Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều

-i- PHẠM MINH KHÁNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - ii - LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Minh Khánh Sinh ngày : 04 tháng 10 năm 1986 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chƣa đƣợc công bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Minh Khánh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - iii - LỜI CẢM ƠN `Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa, phòng ban chức năng, thầy cô giáo đồng nghiệp `Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn `Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hƣơng, Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun tận tình hƣớng dẫn trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Minh Khánh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - iv - MỤC LUC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỞ ĐẦU viii MỞ ĐẦU viii Lý chọn đề tài viii Mục tiêu nghiên cứu viii CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ - 1.1 Điều khiển tối ƣu động chiều - 1.1.1 Khái niệm - 1.1.2 Điều kiện thành lập toán tối ƣu - 1.2 Điều khiển PID động chiều - 1.2.1 Cấu trúc điều khiển PID - 1.2.2 Một số phƣơng pháp xác định tham sốbộ điều khiển PID - 11 1.3 Kết luận chƣơng - 16 CHƢƠNG II MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI - 17 2.1 Chế độ xác lập động điện chiều - 17 2.2 Trƣờng hợp từ thơng kích từ khơng đổi - 22 2.3 Kết luận chƣơng - 23 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG (H∞) - 25 3.1 Giới thiệu - 25 3.2 Mơ hình hóa - 26 3.2.1 Bộ chỉnh định điều khiển động DC - 26 3.2.2 Mơ hình chỉnh định điều khiển động DC - 28 3.2.3 Mô tả hệ thống định nghĩa - 29 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -v- 3.2.4 Mô tả điều khiển tối ƣu H∞ bền vững thiết kế - 32 3.3 Mô điều khiển tối ƣu H∞ - 36 3.4 Kết luận - 38 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU - 40 4.1 Mô - 40 4.1.1 Tham số hệ truyền động - 40 4.1.2 Mơ hình mô hệ thống - 42 4.2 Thực nghiệm - 44 4.2.1 Thiết bị thực nghiệm - 44 4.2.1.2 Bo mạch ghép nối hệ thống máy tính - 45 4.2.2 Cấu trúc thực nghiệm - 46 4.2.3 Kết thực nghiệm - 49 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm - 58 4.3 Kết luận chƣơng - 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 59 Kết luận - 59 Kiến nghị - 60 - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vi - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển - Hình Tối ưu cục tối ưu toàn cục - Hình Động điện chiều kích từ độc lập - Hình Cấu trúc điều khiển PID - Hình Điều khiển vịng kín với điều khiển PID - 10 Hình Đáp ứng độ hệ hở - 12 Hình Xác định số khuếch đại tới hạn - 13 Hình Đáp ứng độ hệ kín k = kth - 13 Hình Đáp ứng độ hệ phù hợp phương pháp Chien-Hrones-Reswick - 14 Hình Sơ đồ cấu trúc động chiều - 20 Hình 2 Sơ đồ cấu trúc động chiều kích từ độc lập - 21 Hình Cấu trúc động từ thông không đổi - 23 - 27 Hình Mạch điện động DC - 28 Hình 3 Đường cong Đáp ứng Trạng thái - 37 Hình Đường cong đáp ứng trạng thái - 37 Hình Mơ hình mơ hệ thống - 42 Hình Đặc tính tốc độ động mô điều khiển bền vững - 44 Hình Động chiều - 44 Hình 4 Bo mạch Arduino Uno - 45 Hình Mơ hình thực nghiệm - 46 Hình Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền vững động chiều - 47 Hình Chi tiết khối Động chiều - 48 Hình Đáp ứng tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 49 Hình Dịng điện động khơng tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 50 Hình 10 Sai lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 50 Hình 11 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 51 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - vii - Hình 12 Dịng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 52 Hình 13 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 53 Hình 14 Đáp ứng tốc độ động không tải với tín hiệu đặt thay đổi - 54 Hình 15 Dịng điện động khơng tải, tín hiệu đặt thay đổi - 55 Hình 16 Sai lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi - 55 Hình 17 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi - 56 Hình 18 Dịng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang - 57 Hình 19 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi - 58 - Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - viii - MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cho đến động điện chiều đóng vai trị quan trọng ngành công nghiệp nhƣ sống Động điện chiều đƣợc ứng dụng phổ biến ngành công nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm cánh tay Robot Để thực nhiệm vụ công nghiệp điện tử với độ xác cao, lắp ráp dây chuyển sản xuất, yêu cầu có điều khiển tốc độ Đối với phƣơng pháp điều khiển kinh điển cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID ( tỉ lệ, tích p hân, đạo hàm ) đƣợc dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Tuy nhiên hệ thống đƣợc thiết kế dựa việc giả thiết thông số động không đổi, nhƣng thực tế q trình làm việc thơng số động hồn tồn bị thay đổi (R động thay đổi theo nhiệt độ, mô men qn tính thay đổi theo tải…) điều khiển PID làm việc không theo thiết kế dẫn đến hệ thống điều khiển không đảm bảo chất lƣợng yêu cầu Vì với yêu cầu cấp thiết Tôi xây dựng đề tài luận văn tốt nghiệp “ Thiết kế điều khiển bền vững tốc độ động chiều “ Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu điều khiển nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển tự động Tuy nhiên thực tế có nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với yêu cầu đặc tính phức tạp khác Do cần tiền hành nghiên cứu, tìm phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể cho đối tƣợng Mục đích cuối Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - ix - tìm kiếm điều khiển cho hệ truyền động ngày đạt đƣợc chất lƣợng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, hiệu đạt đƣợc cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hóa truyền động điện dây chuyền sản xuất Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, ngành điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt vấn đề đòi hỏi phải nghiên cứu hoàn thiện hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày cao thực tế sống phù hợp với xu phát triển khoa học công nghệ Việc nghiên cứu xây dựng điều khiển đại vấn đề cần thiết, việc gắn liền nhiệm vụ nghiên cứu thực tiễn sống Để phục vụ cho công tác nghiên cứu tác giả sử dụng phƣơng pháp điều khiển bền vững phần mềm Matlab Simulink xây dựng mơ hình hóa mô hệ thống điều khiển, công cụ đắc lực trợ giúp việc nghiên cứu, có khả ứng dụng vào việc nghiên cứu mô hệ truyền động động điện chiều Động điện chiều dùng hệ truyền động điện địi hỏi chất lƣợng cao Chính mà hệ thống điều khiển cho hệ truyền động điện phải đáp ứng nhiều tiêu chặt chẽ Và nói chung phần lớn hệ thống truyền động thực tế có cấu trúc tham số khơng cố định hoạc biết trƣớc Đối với động điện chiều, thông số thƣờng bị thay đổi làm ảnh hƣởng chất lƣợng điều chỉnh, cụ thể: Khi mạch từ máy điện bị bão hòa làm điện cảm phần ứng Lu động suy giảm Điện trở mạch phần ứng Ru Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -x- máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, số thời gian mạch phần ứng Tu = Lu/Ru thay đổi theo q trình làm việc Với mạch kích từ, từ thơng Ф bị thay đổi dẫn đến số thời gian học Tc thay đổi Khi xét đến tải hệ truyền động momen quán tính tải thƣờng bị thay đổi, làm cho momen quán tính hệ qui đổi trục động bị thay đổi Nếu phƣơng pháp điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn việc tính tốn, thiết kế điều khiển đạt đƣợc chất lƣợng cao Do việc nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp điều khiển để điều khiển tốc độ động điện chiều hƣớng đƣợc nhiều ngƣời quan tâm hƣớng nghiên cứu có nhiều triển vọng, nhƣ có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn Với lý tác giả chọn việc nghiên cứu mơ hình thiết kế điều khiển bền vững tốc độg động điện chiều thông số động thay đổi làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt đƣợc đáp ứng ngõ đặc tính hệ thống điều khiển thỏa mãn yêu cầu đề Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 49 - 4.2.3 Kết thực nghiệm 4.2.3.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bƣớc nhảy khơng tải Tín hiệu đặt Nref = 1000 v/ph Đáp ứng tốc độ động Hình Đáp ứng tốc độ động không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy Dịng điện phần ứng động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 50 - Hình Dịng điện động khơng tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Hình 10 Sai lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 4.2.3.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bƣớc nhảy có tải Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 51 - Tín hiệu đặt Nref = 1000 v/ph Đáp ứng tốc độ động Hình 11 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy Dịng điện phần ứng động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 52 - Hình 12 Dịng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 53 - Hình 13 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 54 - 4.2.3.3 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bậc thang khơng tải Tín hiệu đặt Nref = {1000 v/ph; 750 v/ph} Đáp ứng tốc độ động Hình 14 Đáp ứng tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi Dịng điện phần ứng động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 55 - Hình 15 Dịng điện động khơng tải, tín hiệu đặt thay đổi Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Hình 16 Sai lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 56 - 4.2.3.4 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bậc thang có tải Tín hiệu đặt Nref = {1000 v/ph; 750 v/ph} Đáp ứng tốc độ động Hình 17 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi Dịng điện phần ứng động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 57 - Hình 18 Dịng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 58 - Hình 19 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm - Đáp ứng tốc độ hệ thống có tải hay khơng tải ln bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.6s - Lƣợng điều chỉnh nhỏ, khoảng 5-10% - Bộ điều khiển bền vững điều khiển hệ thống đạt chất lƣợng tốt - Kết thực nghiệm với lý thuyết phân tích 4.3 Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày: - Mô hệ thống điều khiển bền vững động chiều - Các thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống điều khiển bền vững động chiều với điều khiển đƣợc thực Matlab/Simulink - Thực thực nghiệm điều khiển bền vững động chiều thu đƣợc đáp ứng hệ thống đạt chất lƣợng tốt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 59 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài “Thiết kế điều khiển bền vững tốc độ động chiều” Bản luận văn đƣợc trình bày đầy đủ nội dung đƣợc viết thành chƣơng kèm theo phần mở đầu kết luận kiến nghị Nội dung luận văn chứa đựng đầy đủ yêu cầu mục tiêu đề tài nhƣ mục tiêu nghiên cứu Những kết đƣợc thể cụ thể nhƣ sau: Sau xây dựng hệ thống mô thực nghiệm thiết kế đƣợc điều khiển bền vững tốc độ động chiều thi thơng số động thay đổi Đã thí nghiệm thành công điều khiển bền vững tốc độ động chiều có tải khơng tải, thiết bị hoạt động thời gian dài, hệ cho tốc độ động ổn định Địa điểm thí nghiệm phịng thí nghiệm Điện – Điện tử Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp cho việc kiểm chứng, so sánh đánh giá với lý thuyết Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 60 - Với kết khẳng định luận văn hoàn thành tốt nội dung đề tài Và đề tài vừa có tính lý thuyết tính thực nghiệm Tuy nhiên thời gian thực chạy thí nghiệm ngắn, điều khiển làm việc điều kiện không tải hoạc tải nhỏ, thiết bị phịng thí nghiệm, nên thơng số động khơng dễ dàng thay đổi Đề tài cần thêm thời gian đề kiểm chứng thực tế Kiến nghị Để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn, cần kiểm chứng kết thực tế Với máy móc thiết bị chạy lâu năm, thông số động thay đổi cách rõ rệt Từ đƣa vào ứng dụng thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 61 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] J Y M Cheung, K W E Cheng and A S Kamal, Motor speed control by using a fuzzy logic model reference adaptive controller, Sixth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives, 430-435, 1996 [3] F Rodriguez and A Emadi, A novel digital control technique for brushless DC motor drives, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.54, No.5, 2365-2373, 2007 [4] A A El-Samahy, Speed control of DC motor using adaptive variable structure control, IEEE 31st Annual Power Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 62 - Electronics Specialists Conference, 1118-1123, 2000 [5] G R Yu and R C Hwang, Optimal PID speed control of brushless DC motors using LQR approach, IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 473-478, 2004 [6] M A Rahman and M A Hoque, On-line self-tuning ANNbased speed control of a PM DC motor, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2, No.3, 169-178, 1997 [7] P Chevrel, L Sicot and S Siala, Switched LQ controllers for DC motor speed and current control: a comparison with cascade control, IEEE 27th Annual Power Electronics Specialists Conference, 906-912, 1996 [8] P Thirusakthimurugan and P Dananjayan, A new control scheme for the speed control of PMBLDC motor drive, 9th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, 1-5, 5-8, 2006 [9] T Senjyu, S Ashimine and K Uezato, Robust speed control method for DC servomotor using adaptive gain law, Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 63 - Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 254-259, 1996 [10] T Senjyu, H Kamifurutono and K Uezato, Robust speed control of DC servo motor based on Lyapunov’s direct method, 25th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 522-527, 1994 [11] T Senjyu, S Ashimine and K Uezato, Robust speed control of DC servomotors using fuzzy reasoning, Proceedings of the IEEE IECON 22nd International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, 1365-1370, 1996 [12] J G Zhou, Y Y Wang and R J Zhou, Global speed control of separately excited DC motor, IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 1425-1430, 2001 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/