Báo cáo nghiên cứu khoa học nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ và lực căng dựa trên mô hình ce108 của hãng tecquipment

Tên đề tàiNghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ và lực căng dựa trên mô hình CE108 của hãngTecQuipment3.. Tình hình nghiên cứu ở trong nướcBài toán điều khiển đa biến tốc độ, lực căn

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Giới thiệu đề tài nghiên cứu

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ và lực căng dựa trên mô hình CE108 của hãng TecQuipment.

Hiện nay, trong quá trình công nghiệp sản xuất sợi dệt và giấy yêu cầu kiểm soát tốc độ, lực căng của sợi để chúng có thể ho愃⌀t động hoàn hảo trong quá trình sản xuất Từ yêu cầu đó mà thiết kế bộ điều khiển tốc độ và lực căng cho chúng ở giới h愃⌀n xác đ椃⌀nh là bài toán mà chúng tôi hướng tới nghiên cứu.

Tình trạng nghiên cứu trước đó

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Điều khiển lực căng và tốc độ được nghiên cứu và áp dụng nhiều trong các bài toán điều khiển phối hợp giữa các động cơ trong quá trình sản xuất giấy, thép

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Bài toán điều khiển đa biến (tốc độ, lực căng) các quá trình công nghệ được đề cập đến trong một số công trình nghiên cứu và ít được đề cập trong giảng d愃⌀y ở các trường đ愃⌀i học (chủ yếu là bài toán điều khiển đơn biến) hoặc có đề cập nhưng chưa được thực nghiệm trong thực tế do h愃⌀n chế về điều kiện thực hành/thí nghiệm.

Lý do chọn đề tài

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu khai thác sử dụng các mô hình trong phòng thí nghiệm để phát triển các thuật toán và đào t愃⌀o lý thuyết gắn liền với thực tiễn.

Do đây là bài toán đa biến ít được đề cập giảng d愃⌀y trong trường đ愃⌀i học và điều kiện thí nghiệm h愃⌀n chế nên đây là đề tài chưa được ho愃⌀t động nhiều.

Hiện t愃⌀i trường Đ愃⌀i học công nghiệp có mô hình CE108 cua hãng TecQuipment cho phép nghiên cứu thực tế.

1.4 M甃⌀c tiêu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về bài toán điều khiển đa biến, nhận d愃⌀ng đối tượng, phân tích và thiết kế bộ điều khiển tách kênh (tốc độ, lực căng) của dây đai nối giữa 2 động cơ, thử nghiệm trên mô hình thực CE108 của hãng Tecquipment trong phòng thí nghiệm.

 Nghiên cứu tổng quan về bài toán điều khiển đa biến và các phương pháp điều khiển cơ bản.

 Nhận d愃⌀ng đối tượng tốc độ và lực căng.

 Phân tích và xây dựng bộ điều khiển đa biến theo phương pháp tách kênh (tốc độ, lực căng) sau đó thử nghiệm kết quả trên mô hình CE108.

Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu tổng quan về bài toán điều khiển đa biến và các phương pháp điều khiển cơ bản.

 Nhận d愃⌀ng đối tượng tốc độ và lực căng.

 Phân tích và xây dựng bộ điều khiển đa biến theo phương pháp tách kênh (tốc độ, lực căng) sau đó thử nghiệm kết quả trên mô hình CE108.

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CE108

Giới thiệu về mô hình CE108, m甃⌀c đích c甃ऀa mô hình

 Thiết bị nhỏ gọn, để bàn được thiết kế để cho phép học sinh ở tất cả các cấp học nghiên cứu

 Gồm các nguyên tắc điều khiển cơ bản và nâng cao, bao gồm điều khiển các hệ thống đa biến

 Thiết bị TecQuipment CE108 cho thấy các sự cố trong kiểm soát tốc độ và lực căng trong các ổ đĩa ghép nối.

 Hình ảnh về mô hình Tecquipment CE108:

H椃nh 1 Mô h椃nh Tecquipment CE108

Các tính năng chính

 Thiết bị để bàn khép kín và nhỏ gọn thể hiện khả năng kiểm soát tốc độ cơ bản và nâng cao điều khiển đa biến.

 Truyền động ghép nối thể hiện các vấn đề về kiểm soát tốc độ và lực căng.

 Bắt chước nhiều ứng d甃⌀ng công nghiệp và gia d甃⌀ng với kết quả thực tế.

 Tất cả đầu vào và đầu ra được đệm để kết nối với bộ điều khiển tùy chọn c甃ऀa TecQuipment hoặc bộ điều khiển khác phù hợp bộ điều khiển.

 Bảng điều khiển phía trước bao gồm sơ đồ mô phỏng quy trình để người dùng có thể thấy những gì họ đang kiểm soát.

Cách hoạt động

- Thiết bị có hai động cơ điện, cùng với một đai linh hoạt liên t甃⌀c Vành đai cũng đi qua một cánh tay đung đưa với một puly đo dây đai tốc độ và lực căng Lò xo ở tay đòn cho phép người dùng điều chỉnh độ căng bằng tay.

- ma – khối lượng tay đòn và ròng rọc,

- ka – độ cứng c甃ऀa lò xo cánh tay đòn,

H椃nh 2 Mô h椃nh nguyên lý

- ba – hệ số ma sát c甃ऀa ổ tr甃⌀c tay lái,

- x - vị trí thẳng đứng c甃ऀa ròng rọc jockey,

- α – góc c甃ऀa tiết diện đai với phương thẳng đứng,

- Fa – lực thẳng đứng tác d甃⌀ng vào lò xo,

- I - mô men quán tính c甃ऀa ổ đĩa động cơ,

- b – hệ số ma sát quán tính c甃ऀa truyền động động cơ,

- ωi – tốc độ quay (vận tốc góc) c甃ऀa truyền động i; i ∈

- ω – tốc độ quay (vận tốc góc) c甃ऀa tay đua

- τi – mô-men xoắn đầu vào c甃ऀa Truyền động i; i ∈ {1, 2},

- Fi – lực căng trong từng đoạn đai riêng lẻ; i ∈ {1, 2,

- xc – phần kéo dài c甃ऀa đoạn đai C,

- xd – phần kéo dài c甃ऀa đoạn đai D,

- xe – phần kéo dài c甃ऀa đoạn đai E,

- vi – vận tốc c甃ऀa đai tại vị trí tương ứng; i ∈ {1, 2, 3, 4},

- p – động lượng c甃ऀa khối lượng ma,

- hi – puly truyền động/mô men góc c甃ऀa động cơ; i ∈

- Vấn đề điều khiển cơ bản là thay đổi mô-men xoắn trong động cơ để điều chỉnh tốc độ và độ căng c甃ऀa đai Hướng dẫn sử d甃⌀ng cũng cho thấy các kỹ thuật kiểm soát tốc độ và lực căng, kiểm soát đồng thời vận tốc và lực căng, và phân tích các hệ thống điều khiển đa biến.

Điều kiện hoạt động

 Phạm vi nhiệt độ lưu trữ:

 Phạm vi độ ẩm tương đối hoạt động:

- 80% ở nhiệt độ < 31°C giảm tuyến tính xuống 50% ở 40°C

Thông số kỹ thuật

 Kích thước và trọng lượng tịnh:

- Động cơ 1 và 2: 0 đến +/– 10 VDC

- Động cơ 1 và 2: tốc độ

- Độ căng đai: 0 đến +/– 10 VDC

- Tốc độ pu-li jockey: 0 đến +/– 10 VDC

- Độ căng c甃ऀa lò xo cánh tay đòn

 Các bộ phận khác bao gồm:

- Cáp kết nối và đai dự phòng

Thiết bị giao tiếp với CE108

- Dùng một trong các thiết bị sau:

 Bộ điều khiển (CE120) – Bộ điều khiển có tín hiệu tương tự và điều khiển kỹ thuật số và d甃⌀ng c甃⌀.

 Giao diện kỹ thuật số (CE122) – Giao diện kết nối giữa hầu hết các sản phẩm trong Kỹ thuật điều khiển phạm vi và một máy tính phù hợp (không bao gồm)

 Bộ điều khiển phù hợp khác có đầu vào +/– 10 V và đầu ra.

2.7 Các ứng d甃⌀ng của CE108 trong thực tiễn

Tính năng của mô hình dùng trong các nhà máy sản xuất giấy, sản xuất dây và kim lo愃⌀i d愃⌀ng dải và thực tế là sản phẩm được sản xuất theo d愃⌀ng dải ho愃⌀c m愃⌀ng liên tục.

Thiết b椃⌀ truyền động ghép nối CE108 là một nỗ lực để nắm bắt các tính năng thiết yếu của các vấn đề xử lý vật liệu với mô hình quy mô phòng thí nghiệm Đặc biệt, các quy trình như vậy thường liên quan đến hai hoặc nhiều hệ thống truyền động tương tác thông qua vật liệu mà chúng đang vận chuyển Ngoài ra, vật liệu thường đi qua một số tr愃⌀m làm việc trung gian, như trong hình dưới, t愃⌀i đó có thể cần một tốc độ hoặc lực căng được kiểm soát.

H椃nh 3 Ảnh minh họa môi trường l愃m việc cần ứng dụng

Các ứng d甃⌀ng c甃ऀa CE108 trong thực tiễn

3.1 Tổng quan bài toán điều khiển đa biến và các phương pháp điều khiển cơ bản 3.1.1 Bài toán điều khiển đa biến

- Đ椃⌀nh nghĩa: Điều khiển đa biến là một phương pháp điều khiển hệ thống có nhiều biến đầu vào và biến đầu ra tương tác với nhau Trong một hệ thống đa biến, sự thay đổi của một biến đầu vào có thể ảnh hưởng đến nhiều biến đầu ra khác Điều khiển đa biến yêu cầu việc xác đ椃⌀nh một chiến lược tối ưu để điều ch椃ऀnh các biến đầu vào sao cho đáp ứng các yêu cầu và mục tiêu đã đề ra.

 Khả năng cải thiện hiệu suất và chất lượng của hệ thống.

 Khả năng ứng phó với sự tương tác giữa các biến đầu vào và đầu ra.

 Có thể đ愃⌀t được mục tiêu điều khiển phức t愃⌀p hơn so với điều khiển đơn biến.

 Độ phức t愃⌀p của việc xác đ椃⌀nh mô hình toán học của hệ thống đa biến.

 Khả năng tính toán và ước lượng thông tin thời gian thực.

 Tăng cường sự tương tác và đồng bộ giữa các biến đầu vào và đầu ra.

3.1.2 Các phương pháp điều khiển cơ bản trong điều khiển đa biến

1 Phương Pháp Dynamic Matrix Control (DMC)

Dynamic Matrix Control là một phương pháp điều khiển đa biến dựa trên mô hình dự đoán Nó sử dụng một mô hình dự đoán để dự đoán sự thay đổi của các biến đầu ra dựa trên các biến đầu vào đã biết và các giá tr椃⌀ l椃⌀ch sử.

- Nguyên tắc ho愃⌀t động:

DMC ho愃⌀t động bằng cách t愃⌀o ra một tín hiệu điều khiển tối ưu dựa trên một tập hợp các ràng buộc và mục tiêu đã được đ椃⌀nh nghĩa trước Mục tiêu là điều ch椃ऀnh các biến đầu ra sao cho tiến về giá tr椃⌀ mục tiêu và đáp ứng các ràng buộc được đặt ra.

DMC sử dụng mô hình dự đoán để ước lượng tương lai của các biến đầu ra dựa trên các biến đầu vào hiện t愃⌀i và l椃⌀ch sử Mô hình này có thể là một mô hình tuyến tính

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ LỰC CĂNG

Tổng quan bài toán điều khiển đa biến và các phương pháp điều khiển cơ bản.19

- Đ椃⌀nh nghĩa: Điều khiển đa biến là một phương pháp điều khiển hệ thống có nhiều biến đầu vào và biến đầu ra tương tác với nhau Trong một hệ thống đa biến, sự thay đổi của một biến đầu vào có thể ảnh hưởng đến nhiều biến đầu ra khác Điều khiển đa biến yêu cầu việc xác đ椃⌀nh một chiến lược tối ưu để điều ch椃ऀnh các biến đầu vào sao cho đáp ứng các yêu cầu và mục tiêu đã đề ra.

 Khả năng cải thiện hiệu suất và chất lượng của hệ thống.

 Khả năng ứng phó với sự tương tác giữa các biến đầu vào và đầu ra.

 Có thể đ愃⌀t được mục tiêu điều khiển phức t愃⌀p hơn so với điều khiển đơn biến.

 Độ phức t愃⌀p của việc xác đ椃⌀nh mô hình toán học của hệ thống đa biến.

 Khả năng tính toán và ước lượng thông tin thời gian thực.

 Tăng cường sự tương tác và đồng bộ giữa các biến đầu vào và đầu ra.

3.1.2 Các phương pháp điều khiển cơ bản trong điều khiển đa biến

1 Phương Pháp Dynamic Matrix Control (DMC)

Dynamic Matrix Control là một phương pháp điều khiển đa biến dựa trên mô hình dự đoán Nó sử dụng một mô hình dự đoán để dự đoán sự thay đổi của các biến đầu ra dựa trên các biến đầu vào đã biết và các giá tr椃⌀ l椃⌀ch sử.

- Nguyên tắc ho愃⌀t động:

DMC ho愃⌀t động bằng cách t愃⌀o ra một tín hiệu điều khiển tối ưu dựa trên một tập hợp các ràng buộc và mục tiêu đã được đ椃⌀nh nghĩa trước Mục tiêu là điều ch椃ऀnh các biến đầu ra sao cho tiến về giá tr椃⌀ mục tiêu và đáp ứng các ràng buộc được đặt ra.

DMC sử dụng mô hình dự đoán để ước lượng tương lai của các biến đầu ra dựa trên các biến đầu vào hiện t愃⌀i và l椃⌀ch sử Mô hình này có thể là một mô hình tuyến tính hoặc phi tuyến.

DMC tính toán tín hiệu điều khiển tối ưu bằng cách giải quyết một bài toán tối ưu đa biến, trong đó tìm kiếm tín hiệu điều khiển tốt nhất dựa trên mục tiêu và ràng buộc đã đ椃⌀nh nghĩa.

2 Điều khiển dự báo tổng quát GPC (Generalized Predictive Control)

Giải pháp GPC do Clarke và các đồng sự kiến ngh椃⌀ và đã trở thành một trong những thuật toán của MPC phổ biến trong công nghiệp và nghiên cứu Thuật toán đã được áp dụng rất thành công cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp Phương pháp có thể giải quyết nhiều yếu tố liên quan tới chất lượng điều khiển của hệ thống, áp dụng cho nhiều lớp đối tượng khác nhau, khi tổng hợp hệ thống thì phương pháp này phải dựa trên sự biết trước mô hình của đối tượng cần điều khiển. Ý tưởng của GPC là sử dụng một cách tính toán để xác đ椃⌀nh lần lượt các tín hiệu điều khiển tương lai là tối thiểu hoá một hàm mục tiêu ở mỗi thời điểm dự báo, có liên quan đến bình phương sai lệch giữa đầu ra dự báo và giá tr椃⌀ mong muốn dự báo cộng với bình phương của tín hiệu điều khiển ràng buộc trong một khoảng thời gian.

3 Điều khiển MPC với hệ phi tuyến NMPC (Nonlinear MPC)

Trong các quá trình công nghiệp, có một số hệ ho愃⌀t đôgngj ổn đ椃⌀nh hoặc ổn đ椃⌀nh xung quanh điểm làm việc, các hệ này có thể được mô tả bởi một mô hình tuyến tính Tuy nhiên có nhiều hệ không đảm bảo được điều kiện này và việc sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả là không chính xác Đối với những hệ này thì bộ điều khiển tuyến tính là không hiệu quả, do vậy ta phải dùng bộ điều khiển phi tuyến.

MPC sử dụng mô hình phi tuyến ngày càng trở nên phổ biến khi những công cụ phần mềm mới đã giúp ích rất nhiều cho việc xây dựng mô hình phi tuyến. tố cho phù hợp với mô hình Tuy nhiên quan trọng nhất đối với việc mô hình hoá quá trình phi tuyến là chọn cấu trúc mô hình phù hợp.

4 Điều khiển theo hàm dự báo PFC (Predictive Funtional Control). Đây là phương pháp sử dụng mô hình không gian tr愃⌀ng thái Phương pháp này thích hợp với các quá trình phi tuyến và không ổn đ椃⌀nh Nó có hai đặc điểm cơ bản là: sử dụng điểm trùng hợp ngẫu nhiên (coincidence point) và hàm cơ sở (basic function).

* Với tháp chưng cất, đối tượng có d愃⌀ng mô hình tuyến tính nên ta chọn phương pháp GPC.

Giới thiệu về hệ thống cần điều khiển

3.2.1 thiết bị truyền động ghép nối CE108 trong điều khiển tốc độ và lực căng Để t愃⌀o điều kiện cho nghiên cứu thực tiễn về việc kiểm soát sức căng và tốc độ của vật liệu trong quy trình liên tục trong lĩnh vực công nghiệp, thiết b椃⌀ truyền động ghép nối CE108 đã được thiết kế Thiết b椃⌀ CE108 có thể linh ho愃⌀t điều ch椃ऀnh tốc độ và lực căng tùy ch椃ऀnh dựa vào điện áp đầu vào và theo dõi độ lệch góc của cần căng.

Thiết b椃⌀ có ba ròng rọc, gắn trên một bảng điều khiển t愃⌀o thành một hình tam giác nằm trên đế Công dụng của chúng bao gồm: hai ròng rọc cơ sở được gắn trực tiếp trên trục của hai động cơ servo giống hệt nhau trên danh nghĩa và thiết b椃⌀ được điều khiển bằng cách điều khiển các mô-men truyền động tới các động cơ servo này. Ròng rọc thứ ba, con quay, có thể quay tự do và được gắn trên một cánh tay quay. Cụm ròng rọc jockey, mô phỏng tr愃⌀m làm việc vật liệu, được trang b椃⌀ cảm biến tốc độ và thiết b椃⌀ đo lực căng Chính tốc độ và độ căng của ròng rọc jockey đã t愃⌀o nên các đầu ra chính của hệ thống Cụm ròng rọc jockey tương tự như một tr愃⌀m làm việc mà t愃⌀i đó có thể đo được lực căng và vận tốc của đai.

H椃nh 4 Động cơ servo DC mạch in truyền động đai linh hoạt theo một trong hai hướng v愃 ở c愃Āc tốc độ kh愃Āc nhau.

Phép đo vận tốc ròng rọc của jockey được lấy từ máy phát tốc chính xác (−10 đến +10 V cho −3000 đến +3000 vòng / phút)

H椃nh 5 C愃Āc chân cấp điện 愃Āp Đầu vào của thiết b椃⌀ là điện áp truyền động đến bộ khuếch đ愃⌀i công suất động cơ servo Đầu vào điện áp biến tần thông qua hai ổ cắm 2 mm (-10 V 0 10 V) nằm ở mặt trước của CE108. Đầu ra hệ thống cũng thông qua ổ cắm 2 mm, tương tự được ch椃ऀ đ椃⌀nh rõ ràng trên bảng điều khiển phía trước Đầu ra của hệ thống là vận tốc của động cơ servo (ωM1 và ωM2), đầu ra của bộ chuyển đổi lực căng (θ) và tốc độ puli cần điều khiển [Y1(ω)]. Đầu vào và đầu ra của thiết b椃⌀ được đệm hoàn toàn và được bảo vệ chống đoản m愃⌀ch và quá tải

Hình 3.1.3: Cánh tay đòn theo dõi độ lệch góc. Độ căng của đai được đo gián tiếp bằng cách theo dõi độ lệch góc của cần căng có trục quay mà puli jockey được gắn vào.Độ lệch của cần được phát hiện bằng chiết áp servo chính xác được gắn trên trục của trục của cần (±10 V cho 10°) Độ lệch có liên quan, thông qua độ cứng của lò xo căng và hình học của thiết b椃⌀, với lực căng của dây đai mềm khi nó đi qua tay đòn Nếu được yêu cầu, vít vận chuyển có thể được để l愃⌀i, vì vậy hãy cố đ椃⌀nh cần và vô hiệu hóa thiết b椃⌀ đo lực căng.

Cố đ椃⌀nh cánh tay theo cách này cũng đơn giản hóa các đặc tính động của thiết b椃⌀ và t愃⌀o điều kiện thuận lợi cho việc đo các đặc tính hệ thống nhất đ椃⌀nh.

Bộ điều khiển CE120, như thể hiện trong Hình 3.1.4, là một trong các mô-đun

H椃nh 6 Bộ điều khiển CE120

Bộ điều khiển CE120 là một thiết b椃⌀ nhỏ gọn được sử dụng với hầu hết các sản phẩm trong ph愃⌀m vi K礃̀ thuật Điều khiển của TecQuipment Tuy nhiên, nó cũng có thể ho愃⌀t động với bất kỳ thiết b椃⌀ phòng thí nghiệm tương thích nào khác Bộ điều khiển này được thiết kế với các m愃⌀ch điện tử tương tự được kết nối thành khối, mô phỏng các bộ phận quan trọng của bộ điều khiển công nghiệp Trên bảng mặt trước của bộ điều khiển, có sơ đồ rõ ràng hiển th椃⌀ các khối, mỗi khối có bộ ổ cắm kết nối riêng. Người dùng có thể kết nối các khối theo bất kỳ cách nào mà họ cần và sau đó kết nối chúng với các sản phẩm đã chọn trong ph愃⌀m vi CE.

Các khối của bộ điều khiển bao gồm: khối tỷ lệ và tích phân, khối PID (bao gồm tuyệt đối, tích phân, đ愃⌀o hàm), chiết áp hoàn toàn có thể điều ch椃ऀnh và có thể ho愃⌀t động như điểm đặt hoặc bộ suy giảm, một bộ t愃⌀o chức năng và vôn kế k礃̀ thuật số, tổng hợp các mối nối và giai đo愃⌀n dẫn Bộ điều khiển cũng bao gồm một giao diện với các kết nối D/A (k礃̀ thuật số sang analog) và A/D (tương tự sang k礃̀ thuật số), cho phép người dùng kết nối sản phẩm của họ từ ph愃⌀m vi CE với một máy tính phù hợp (không được cung cấp) để điều khiển máy tính và thu thập dữ liệu Bộ điều khiển cũng bao gồm một bản sao Phần mềm điều khiển CE2000 của TecQuipment.

Khi được sử dụng với các sản phẩm khác trong ph愃⌀m vi CE, bộ điều khiểnCE120 có thể kiểm soát nhiệt độ (nhiệt), mức độ kiểm soát, tốc độ động cơ, điều khiển servo, điều khiển truyền động kết hợp, kiểm soát bóng và chùm tia, kiểm soát bóng và vòng Đây là một giải pháp thay thế tiên tiến hơn cho Giao diện CE122, vì nó có thêm các tính năng điều khiển tương tự.

Các yêu cầu của bộ điều khiển tốc độ và lực căng

Bộ điều khiển phải có độ chính xác cao trong việc điều khiển tốc độ và lực căng của vật liệu, đảm bảo chính xác và ổn đ椃⌀nh trong quá trình sản xuất.

Hành vi của thiết b椃⌀ truyền động cần tương ứng chặt chẽ với các phản ứng động trong hệ thống xử lý vật liệu để đảm bảo tính chính xác tối đa cho quá trình Hơn nữa,hành vi động lực học có thể khá phức t愃⌀p. được giả sử nghiêng một góc α so với đường chuyển động của ròng rọc.

Tương tự như vậy, độ lệch góc của cần điều khiển được giả đ椃⌀nh là nhỏ, sao cho ròng rọc có thể được giả đ椃⌀nh d椃⌀ch một khoảng xk như ch椃ऀ ra trên hình Để có được sự tính toán, thiết kế hệ thống chính xác nhất, chúng ta bắt đầu bằng cách xem xét từng hệ thống con trong sơ đồ vật thể tự do dưới đây:

H椃nh 8 C愃Āc hệ thống con của mô h椃nh động lực học

Các phần của đai được coi là các lò xo tuyến tính có độ cứng kc, kd và ke, trong khi puli truyền động 1 và 2 được giả đ椃⌀nh có mô men quán tính và hệ số ma sát quay lần lượt là I1, b1 và I2, b2 Vận tốc chuyển tiếp của các phần vành đai được ký hiệu là v, với một ch椃ऀ số phù hợp Tương tự như vậy, F biểu th椃⌀ lực lượng như bình thường.

Một hệ thống được cho là ổn đ椃⌀nh nếu sau khi b椃⌀ xáo trộn, nó có thể trở l愃⌀i v椃⌀ trí cân bằng CE108 về cơ bản là một hệ thống không ổn đ椃⌀nh Vì vậy bộ điều khiển phải t愃⌀o được độ ổn đ椃⌀nh cao để đảm bảo sự ổn đ椃⌀nh trong việc điều khiển tốc độ và lực căng, tránh sự dao động và biến động không mong muốn Khi đó ta sẽ có được tr愃⌀ng thái ổn đ椃⌀nh – Tình tr愃⌀ng hệ thống ổn đ椃⌀nh khi tất cả các tham số vận hành không đổi.

Nhưng trong thực tế một số hệ thống, không có tr愃⌀ng thái ổn đ椃⌀nh nào tồn t愃⌀i một cách tự nhiên và do đó, các bộ điều khiển bên ngoài là cần thiết để đ愃⌀t được bất kỳ mức hiệu suất hữu ích nào.

Bộ truyền động ghép nối là một hệ thống có động lực dao động không mong muốn ở tần số cao Các thuộc tính động không mong muốn này có liên quan đến hành vi của cánh tay đua Để tránh kích thích động lực học của cánh tay đòn, các bộ bù của bộ điều khiển sẽ được xem xét để giảm mức tăng tần số cao.

Mục đích của điều khiển vòng kín là để đảm bảo rằng một biến đầu ra y(s) theo sát nhất có thể một số r(s) tín hiệu tham chiếu mong muốn Điều này có nghĩa là ở tr愃⌀ng thái ổn đ椃⌀nh y(s) ≅ r(s) và trong quá trình thay đổi nhanh r(s) hành vi nhất thời của y(s) phải đủ nhanh và có hình d愃⌀ng phù hợp. mức tăng tần số cao của hệ thống vòng hở.

Như được minh họa trong Hình 3.2.4, đáp ứng tần số của hệ thống vòng hở G(jω) bao quanh điểm −1 Nếu một hệ thống phản hồi thống nhất được đặt xung quanh một hệ thống nó sẽ đi không ổn đ椃⌀nh Tuy nhiên, nếu một bộ bù H(s), có mức tăng thấp trong dải tần xung quanh điểm −1, được đặt theo tầng với G(s), thì đáp ứng tần số thu được H(jω)G(jω) sẽ biểu th椃⌀ đóng -vòng lặp ổn đ椃⌀nh.

H椃nh 10 Đ愃Āp ứng tần số của hệ thống vòng hở

Ngoài ra, nếu giảm mức tăng tần số cao là đủ, thì mức tăng tần số thấp có thể được tăng lên để cải thiện hiệu suất tr愃⌀ng thái ổn đ椃⌀nh của hệ thống.

Tương tác giữa các đầu ra cũng là một yêu cầu quan trọng của bộ điều khiển tốc độ và lực căng Khi các đầu ra tương tác với nhau, điều khiển tốc độ và lực căng cần đảm bảo rằng các thông số tương ứng được duy trì ở mức ổn đ椃⌀nh Điều này đặc biệt quan trọng trong các quy trình sản xuất liên tục, nơi mà các vật liệu được vận chuyển thông qua nhiều hệ thống truyền động và cần phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra. Để đơn giản hóa: ta muốn kiểm soát độc lập giá tr椃⌀ của hai biến đầu ra (y1(s) và y2(s) trong hệ thống truyền động ghép nối) bằng cách thao tác hai biến đầu vào (v1(s) và v2(s) trong các truyền động ghép nối hệ thống).

Tuy nhiên, do bản chất vật lý của hệ thống, cả hai đầu vào đều ảnh hưởng đến cả hai đầu ra nên việc thiết kế hai vòng phản hồi độc lập là không dễ dàng.

Sự phụ thuộc lẫn nhau này được minh họa trong trường hợp thiết b椃⌀ truyền động được ghép nối trong hình sau:

H椃nh 11 Tương t愃Āc giữa c愃Āc đầu ra với nhau

Trong trường hợp cụ thể của các ổ đĩa được ghép nối, điều này sẽ liên quan đến việc hình thành các biến đầu vào mới u1(s) và u2(s) mà từ đó v1(s) và v2(s) được xây dựng sao cho hàm truyền và không được ghép nối.

H椃nh 12 Phần mềm MATLAB

Việc điều khiển tốc độ và lực căng trên mô hình CE108 bằng phương pháp điều khiển PID bằng MATLAB có nhiều ưu điểm.

 Đầu tiên, nó giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và độ ổn định c甃ऀa hệ thống

 Thứ hai, nó giúp giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy

Phương pháp điều khiển PID là một trong những phương pháp điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp Nó là một hệ thống điều khiển phản hồi, bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và đ愃⌀o hàm (D) Các thành phần này kết hợp l愃⌀i để t愃⌀o ra tín hiệu điều khiển để duy trì giá tr椃⌀ đầu ra ổn đ椃⌀nh và đ愃⌀t được mục tiêu điều khiển.

H椃nh 13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Trong trường hợp điều khiển tốc độ và lực căng trên mô hình CE108, ta sử dụng đầu vào là một tín hiệu điều khiển để điều ch椃ऀnh tốc độ và lực căng Đầu ra của mô hình CE108 là tốc độ và lực căng Sử dụng phương pháp PID, ta có thể điều khiển đầu ra của mô hình CE108 theo các giá tr椃⌀ mong muốn. Đầu tiên, ta cần xác đ椃⌀nh các thông số PID như tỷ lệ, tích phân và đ愃⌀o hàm Các thông số này được xác đ椃⌀nh bằng cách thực hiện thử nghiệm và tinh ch椃ऀnh để đ愃⌀t được kết quả tốt nhất Tuy nhiên, trong trường hợp này, ta có thể sử dụng phương pháp Tối ưu độ lớn để tinh ch椃ऀnh các thông số PID một cách nhanh chóng và chính xác.

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ

H椃nh 18 Xây dựng thông số bộ điều khiển tốc độ

Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti và Td Muốn hệ thống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số cho phù hợp Hiện có khá nhiều phương pháp xác đ椃⌀nh các tham số cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là:

- Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

- Phương pháp tôngr T của Kuhn

- Phương pháp tối ưu độ lớn và tối ưu đối xứngMột điều phải nói thêm là không phải mọi trường hợp ứng dụng đều phải xác đ椃⌀nh cả 3 tham số Kp, Ti, Td Chẳng h愃⌀n, khi bản thân đối tượng đã có thành phần tích phân thì trong bộ điều khiển ta không cần có thêm khâu tích phân mới làm cho sai lệch tĩnh bằng 0, hay nói cách khác, khi đó ta ch椃ऀ cần sử dụng bộ điều khiển PD

3.5.2 Tính toán thông số bộ điều khiển tốc độ

Lựa chọn phương pháp tối ưu độ lớn với hàm truyền c甃ऀa khâu quán tính bậc nhất, cho sơ đồ khối như hình sau:

H椃nh 19 Tính to愃Ān thông số bộ điều khiển tốc độ

- Bộ điều khiển là khâu tích phân I: R(s) = Ti s Kp

- Đối tượng là khâu quán tính bậc nhất: S(s) = 1 + k Ts

Như vậy ta sẽ có:

- Hàm truyền đạt hệ kín: G(s) = T k

- Hàm truyền đạt hệ hở: Gh(s) = R(s)G(s) = T k

Nếu đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất thì bộ điều khiển tích phân với tham số Kp Ti = 2 kT sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn

Theo phương pháp tối ưu độ lớn ta tính được T R = Ti

 bộ điều kiển là khâu tích phân với T I = 0.2 1 = 5

Thiết kế bộ điều khiển lực căng

Với hàm truyền c甃ऀa đối tượng lực căng, ta vẫn lựa chọn phương pháp tối ưu độ lớn nhưng với khâu dao động bậc 2

3.6.2 Tính toán thông số bộ điều khiển lực căng

- Bộ điều khiển là PI: R(s) = Kp( 1 + 1

- Đối tượng là khâu dao động bậc 2: S(s) = k

Nếu đối tượng điều khiển là khâu dao động bậc hai thì bộ điều khiển tích phân Với các tham số Ti = T1, Kp = 2 T kT 1 2 sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn.

Hàm truyền c甃ऀa đối tượng S22 = 122,21 s 2 + 4,662 s+ 122,21Theo phương pháp tối ưu độ lớn ta tính được bộ điều kiển là khâu tích phân với K p = 10 ; với T I = 0,7