Đang tải... (xem toàn văn)
Untitled i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VÕ VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT DIEZEL LUẬN VĂN THẠC SĨ K[.]
i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VÕ VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT DIEZEL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN-2020 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VÕ VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT DIEZEL Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 852 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Giáo viên hướng dẫn PGS.TS Võ Quang Lạp THÁI NGUYÊN - 2020 iii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Võ Văn Hùng Sinh ngày: 22 tháng 02 năm 1969 Học viên lớp CĐK17A – KTĐK&TĐH, Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa cơng bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Thái nguyên, tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Võ Văn Hùng iv LỜI CẢM ƠN Tơi xin trân trọng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp- người hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin trân thành cảm ơn thầy giáo Khoa Cơng nghệ tự động hóa trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên đóng góp nhiều ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Phòng Đào Tạo, phòng ban, Khoa sau đại học, xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi mặt để tơi hồn thành khóa học Thái nguyên, tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Võ Văn Hùng v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên ký hiệu STT Ý nghĩa F- Đ: Hệ truyền động máy phát động điện chiều T-Đ Hệ truyền động thysirtor động điện chiều PID Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân P Bộ điều chỉnh tỷ lệ I Bộ điều chỉnh tích phân PI Là điều chỉnh tỷ lệ tích phân PD Là điều chỉnh tỷ lệ vi phân vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ) Hình 1 Sơ đồ khối điều chỉnh tần số thứ cấp Hình Sơ đồ cấu đo tần số (a); Biểu đồ vectơ điện áp (b) .4 Hình Đường đặc tính tĩnh Diezel (1,2,3) phụ tải (1’,2’,3) Hình Giới thiệu hệ điều tốc máy phát Diezen 10 Hình Đồ thị công thị 10 Hình Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc Diezel .13 Hình Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung động .14 Hình Sơ đồ nguyên lý biến đổi PWM dạng 15 Hình Đồ thị điện áp biến đổi PWM dạng H 15 Hình Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí 18 Hình 2 Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ 19 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM - D 19 Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện 21 Hình Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng dịng điện 22 Hình Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 23 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động 24 Hình Sơ đồ mơ hệ truyền động điện 25 Hình Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 27 Hình Quan hệ ω………………………………………………….32 Hình Sơ đồ khối điều khiển mờ .33 Hình 3 Mơ hình chuyển đổi hiểu biết người hệ mờ 37 Hình 4.Ví dụ chọn tập liệu vào/ra .38 Hình Hệ điều khiển mờ theo luật I .43 Hình Hệ điều khiển mờ theo luật PD 43 Hình Hệ điều khiển mờ theo luật PI 44 Hình Hệ điều khiển mờ PID 45 vii Hình Mơ hình điều khiển mờ lai kinh điển 47 Hình 10 Mơ hình điều khiển mờ bù 47 Hình 11 Mơ hình điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 49 Hình 12 Cấu trúc bên chỉnh định mờ 50 Hình 13 Định nghĩa biến vào điều khiển mờ lai PD 53 Hình 14 Định nghĩa tập mờ cho biến ET điều khiển mờ lai PD 53 Hình 15 Định nghĩa tập mờ cho biến DET điều khiển mờ lai PD .53 Hình 16 Định nghĩa tập mờ cho biến U điều khiển mờ lai PD 54 Hình 17 Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ lai PD 54 Hình 18 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ lai PD 54 Hình 19 Quan sát tín hiệu vào mờ lai PD 55 Hình 20 Sơ đồ mô điều khiển mờ lai PD nối song song 55 Hình 21 Đáp ứng vị trí điều chỉnh mờ lai PD nối song song .56 Hình 22 Đáp ứng tốc độ điều chỉnh mờ lai PD nối song song 56 Hình 23 Đáp ứng mô men điều chỉnh mờ lai PD nối song song .56 Hình 24 Sơ đồ mô điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp 57 Hình 25 Đáp ứng vị trí điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp 57 Hình 26 Đáp ứng tốc độ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp 57 Hình 27 Đáp ứng mô men điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp 57 Hình 28 Sơ đồ mô so sánh chất lượng điều khiển PID 58 Hình 29 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 0.01rad 58 Hình 30 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 0.01 rad 59 Hình 31 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển 0.01 rad .59 Hình 32 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 0.1rad .60 Hình 33 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 0.1 rad 60 Hình 34 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển 0.1 rad 60 Hình 35 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 1rad .61 Hình 36 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển rad 61 viii Hình 37 Đáp ứng mô men với khoảng dich chuyển rad 62 Hình 38 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 10 rad .62 Hình 39 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 10 rad 63 Hình 40 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển 10 rad 63 ix MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .III LỜI CẢM ƠN IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ .3 TRONG MÁY PHAT ĐIỆN DIEZEL 1.1 Ý nghĩa việc ổn định tần số: 1.2 Các phương pháp ổn định tần số máy phát điện: 1.2.1 Ổn định tần số thứ cấp: 1.2.2 Ổn định tần số sơ cấp 1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát Diezel 1.3.1 Các thông số đặc trưng điều tốc 1.3.2.Giới thiệu sơ đồ 1.3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động điều tốc Diezen để ổn định tần số máy phát điện 13 1.3.4.Các hệ thống truyền động ứng dụng hệ ổn định tốc độ Diezel 14 Kết luận chương 1: 16 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT TÍNH TỐN VÀ TỔNG HỢP HỆ VỚI MẠCH VỊNG PHẢN HỒI VỊ TRÍ TUYẾN TÍNH DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID .18 2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí 18 2.2 Khảo sát tính tốn hệ truyền động ổn định tốc độ 18 2.2.1 Giới thiệu sơ đồ 18 2.2.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM 19 2.2.3 Hàm truyền khâu hệ truyền động 20 2.2.4 Tổng hợp hệ truyền động 21 2.2.5 Mô hệ 25 x 2.3 Khảo sát tính tốn hệ truyền động ổn định vị trí với điều khiển PID tuyến tính .26 2.3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí 27 2.3.2 Tổng hợp điều khiển vị trí 27 2.3.2 Mô 29 Kết luận chương 2: 30 CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN .31 ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIEZEN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 31 3.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 31 3.2 Ứng dụng điều khiển mờ mạch vịng vị trí 32 3.2.1 Sơ đồ khối điều khiển mờ 33 3.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ .35 3.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 36 3.3 Các điều khiển mờ .41 3.3.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển 41 3.3.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 42 3.3.3 Bộ điều khiển mờ động 42 3.4 Bộ điều khiển mờ lai PID 46 3.4.1 Giới thiệu chung .46 3.4.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 48 3.5 Tổng hợp hệ thống với điều khiển PID kết hợp điều khiển mờ cho điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát Diezel 50 3.6 Mô hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD 55 3.6.1 Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song 55 3.6.2 Bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp .57 3.7 So sánh chất lượng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD .58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 55 Hình 19 Quan sát tín hiệu vào mờ lai PD 3.6 Mô hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD 3.6.1 Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song Hình 20 Sơ đồ mơ điều khiển mờ lai PD nối song song 56 Hình 21 Đáp ứng vị trí điều chỉnh mờ lai PD nối song song Hình 22 Đáp ứng tốc độ điều chỉnh mờ lai PD nối song song Hình 23 Đáp ứng mơ men điều chỉnh mờ lai PD nối song song 57 3.6.2 Bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp Hình 24 Sơ đồ mơ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp Hình 25 Đáp ứng vị trí điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp Hình 26 Đáp ứng tốc độ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp Hình 27 Đáp ứng mô men điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp 58 3.7 So sánh chất lượng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD Hình 28 Sơ đồ mơ so sánh chất lượng điều khiển PID điều khiển mờ lai PD a Kết mô với khoảng dịch chuyển 0.01rad Hình 29 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 0.01rad 59 Hình 30 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 0.01 rad Hình 31 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển 0.01 rad b Kết mô với khoảng dịch chuyển 0.1rad 60 Hình 32 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 0.1rad Hình 33 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 0.1 rad Hình 34 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển 0.1 rad 61 c Kết mô với khoảng dịch chuyển 1rad Hình 35 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 1rad Hình 36 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển rad 62 Hình 37 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển rad c Kết mô với khoảng dịch chuyển 10rad Hình 38 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 10 rad 63 Hình 39 Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 10 rad Hình 40 Đáp ứng mơ men với khoảng dich chuyển 10 rad Nhận xét: Với khoảng cách dịch chuyển khoảng [0.0110] rad Hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD rõ ràng cho kết tốt hẳn so với điều khiển PID kinh điển Điều thể qua tiêu chất lượng bảng ứng với trường hợp khoảng dịch chuyển 10 rad (xem Hình 3.38) 64 Bộ điều Các tiêu chất lượng Bộ điều khiển mờ lai khiển mờ lai Bộ điều khiển PID PD nối nối PD nối song tiếp song Độ điều chỉnh 0 Thời gian độ 0.55 giây 0.85 giây 1.25 giây Số lần điều chỉnh lần lần lần Sai lệch vị trí lớn áp tải 1.2% 1.3% 2.6% khơng có khơng có có Dao động áp tải kinh điển Kết luận chương 3: Như hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD có hai ưu điểm bật so với hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển PID kinh điển là: - Vị trí cần điều khiển đạt độ xác nhanh - Sai lệch vị trí nhỏ Với hai ưu điểm này, hệ điều chỉnh vị trí cho ổn định tần số máy phát điện diezel sử dụng điều khiển mờ lai PD có chất lượng tốt 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Với đề tài nêu ra, luận văn giải đầy đủ, trọn vẹn cho số kết sau: 1) Trình bày tổng quan điều tốc Diezel, để ổn định tần số máy phát điện sở xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ Diezel (ổn định vị trí) 2) Tổng hợp hệ truyền động, hệ truyền động PWM – Động chiều, thông qua mô khẳng định chất lượng, đảm bảo để truyền động hệ điều tốc động Diezen 3) Khảo sát, tính tốn mơ thành cơng hệ ổn định tốc độ với điều khiển vị trí khâu PD tuyến tính.Từ nhận xét q trình phi tuyến mạch vịng phản hồi vị trí đề xuất việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển mờ Kết mô hệ điều khiển truyền động với điều khiển mờ chất lượng nâng cao hẳn so độ ổn định vị trí điều khiển tuyến tính Kiến nghị: Bản luận văn đạt số kết quả, song dừng lại mặt lý thuyết mơ Nghiên cứu hồn chỉnh thiếu sót, tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tiếng Việt [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Phùng Quang (2002), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Nguyễn Trọng Thuần (2006), Điều khiển logic & ứng dụng, NXB Khoa học & kỹ thuật Hà Nội [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học Hà Nội [5] TS Trần Thọ, PGS.TS Võ Quang Lạp (2004), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] KS Đinh Anh Tuấn (2004): Nghiên cứu điều tốc thích nghi cho động Diezel tàu thủy Luận án thạc sỹ trường Đại học Hàng hải Việt Nam [7] Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh, Kỹ thuật biến đổi, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên 67 PHỤ LỤC PL1 - Tính tốn thơng số hệ truyền động a, Các thông số cho trước Pđm - Công xuất định mức động 0.7KW Uđm- Điện áp định mức động 220V nđm- Tốc độ quay định mức động 1500v/p Iđm- Dòng điện định mức động 4.3A Lư- Điện cảm phần ứng 0.1944H Rư - Điện trở phần ứng 6.7 Ti- Hằng số thời gian máy biến dòng 0.0025s TPWM - Hằng số thời gian PWM 0.0033s Tđk - Hằng số thời gian mạch điều khiển PWM 0.001s T - Hằng số thời gian cảm biến vị trí 0.001s đm- Hiệu suất định mức động 90% GD : 0.045 b, Tính tốn thơng số Tốc độ định mức : đm = 2n đm 2 1500 = =157rad/s 60 60 Momen định mức : M đm = kđm I đm 12178 4,3 5,2365 Nm Trong : kđm U đm I đm Ru đm 220 4,3.6,7 12178 157 Hằng số thời gian phần ứng : Tu = Lu 0,1944 0,029 s 6,7 Ru Hàm truyền khâu điện từ động : Hàm truyền PWM: WPWM = WĐ ( p ) = / Ru / 6,7 0,15 Tu p Tu p Tu p K PWM 22 , Tp 0,0033 p Trong K PWM 220 22 10 Hàm truyền điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul : 68 Ri ( p ) = Ru Tu K PWM K i Tsi 1 Tu p Trong đó: Tsi = Ti + Tv + Tđk 2,5 + 3,3 + 0,1 = 5,9ms = 5,9.10 -3 s K i - Hệ số khuyếch đại cảm biến dòng điện = U đk 10 = = 2,3256 I đm 4,3 Suy Ri ( p ) = 1 = 0,322 1 , 029 p 2.22 2,3256 5,9.10 0,029 p 6,7.0,029 3 Hàm truyền điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul : R ( p ) = Ki KTc , ta có : Uđ K , chọn Uđ 5V Ru K 2.Ts Hệ số khuyếch đại cảm biến tốc độ : K = 0,0318 , ta có T 1ms 157 Ts T 2Tsi 2.5,9 12,8ms Tc = jRu 0,045 6,7 0,203 s 1,7128 k2 Suy : R ( p ) = Ki KTc 2,3256 1,2178 0,203 105 ,4 = Ru K 2.Ts 6,7.0,0318 2.0,0128 PL2 Tính tốn thơng số hệ điều chỉnh vị trí Hàm truyền điều chỉnh vị trí Rφ theo tiêu chuẩn tối ưu module: Rφ(p)= l =100cm; r = 0.32cm; K (1 2Ts p ) K r K 2T l =T.r=2 rn Ta có: n= 100 50 2r 2 0.32 r ; T= n=100 (rad) ; Hệ số khuếch đại cảm biến vị trí: Kφ= Kr: hệ số khuếch đại truyền lực TKφ=UTd 10 0.032 100 69 T = K r .dt K r .t K r Rφ(p) = T 100 1 .t 157 0,0318 K (1 0,0256 p) (1 2Ts p )= K r K 2T 1.0,032 2.0,3 Rφ =1,656.(1+0,0256p)