Luận văn: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có moomen quán tính thay đổi docx

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ MỸ DUNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ MỸ DUNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI Chuyên ngành : Tự ñộng hóa Mã số ngành : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI Đà Nẵng – Năm 2011 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn NGUYỄN THỊ MỸ DUNG 4 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam ñoan i Mục lục ii Danh mục các kí hiệu v Danh mục các bảng vi Danh mục các hình vẽ vii MỞ ĐẦU 01 1. Lý do chọn ñề ñề tài 01 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 03 3. Phương pháp nghiên cứu 03 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 04 5. Cấu trúc luận văn 04 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 06 1.1. KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 06 1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều 06 1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều 07 1.1.3.Điều khiển ñộng cơ ñiện một chiều 08 1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 09 1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều 09 1.2.2. Chế ñộ quá ñộ ñộng cơ ñiện một chiều 10 1.2.2.1. Mô tả chung 10 1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi 12 5 1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN 14 1.4. MÔ PHỎNG 16 CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG PID 18 2.1. THAM SỐ ĐỘNG CƠ 18 2.2.1. Khái quát về bộ ñiều khiển PID 18 2.2.2. Các phương pháp xác ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID 20 2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols 20 2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones -Reswick 22 2.2.2.3.Phương pháp tối ưu modul 24 2.2.2.4. Phương pháp tối ưu ñối xứng 28 2.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 29 2.2.1. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện 29 2.2.2. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ 32 2.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 37 CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 42 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 42 3.2. HỆ THỐNG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) 42 3.3. LUẬT THÍCH NGHI 45 3.3.1.Phương pháp ñộ nhạy (MIT ) 46 3.3.2.Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí ñánh giá hàm chi phí sai số 47 3.3.3. Hàm Lyapunov 48 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI 53 6 4.1. BỘ CHỈNH LƯU 50 4.2. ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ 51 4.3. BIẾN DÒNG 51 4.4. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 52 4.5. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ 54 4.6. GIẢI THUẬT 56 4.7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 58 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 61 5.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 61 5.2. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.01 kg.m 2 63 5.3. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.05 kg.m 2 64 5.4. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= [0:0.5] kg.m 2 64 5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI 65 5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 1. Những ñóng góp của luận văn 67 2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN PHỤ LỤC 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU f Tần số dòng ñiện P ñm Công suất danh ñịnh n ñm Tốc ñộ ñịnh mức U ñm Điện áp ñịnh mức I ñm Dòng ñiện ñịnh mức J Mô men quán tính K b Hằng số sức phản ñiện ñộng K a Hằng số từ thông ñộng cơ R a Điện trở phần ứng L a Điện cảm phần ứng I a Dòng ñiện phần ứng U a Điện áp phần ứng e b Sức phản ñiện ñộng V dk Điện áp ñiều khiển L kt Điện cảm cuộn kích từ R kt Điện trở cuộn kích từ U kt Điện áp kích từ i kt Dòng ñiện kích từ M Mô men quay trên trục ñộng cơ Mc Mô men tải 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 21 2.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 22 2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 23 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 23 2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 24 2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 24 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Nội dung Trang 1.1 Các loại ñộng cơ ñiện một chiều 8 1.2 Sơ ñồ cấu trúc ñộng cơ ñiện một chiều 11 1.3 Sơ ñồ cấu trúc tuyến tính hoá ñộng cơ ñiện một chiều 12 1.4 Sơ ñồ cấu trúc khi từ thông không ñổi 13 1.5 Các sơ ñồ cấu trúc gọn 13 1.6 Mạch thay thế chỉnh lưu 15 1.7 Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo 16 2.1 Cấu trúc bộ ñiều khiển PID 18 2.2 Điều khiển hồi tiếp với bộ ñiều khiển PID 19 2.3 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 20 2.4 Xác ñịnh hằng số khuếch ñại tới hạn 21 2.5 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th 22 2.6 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien- Hrones-Reswick 23 2.7 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín. 25 2.8 Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện. 31 2.9 Sơ ñồ khối của mạch vòng dòng ñiện. 31 2.10 Sơ ñồ khối 33 2.11 Sơ ñồ khối của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ 34 2.12 Quá trình dòng ñiện và tốc ñộ khi có nhiễu tải 35 2.13 Mô hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh 37 10 3.1 Sơ ñồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu 43 3.2 Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 44 3.3 Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 45 3.4 Mô hình sai số 46 3.5 Các trạng thái cân bằng 48 4.1 Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl 52 4.2 Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl 54 4.3 Cấu trúc thu gọn mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl 54 [...]... phương pháp ñi u khi n thích nghi ñ ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ ñi n m t chi u ñang là hư ng nghi n c u ñư c r t nhi u ngư i quan tâm và là hư ng nghi n c u có nhi u tri n v ng, cũng như có nhi u giá tr ng d ng trong th c ti n V i các lý do trên, tác gi ñã l a ch n vi c nghi n c u mô hình và thi t k b ñi u khi n thích nghi cho ñ ng cơ ñi n m t chi u có mômen quán tính thay ñ i làm ñ tài nghi n c u v i mong... ñi u khi n ñ ng cơ ñi n m t chi u Chương 3 Đi u khi n thích nghi Gi i thi u t ng quan v lý thuy t ñi u khi n thích nghi Các phương pháp thi t k lu t thích nghi Chương 4 T ng h p b ñi u khi n PID thích nghi Thi t k b ñi u khi n thích nghi cho ñ ng c ñi n m t chi u v i tham s mômen quán tính không xác ñ nh L a ch n hàm Lyapunov d ki n, xác ñ nh thu t toán ñi u khi n, xây d ng lu t thích nghi ñ ch nh ñ... mu n ñ t ñư c ñáp ng ngõ ra và các ñ c tính c a h th ng ñi u khi n th a mãn các yêu c u ñã ñ ra 2 Đ i tư ng và ph m vi nghi n c u Đ i tư ng nghi n c u là ñ ng cơ ñi n m t chi u có mômen quán tính thay ñ i Ph m vi nghi n c u c a ñ tài là nghi n c u phương pháp ñi u khi n thích nghi ñ ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ ñi n m t chi u 3 Phương pháp nghi n c u Đ th c hi n nghi n c u ñ tài khoa h c này, thì c n ph... t 3 thông Φ có th b thay ñ i d n ñ n h ng s th i gian cơ h c Tc cũng thay ñ i Khi xét ñ n t i c a các h truy n ñ ng thì mô men quán tính c a t i thư ng b thay ñ i, làm cho mômen quán tính c a h qui ñ i v tr c c a ñ ng cơ thay ñ i N u b ng các phương pháp ñi u khi n kinh ñi n thì chúng ta g p r t nhi u khó khăn trong vi c tính toán, thi t k b ñi u khi n ñ t ñư c ch t lư ng cao Do v y vi c nghi n c u... n thích nghi cho ñ ng cơ ñi n m t chi u trên ph n m m Matlab So sánh và bàn lu n v các ñ c tính c a 2 b ñi u khi n: PID kinh ñi n và thích nghi Chương 5 K t qu mô ph ng K t lu n và ki n ngh 6 CHƯƠNG 1 T NG QUAN Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U 1.1 KHÁI QUÁT V Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U Hi n nay ñ ng cơ ñi n m t chi u v n ñư c dùng r t ph bi n trong các h th ng truy n ñ ng ñi n ch t lư ng cao, d i công su t ñ ng cơ. .. ngoài nư c s d ng r t nhi u ñó là phương pháp ñi u khi n thích nghi. Trong lu n văn tác gi s d ng phuơng pháp ñi u khi n thích nghi và ph n m m Matlab Simulink, xây d ng mô hình hoá và mô ph ng h th ng ñi u khi n, ñây là công c khá ñ c l c tr giúp trong vi c nghi n, có kh năng ng d ng vào vi c nghi n c u mô ph ng h truy n ñ ng ñ ng cơ m t chi u Đ ng cơ ñi n m t chi u thư ng dùng trong các h th ng truy n... không có nh hư ng ñ n giá tr trung bình c a ñi n áp thì ñi n tr Rb=Rf Do tính ch t xung và tính ch t bán ñi u khi n c a ch nh lưu nên th i ñi m c a tín hi u ñi u khi n thay ñ i không trùng v i th i ñi m thay ñ i góc ñi u khi n α Đ dài c a kho ng th i gian tr này có ñ c tính ng u nhiên Theo kinh nghi m, nên ch n giá tr c a th i gian tr là: Tvo = π mω e (1.17) Khi t n s ñi n áp xoay chi u ñ l n, có th... 156[H]; Mô mem quán tính: J = 0,0185; 2.2.1 Khái quát v b ñi u khi n PID C u trúc c a b ñi u khi n PID (hình 2.1) g m có ba thành ph n là khâu khu ch ñ i (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi s d ng thu t toán PID nh t thi t ph i l a ch n ch ñ làm vi c là P, I hay D và sau ñó là ñ t tham s cho các ch ñ ñã ch n M t cách t ng quát, có ba thu t toán cơ b n ñư c s d ng là P, PI và PID Hình 2.1:... khi n PID cho ñ i tư ng có ñáp ng ñ i v i tín hi u vào là hàm n c có d ng hình ch S [4] Xét m t h th ng ñi u khi n kín như trên hình 2.7 B ñi u khi n R(s) ñi u khi n cho ñ i tư ng S(s) 25 Hình 2.7: Sơ ñ kh i h th ng ñi u khi n kín Phương pháp t i ưu modul ñư c áp d ng ñ ch n tham s b ñi u khi n PID ñi u khi n các ñ i tư ng S(s) có b n ch t quán tính Đ i v i ñ i tư ng ñi u khi n là khâu quán tính b... (1.2) ω - t c ñ góc c a rôto Trong ch ñ xác l p, có th tính ñư c t c ñ qua phương trình cân b ng ñi n áp ph n ng: ω= Trong ñó: U − Ru I kΦ Ru - ñi n tr m ch ph n ng c a ñ ng cơ (1.3) 10 1.2.2 Ch ñ quá ñ c a ñ ng cơ ñi n m t chi u 1.2.2.1 Mô t chung N u các thông s c a ñ ng cơ là không ñ i thì có th vi t ñư c phương trình mô t sơ ñ thay th như sau: M ch kích t có hai bi n dòng ñi n kích t ik và t thông máy . SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= [0:0.5] kg.m 2 64 5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI 65 5.5. KẾT. 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ MỸ DUNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY. Hàm Lyapunov 48 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI 53 6 4.1. BỘ CHỈNH LƯU 50 4.2. ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ 51 4.3. BIẾN DÒNG 51