điện áp hình thang tương ứng với cảm biến Hall 12 Hình 1.9 Giản đồ điều chế điện áp hình sin 12 Hình 1.10 Đo điện áp cảm ứng điểm trung tính 14 Hình 1.11 Băng tải cơng nghiệp 14 Hình 2.1 Sơ đồ khối PID 18 Hình 2.2 Cấu tạo nơron sinh học 22 Hình 2.3 Cấu trúc nơron nhân tạo 23 Hình 2.4 Các dạng hàm kích hoạt thường dung 25 Hình 2.5 Cấu trúc mạng truyền thẳng lớp 26 Hình 2.6 Bài tốn XOR 26 Hình 2.7 Cấu trúc phổ biến mạng truyền thẳng 27 Hình 2.8 Giải tốn XOR dùng mạng truyền thẳng 28 Hình 2.9 Hàm lượng sai số theo trọng số 31 Hình 2.10 Mạng hồi quy toàn phần 32 Hình 2.11 Mạng hàm sở xuyên tâm 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ băng tải sử dụngđộng BLDC 37 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nghịch lưu cho BLDC pha 38 Hình 3.3 Mơ hình mạch điệncủa động BLDC 39 Hình 3.4 Sơ đồ thay pha động BLDC 42 Hình 3.5.Mơ hình tương đương pha động BLDC 45 Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển động BLDC pha 45 viii Hình 3.7 Sơ đồ khối tổng hợpbộ điều khiển dịng điện 48 Hình 3.8 Sơ đồ khối tổng hợp bộđiều khiển tốc độ 49 Hình 3.9 Sơ đồ mơ HTĐK tốc độ cho mơ hình pha động BLDC 50 Hình 3.10 Đáp ứng tốc độ động BLDC mô pha 50 Hình 3.11 Đáp ứng dịng điện động BLDC mô pha 51 Hình 3.12 Đáp ứng tốc độ BLDC sau chỉnh thơng số Rw 51 Hình 3.13 Đáp ứng dịng điện pha BLDC sau chỉnh thơng số Rw 52 Hình 3.14 Đáp ứng tốc độ BLDC sau đóng tải định mức 52 Hình 3.15 Đáp ứng dịng điện pha BLDC sau đóng tải định mức 53 Hình 3.16 Dạng tín hiệu dịng điện sức phản điện động BLDC 54 Hình 3.17 Mơ hình hóa khối hàm tham chiếu sức phản điện Matlab 56 Hình 3.18 Dạng tín hiệu sức phản điện, dịng điện, cảm biến vị trí rotor (Hall) 57 Hình 3.19 Xây dựng khối cảm biến Hall xác định vị trí rotor Matlab 58 Hình 3.20 Mơ hình động học động BLDC pha Matlab 59 Hình 3.21 Xây dựng khối nghịch lưu pha cho BLDC Matlab 60 Hình 3.22 Thực khối Pole to Phase Matlab 60 Hình 3.23 Mơ hình hóa khối tạo xung PWM Matlab 61 Hình 3.24 Mơ hình hóa khối điều khiển dịng Ri sử dụng luật PID 62 Hình 3.25 Mơ hình hóa khối tạo dịng điện cho pha 63 Hình 3.26a Mơ hình hóa khối điều khiển tốc độ sử dụng luật PID 63 Hình 3.26b Khối điều khiển tốc độ, dịng điện cho động BLDC Matlab 64 Hình 3.27 Mơ hình mơ hệ thống ĐK tốc độ động BLDC pha 64 Hình 3.28 Đáp ứng tốc độcủa động BLDC pha 65 Hình 3.29 Đặc tính dịng điện tương ứng với pha a, b, c động BLDC 65 Hình 3.30 Đặc tính mơmen điện từ động BLDC pha 66 - 61 3.4.3.1 Mơ hình hóa khối tạo xung PWM Khối điều chế độ rộng xung PWM tạo tín hiệu xungđể kích mở van IGBT Dòng điện sinh ratừ điều khiển dòng (Ri)được so sánh với dãy xung cưa nhờ blockset Repeating Sequence Matlab Tín hiệu sau phép so sánh đưa đến khối chuyển mạch trạng thái (switch) để tạo dãy chùm xung ký hiệu V1, V3, V5 Các tín hiệu xung từ V4, V6, V2 tạo cách đảo tín hiệu xungV1, V3, V5 để đảm bảo khơng có van nhánh dẫn Việc làm nhằm mục đích tránh trường hợp ngắn mạch nguồn làm hỏng mạch lực van nhánh cấp xung điều khiển Khối tạo xung PWM xây dựng Matlab có xung cưa đặt tần số 10KHz sườn xung từ 010 Hình 3.23 Mơ hình hóa khối tạo xung PWM Matlab 3.4.3.2 Xây dựng khối điều khiển dịng điện Để tạo xung kích mở van ban dẫn IGBT ta cần tín hiệu dòng điện điều khiển (ia, ib, ic) tương ứng với tốc độ mômen mong muốn - 62 động BLDC Các dòng điện điều khiển tạo từ điều khiển dòng Ri: Ria, Ria, Ria Chọn cấu trúc điều khiển PID Ta xây dựng sơ đồ mô cho khối điều khiển dịng Ri hình 3.24 Hình 3.24 Mơ hình hóa khối điều khiển dịng Ri sử dụng luật PID 3.4.3.3 Xây dựng khối tạo dòng điện cho pha Khối có đầu vào tín hiệu dịng điện đặt sinh từ điều khiển tốc độ, đầu tín hiệu dịng điện cho pha lệch 120o điện, dịng điện đặt mạch vòng dòng điện động BLDC Dòng điện đặt pha so sánh với dòng điện thực phản hồi từ động Tín hiệu sai lệch dịng điện đưa vào điều chỉnh dòng điện tới tạo xung PWM để điều chế độ rộng xung cấp cho chân điều khiển van IGBT Mơ hình hóa khối Matlab ta thu kết sau: - 63 - Hình 3.25 Mơ hình hóa khối tạo dòng điện cho pha 3.3.3.4 Xây dựng khối điều khiển tốc độ Khối điều khiển tốc độ, chọn khâu PID, dựa vào sai lệch tín hiệu đặt tốc độ tín hiệu tốc độ thực, để tạo tín hiệu dịng điện đặt tổng cho động BLDC, đưa tơi khối tạo dòng điện chuẩn cho pha a, b, c Hình 3.26a Mơ hình hóa khối điều khiển tốc độ sử dụng luật PID Như vậy, ta thu khối điều khiển tốc độ, dòng điện cho động BLDC xây dựng Matlab hình 3.26 - 64 - Hình 3.26b Khối điều khiển tốc độ, dòng điện cho động BLDC Matlab 3.4.4 Mơ hình hệ thống khiển động BLDC pha Matlab Kết hợp khối lại với nhau, ta có mơ hình hồn chỉnh hệ thống điều khiển tốc độ động BLDC pha Matlab hình Hình 3.27 Mơ hình mô hệ thống ĐK tốc độ động BLDC pha Khi đặt tốc độ sp=140 [rad/s], thời điểm t=1[s]ta đóng tải định mức cho động Mc=250[Nm], tiến hành chạy mô Matlab ta thu đáp ứng hệ thống hình - 65 - Hình 3.28 Đáp ứng tốc độcủa động BLDC pha Hình 3.29 Đặc tính dịng điện tương ứng với pha a, b, c động BLDC - 66 - Hình 3.30 Đặc tính mơmen điện từ động BLDC pha Hình 3.31 Đặc tính sức phản điện động pha động BLDC Từ đáp ứng hình vẽ ta thấy, với điều khiển tốc độ PID sử dụng, khởi động không tải động BLDC có độ điều chỉnh - 67 nhỏ (