99TÀI LIỆU THAM KHẢO………...100 Trang 9 MỞ ĐẦU Các hệ thống Điều chỉnh tự động Truyền động điện ĐCTĐ- -TĐĐ được sử dụng để tạo nên các chuyển động trong các máy và thiết bị công nghiệp..
bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hµ néi TRẦN THÁI TRANG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT NHIỄU ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ TẠ CAO MINH Hà nội, 11/2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205233131000000 Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Tạ Cao Minh Số liệu kết đề tài hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, em sử dụng tài liệu tham khảo ghi bảng tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Học viên Trần Thái Trang Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ỹ nghĩa Đơn vị C Bộ điều khiển P Đối tượng điều khiển Tdis Mô men nhiễu Nm MT Mô men tải Nm ω Tốc độ động v/ph J Moment quán tính kg.m2 τ Hằng số thời gian s d Nhiễu F Lực tác động lên động N Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 DANH MỤC HÌNH VẼ Chương I Tổng quan hệ truyền động điện Hình 1.1 Mô tả cấu trúc chung hệ truyền động Chương II Mơ hình quan sát nhiễu ứng dụng 14 Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 14 Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống có tác động nhiễu 15 Hình 2.3 Sơ đồ ngun lý quan sát mơ men nhiễu 24 Hình 2.4 Sơ đồ phản hồi mơ men nhiễu tính tốn Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống điều khiển chung 25 25 Hình 2.6 Mơ hình quan sát nhiễu 26 Hình 2.7 Mơ hình quan sát nhiễu thứ 27 Hình 2.8 Mơ hình quan sát nhiễu thứ 27 Hình 2.9 Bộ điều khiển hai bậc tự hệ thống servo 28 Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ quan sát nhiễu 28 Hình 2.11 Sơ đồ khối động 31 Hình 2.12 Sơ đồ khối động dựa xác định nhiễu 32 Hình 2.13 Bù nhiễu phản hồi nhiễu 32 Hình 2.14 Sơ đồ thay tương đương hình 33 Hình 2.15 Bộ điều khiển gia tốc 34 Hình 2.16 Bộ điều khiển vị trí dựa điều khiển gia tốc 34 Hình 2.17 Sơ đồ khối điều khiển vị trí 35 Hình 2.18 Bộ điều khiển lực dựa điều khiển gia tốc 36 Hình 2.19 Tính tốn nhiễu tín hiệu gia tốc 39 Hình 2.20 quan sát nhiễu tín hiệu tốc độ 40 Hình 2.21 Bộ quan sát nhiễu tín hiệu vị trí 41 Chương III Xây dựng quan sát nhiễu hệ thống điều khiển tốc độ động servo chiều Hình 3.1 Cấu hình chung hệ điều khiển bậc tự Hình 3.2: Thiết kế hệ thống servo dựa điều khiển bậc tự Hình 3.3 Cấu hình mơ tả hệ thống servo đề xuất hình Hình 3.4: Hệ thống servo dạng 43 44 46 49 51 Hình 3-5: Bộ quan sát nhiễu hệ thống servo 51 Hình 3.6: Đặc tính tần số hàm nhạy 53 Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 Hình 3.7 Đặc tính tần số hàm nhạy bổ xung Chương IV Xây dựng mơ hệ thống 54 56 Hình 4-1 Sơ đồ khối mạch vịng dịng điện 49 Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ 60 Hình 4.3 Sơ đồ khối mơ hệ thống 62 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc quan sát nhiễu 63 64 64 Trường hợp τ = 0.03s, M = 1Nm, ω= 300v/ph Hình 4.5 Đặc tính tốc độ dịng điện có quan sát nhiễu Hình 4.6 Đặc tính tốc độ có quan sát nhiễu 64 Hình 4.7 Đặc tính tốc độ dịng điện khơng có quan sát nhiễu 65 Hình 4.8 Đặc tính tốc độ 65 Hình 4.9 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu 66 Trường hợp τ = 0.03s, M = 5Nm, ω= 300v/ph Hình 4.10 Đặc tính tốc độ dịng điện có tham gia quan sát nhiễu 67 67 Hình 4.11 Đặc tính tốc độ 67 Hình 4.12 Đặc tính tốc độ dịng điện khơng có quan sát nhiễu 68 Hình 4.13 Đặc tính tốc độ 68 Hình 4.14 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu 69 Trường hợp τ = 0.03s, M = 1Nm, ω= 100v/ph 70 Hình 4.15 Đặc tính tốc độ có quan sát 70 Hình 4.16 Đặc tính tốc độ có quan sát 70 Hình 4.17 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu 71 Trường hợp τ = 0.03s, M = 5Nm, ω= 100v/ph 72 Hình 4.18 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu 72 Hình 4.19 Đặc tính tốc độ có quan sát nhiễu 72 Hình 4.20 So sánh đặc tính tốc độ dịng điện có khơng có quan sát nhiễu 73 Trường hợp τ = 0.03s, M = 5Nm, ω= 500v/ph Hình 4.21 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.22 Đặc tính tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.23 So sánh đặc tính tốc độ dịng điện có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.03s, M = 1Nm, ω= 500v/ph 74 74 74 75 76 Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 Hình 4.24 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.25 Đặc tính tốc độ có quan sát nhiễu 76 76 Hình 4.26 So sánh đặc tính tốc độ dịng điện có khơng có quan sát nhiễu Hình 4.27 So sánh đặc tính tốc độ 77 Trường hợp τ = 0.3s, M = 1Nm, ω= 500v/ph 77 79 Hình 4.28 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu 79 Hình 4.29 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu 79 Trường hợp τ = 0.3s, M = 5Nm, ω= 500v/ph Hình 4.30 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.31 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.3s, M = 5Nm, ω= 1000v/ph Hình 4.32 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.33 Đặc tính dịng điện tốc khơng có quan sát nhiễu Hình 4.34 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.3s, M = 1Nm, ω= 1000v/ph Hình 4.35 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.36 Đặc tính dịng điện tốc khơng có quan sát nhiễu Hình 4.37&4.38 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.003s, M = 1Nm, ω= 1000v/ph Hình 4.39 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.40&4.41 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.003s, M = 5Nm, ω= 1000v/ph Hình 4.42 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.43 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.003s, M = 5Nm, ω= 500v/ph Hình 4.44 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.45 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu Trường hợp τ = 0.003s, M = 1Nm, ω= 500v/ph Hình 4.46 Đặc tính dịng điện tốc độ có quan sát nhiễu Hình 4.47&4.48 So sánh đặc tính tốc độ có khơng có quan sát nhiễu 80 80 81 82 82 82 83 84 84 84 85 86 86 87 88 88 89 90 90 90 91 91 92 MỤC LỤC Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………………….1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU…………………………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ…………………………………………………………… MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 10 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG 10 1.2 CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 11 1.3 PHÂN LOẠI HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG – TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 12 1.4 KẾT LUẬN 15 CHƯƠNG MÔ HÌNH QUAN SÁT NHIỄU VÀ ỨNG DỤNG 17 2.1TỔNG QUAN VỀ NHIỄU 19 2.1.1 Mơ hình tốn học nhiễu – Ước lượng nhiễu 19 2.1.2 Xấp xỉ nhiễu bậc cao 24 2.1.3 Quan sát nhiễu 24 2.1.4 Khử nhiễu 25 2.2 MƠ HÌNH QUAN SÁT NHIỄU 26 2.2.1 Tổng quan việc thiết kế quan sát nhiễu 26 2.2.2 Cấu hình hệ thống điều khiển tổng quát 28 2.2.3 Mơ hình quan sát nhiễu hệ thống đơn giản 28 2.2.4 Mối quan hệ điều khiển hai bậc tự mơ hình quan sát nhiễu 30 2.3 ỨNG DỤNG CỦA QUAN SÁT NHIỄU TRONG ĐIỀU KHIỂN Error! Bookmark not defined 2.3.1 Nhiễu tác động vào động 32 2.3.2 Phản hồi nhiễu 33 2.3.3 Bộ điều khiển gia tốc 34 2.3.4 Điều khiển chuyển động dựa điều khiển gia tốc 35 CHƯƠNG XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SERVO MỘT CHIỀU 44 3.1THAM SỐ HÓA BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI BẬC TỰ DO 45 3.2THIẾT KẾ HỆ THỐNG SERVO BỀN VỮNG HAI BẬC TỰ DO 46 3.2.1 Tham số hóa 46 3.2.2 Thiết kế tham số Q(s) 50 3.3 ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SERVO SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI BẬC TỰ DO 51 3.3.1 Tương đương hệ thống servo dựa quan sát mômen nhiễu 51 3.3.2 Thay đổi tham số động nhiễu tải 52 3.4KẾT LUẬN 55 CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 56 4.1 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 56 4.2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ SERVO 58 4.3 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 61 4.3.1 Tham số động servo dùng mô phỏng: 62 4.3.2 Tham số điều chỉnh 62 4.3.2 Tham số quan sát nhiễu 62 4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 64 Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 4.4.1 TH1: Khảo sát với τ = 0.03s 64 4.4.1.1 Thực mơ có nhiễu tải M = 1Nm, tốc độ 300v/ph 64 4.4.1.2 Thực mơ có nhiễu tải M T = 5Nm, tốc độ 300v/ph 66 4.4.1.3 Thực mô nhiễu tải MT=1Nm, tốc độ 100v/ph 70 4.4.1.4 Thực mô với nhiễu tải MT = 5Nm, tốc độ 100v/ph 72 4.4.1.5 Thực mô nhiễu tải M=5Nm, tốc độ 500v/ph, 74 4.4.2 TH2: Khảo sát với τ = 0.3s 79 4.4.2.1 Thực mô tốc độ = 500v/ph M = 1Nm 79 4.4.2.2 Thực mô tốc độ = 500v/ph M = 5Nm 80 4.4.2.3 Thực mô tốc độ = 1000v/ph M = 5Nm 82 4.4.2.4 Thực mô tốc độ = 1000v/ph M = 1Nm 84 4.4.3 TH3: Khảo sát với τ = 0.003s 86 4.4.3.1 Thực mô tốc độ = 1000v/ph M = 1Nm 86 4.4.3.2 Thực mô tốc độ = 1000v/ph M = 5Nm 88 4.4.3.3 Thực mô tốc độ = 500v/ph M = 5Nm 90 4.4.3.4 Thực mô tốc độ = 500v/ph M = 1Nm 91 4.5 KẾT LUẬN…………………………………………………………………………………… 96 KẾT LUẬN………………… ………………………………………………………… 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 100 TÓM TĂT LUẬN VĂN……………… ………………………………………………101 Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 MỞ ĐẦU Các hệ thống Điều chỉnh tự động - Truyền động điện (ĐCTĐ-TĐĐ) sử dụng để tạo nên chuyển động máy thiết bị công nghiệp Các máy thiết bị công nghiệp phục vụ dây chuyền công nghệ, muốn tạo thành chi tiết hay sản phẩm phải có chuyển động cần thiết, chí chuyển động lại có liên động chặt chẽ với Ví dụ: Trên máy cắt kim loại, muốn gia cơng chi tiết phải có chuyển động chính, chuyển động ăn dao chuyển động phụ, chuyển động phối hợp với theo u cầu q trình cơng nghệ Các khớp tay máy (ROBOT) có chuyển động riêng hệ toạ độ suy rộng để phối hợp với tạo nên quỹ đạo chuyển động yêu cầu.v.v Mặt khác chuyển động lại có yêu cầu riêng như: Phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ trơn điều chỉnh, tính chất mơmen cản, v.v Trong thực tế hệ thống điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) phải tạo chuyển động học quay tròn hay tịnh tiến vừa quay tròn vừa tịnh tiến (song phẳng) Nguồn động lực cho chuyển động nhiệt, thuỷ lực, khí nén, điện, v.v Đối với hệ thống điều khiển chuyển động lĩnh vực truyền động điện tự động mục tiêu phải đảm bảo giá trị yêu cầu đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động nhiễu lên hệ thống Hệ thống điều khiển chuyển động cần phải tin cậy, xác, giá thành rẻ tiết kiệm lượng, thường bao gồm phần: Nguồn lượng điện với điện áp tần số ổn định; biến đổi có điện áp tần số thay đổi; hệ thống điều khiển số tương tự với liên hệ phản hồi - điện; động điện; truyền khí phụ tải Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện Trần Thái Trang Lớp CH ĐK-TĐH khóa 2006-2008 Ba lĩnh vực chủ yếu liên quan đến phát triển điều khiển chuyển động là: Điện tử công suất (bao gồm thiết bị mạch điện), máy điện (chủ yếu động điện loại) kỹ thuật điều khiển (bao gồm kỹ thuật xử lý tín hiệu) Khó nói lĩnh vực quan trọng lĩnh vực nào, đóng góp ba lĩnh vực vào phát triển điều khiển chuyển động to lớn Do đòi hỏi việc tăng hiệu cải tiến chất lượng sản phẩm, thiết bị kỹ thuật ngồi việc giảm giá thành cịn phải tăng hiệu suất, giảm sóng hài nguồn, kết cấu gọn nhẹ, xử dụng thuận tiện tiêu chuẩn hoá cao Trong xu hệ thống điều khiển chuyển động ngày tin cậy hơn, xác hơn, dễ sử dụng giá rẻ vì: a) Việc đưa vào sử dụng thiết bị bán dẫn công suất cao tần hiệu suất cao b) Sự phát triển kết cấu máy điện c) Việc sử dụng thuật toán điều khiển đại trực tiếp, tinh xảo Mục tiêu hệ điều khiển chuyển động là: Đảm bảo điều khiển tin cậy lĩnh vực hoạt động yêu cầu Hệ điều khiển phải động ổn định động tĩnh, chống nhiễu ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: Tiếng ồn mức quy định, sóng hài điện áp dòng điện lớn, v.v Nghiên cứu thiết kế quan sát nhiễu ứng dụng hệ truyền động điện