Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều thích nghi trên cơ sở kết hợp pid và logic mờ,luận văn thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN QUANG HUY THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU THÍCH NGHI TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP PID VÀ LOGIC MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH, 2011 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Giao thông vận tải - CSII, dẫn tận tình q thầy cơ, giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp gia đình tạo điều kiện cho tơi tích lũy nhiều kiến thức khoa học qúy báu đến tơi hồn thành luận văn cao học Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cán Trường Đại học Giao thông vận tải, đặc biệt thầy TS Nguyễn Văn Tiềm tận tình bảo, giúp đỡ hướng dẫn thời gian thực luận văn Xin cảm ơn lãnh đạo, bạn bè, đồng nghiệp nơi công tác tạo điều kiện để tơi hồn thành khóa học Xin cảm ơn gia đình động viên suốt thời gian học tập thực luận văn./ ii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, việc nghiên cứu, phát triển thuật toán nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động có bước tiến đáng kể Ngồi điều khiển kinh điển biết PID cịn có điều khiển khác với ưu điểm cao hình thành phát triển điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển thơng minh trí tuệ nhân tạo.Do đó, việc điều khiển tốc độ động chiều, đối tượng khác trở nên dễ dàng, vô linh hoạt đạt hiệu suất cao Với mong muốn hòa vào xu phát triển chung khoa học đại, tác giả mong muốn đóng góp phần nhỏ vào công nghiên cứu xây dựng ứng dụng cho khoa học nước nhà Mặc dù có nhiều cố gắng, kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên chắn nhiều thiếu sót, kính mong chia sẻ đóng góp q thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện đề tài Xin chân thành cám ơn iii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Trên giới nay, việc nghiên cứu, phát triển thuật toán nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động có bước tiến đáng kể Cùng với đời phát triển hệ điều khiển thích nghi, việc điều khiển tốc độ động chiều trở nên dễ dàng, vô linh hoạt đạt hiệu suất cao Do đó, nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành cơng điều khiển thích nghi PID tự điều chỉnh dựa hệ logic mờ mang lại nhiều giá trị thiết thực, không mặt kinh tế mà cịn góp phần nâng cao khả cập nhật cơng nghệ mới, tiên tiến vào Việt Nam Tính cấp thiết đề tài Trong thời gian qua, với phát triển kinh tế nước, cơng nghiệp nước ta có chuyển biến tích cực Tuy nhiên, khả tự thiết kế, chế tạo điều khiển chất lượng cao, ứng dụng công nghệ tiên tiến chưa quan tâm cách mức Từ đó, nhà máy, xí nghiệp nước chịu chi phối bị phụ thuộc vào yếu tố bên Chúng ta ngày trở nên lạc hậu so với tốc độ phát triển không ngừng khoa học - kỹ thuật giới Do đó, nghiên cứu, thiết kế điều khiển thích nghi cho lớp đối tượng yêu cầu mang tính thời sự, cần triển khai nhanh chóng khoa học Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Động điện chiều sử dụng rộng rãi hầu hết hệ điều khiển yêu cầu độ xác cao Việc điều khiển tốt đối tượng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc hệ thống, suất nhà máy, chất lượng sản phẩm…Do đó, nghiên cứu, phát triển tht tốn điều khiển nhằm nâng cao -1- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm chất lượng điều khiển hệ thống thu hút quan tâm nhà khoa học nước thuộc lĩnh vực điều khiển tự động Đồng thời việc cải thiện khả điều khiển góp phần đáng kể vào việc nâng cao giá trị kinh tế cho công nghiệp nước ta Không vậy, việc ứng dụng công nghệ giúp bắt kịp với công nghiệp đại giới Từ đó, hi vọng tạo bước đột phá mặt công nghệ thời gian tới -2- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan động chiều: Ngày nay, động điện chiều sử dụng rộng rãi hầu hết nhà máy, xí nghiệp, kể hộ gia đình Động điện chiều thiết bị hoạt động với dòng điện chiều Hình 1.1: Một số loại DC Motor thường gặp Động điện chiều gồm có phần chính: phần tĩnh (stator) phần quay (rotor) Phần cảm (phần kích từ-thường đặt stator) tạo từ trường mạch từ, xuyên qua vòng dây quấn phần ứng (thường đặt rotor) Khi có dịng điện chạy mạch phần ứng, dẫn phần ứng chịu tác động lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm cho rotor quay Tùy theo cách mắc cuộn dây rotor stator mà người ta có loại động sau: - Động kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stator) cuộn dây phần ứng (rotor) mắc riêng rẽ nhau, cấp nguồn riêng biệt - Động kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây -3- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm phần ứng Đối với loại động kích từ độc lập, thay cuộn dây kích từ nam châm vĩnh cửu ta có loại động điện chiều dùng nam châm vĩnh cửu 1.1.1 Cấu tạo Động điện chiều gồm có thành phần chính: phần tĩnh (stator) phần quay (rotor) Ngồi cịn có: vỏ, trục, ổ bi, cổ góp, chổi điện, quạt tản nhiệt… Hình 1.2: Các thành phần động điện chiều 1.1.1.1 Stator Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quán phần cảm (dây quấn kích thích) Số lượng cực từ phụ thuộc tốc độ quay Đối với động công suất nhỏ người ta kích từ nam châm vĩnh cửu Trong động công suất lớn, stator nam châm điện Cuộn dây kích từ lõi thép gắn vào vỏ động -4- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 1.3 : Hình dạng thực Stator Hình 1.4 : Cực từ Hình 1.5: Vị trí cực từ phụ máy điện chiều -5- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Cực từ chính: có nhiệm vụ tạo từ trường máy Cực từ bao gồm lõi sắt cuộn dây kích từ Lõi cực từ làm từ thép kỹ thuật điện thép Carbon, chúng ép chặt với gắn vào vỏ máy bulông Dây quấn kích từ làm dây đồng có dạng tiết diện trịn chữ nhật Dây quấn kích từ quấn thành cuộn phủ cách điện Các cuộn dây kích từ mắc nối tiếp cho có dịng điện chạy qua, chúng tạo thành cực từ trái dấu xen kẽ Cực từ phụ: làm thép khối đặt vào cực từ để nhằm cải thiện trình đổi chiều Dây quấn cực từ phụ tương tự dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy qua bulông Gông từ: với động cơng suất lớn gơng từ thường làm thép đúc, riêng động có cơng suất vừa nhỏ gơng từ thường làm thép Gông từ vừa làm chức nối liền cực từ vừa làm vỏ máy, từ thơng móc vịng qua cuộn dây khép kín mạch từ Nắp máy: chức bảo vệ cách ly, nắp máy sử dụng làm giá đỡ ổ bi cho trục động Cơ cấu chổi than: gồm chổi than làm carbon hay graphit, trộn thêm bột đồng để tăng tính dẫn điện đặt hộp chổi than Các chổi than ln ln tỳ lên vành góp nhờ lực đẩy hai lị xo Chổi than có nhiệm vụ đưa điện từ bên ngồi vào động Chú thích: chổi than hộp chổi than lò xo giá đỡ dây dẫn điện cò mổ Hình1.6: Cơ cấu chổi than -6- Luận văn thạc sĩ 1.1.1.2 GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Rotor Còn gọi phần ứng, gồm lõi thép dây quấn phần ứng Lõi thép hình trụ, làm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại Các thép dập có lỗ thơng gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng Ở máy điện lớn, lõi thép chia thành đoạn nhỏ để tạo khe hở thơng gió ngang trục Hình 1.7: Hình dạng thực rotor Dây quấn phần ứng sinh suất điện động ln có dịng điện chạy qua Trong máy điện nhỏ dây quấn có tiết diện trịn, với máy cơng suất vừa lớn dây quấn có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn phần ứng luôn dạng cuộn đặt vào rãnh lõi thép Mỗi phần tử dây quấn phần ứng có nhiều vịng dây, hai đầu nối với hai phiến góp Hai cạnh tác dụng phần tử dây quấn đặt hai rãnh hai cực khác tên Mỗi phần tử có vịng, phần tử nối thành mạch vịng khép kín Rotor lồng vào cuộn dây kích từ, đỡ ổ bi nắp vỏ quay cực cuộn dây kích từ -7- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 3.40: Kết mơ điều khiển thích nghi mờ tác động nhiễu ma sát Nhận xét: tác dụng lực ma sát hệ thống làm việc ổn định, sai lệch tĩnh có tăng đảm bảo tiêu chuẩn ổn định hệ thống 3.5 So sánh trường hợp kết luận 3.5.1 So sánh điều khiển PID, mờ thích nghi mờ Hình 3.41: So sánh điều khiển PID, mờ thích nghi mờ - 98 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 3.42: Kết mô điều khiển PID, mờ thích nghi mờ Nhận xét: Từ kết mơ hình 3.42 ta rút số kết luận sau: - Độ điều chỉnh điều khiển thích nghi mờ cao so với hai điều khiển lại Tuy nhiên, nhiên nhỏ nhiều so với qui định 40% - Thời gian độ điều khiển thích nghi mờ khoảng 1s Trong thời gian độ điều khiển khác gấp lần - Sai lệch tĩnh nhỏ đảm bảo yêu cầu ổn định hệ thống Vậy điều khiển trên, điều khiển thích nghi mờ thể ưu vượt trội so với điều khiển lại - 99 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm 3.5.2 So sánh điều khiển PID, mờ thích nghi mờ có ma sát Hình 3.43: So sánh điều khiển PID, mờ thích nghi mờ tác động nhiễu ma sát - 100 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 3.44: Kết mô điều khiển PID, mờ thích nghi mờ tác động nhiễu ma sát Nhận xét: Từ kết mô hình 3.44 ta rút số kết luận sau: - Độ điều chỉnh điều khiển thích nghi mờ cao so với điều khiển mờ thấp so với điều khiển PID Tuy nhiên, nhỏ nhiều so với qui định 40% - Thời gian độ điều khiển thích nghi mờ dưới1s Trong thời gian độ điều khiển khác gấp lần - Sai lệch tĩnh nhỏ đảm bảo yêu cầu ổn định hệ thống Vậy điều khiển trên, điều khiển thích nghi mờ thể ưu vượt trội so với điều khiển lại - 101 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm 3.6 Kết luận chương Trong chương này, ta tiến hành thiết kế điều khiển nhiều trường hợp khác kết nghiên cứu thể ưu vượt trội điều khiển thích nghi mờ Trong tất trường hợp từ thay đổi dạng tín hiệu vào đến tác động nhiễu hay bất định tham số đầu ra, điều khiển mờ gần giữ trạng thái làm việc ổn định, điều khiển khác sơ trường hợp khơng cịn đáp ứng u cầu điều khiển - 102 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm CHƯƠNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1 Tổng quan mơ hình thực nghiệm Hình 4.1: Sơ đồ kết nối phần cứng Hình 4.2: Sơ đồ hóa mơ hình thực nghiệm - 103 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 4.3: Mơ hình thực nghiệm thực tế Hình 4.4: Động servo - 104 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 4.5: Máy biến áp Hình 4.6: Mạch nguồn - 105 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Hình 4.7: Mạch điều khiển động Hình 4.8: Card giao tiếp - 106 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm - 107 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Bảng 4.1: Chức vào card USB 9001 Thông số chung Đặc điểm Cổng kết nối USB (chuẩn giao tiếp RS232) Hỗ trợ hệ điều hành Windown Kiểu đo kênh điện áp (ADC) đếm xung từ loại encoder Điều khiển - kênh xuất tín hiệu số - kênh xuât tín hiệu điều chế xung (PWM) Đọc tín hiệu Analog Số kênh SE - 108 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Tốc độ lấy mẫu 142S/s Độ phân giải bits Trích mẫu đồng thời Khơng Ngưỡng điện áp giới hạn lớn đến 5V Độ xác 10mV (Vref = 2.56V) Tín hiệu Analog từ loại cảm biến Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng… Lĩnh vực ứng dụng Điều khiển tự động, ô tô, cơng nghiệp Xuất tín hiệu PWM Số kênh Tốc độ cập nhật 100S/s Độ phân giải bits Ngưỡng điện áp đến 5V Tín hiệu điều khiển dịng điện 10mA (dịng ngắn mạch) Các chân xuất tín hiệu số Số kênh Timing Software Logic levels TTL Ngưỡng điện áp 5V Bộ lọc vào lập trình Khơng Output Current Flow Sinking, Sourcing Dịng điện 10mA/100mA Bộ đếm xung Số đếm (đếm lên đếm xuống) Độ phân giải 16 bits Tần số nguồn xung lớn 250kHz Độ rộng xung vào nhỏ 2us Mức logic TTL Ngưỡng cực đại 5V - 109 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Văn Tiềm Ứng dụng Đo tốc độ động từ Encoder, đo xung… Cho phépthực nhớ tạm Có Tác động (Triggering) Digital Kích thước card Dài 10cm Rộng 6cm Cao 2.5cm Đầu nối vào Dễ dàng mở tua vít Chất liệu vỏ hộp Nhựa Nhiệt độ bảo quản