ứng dụng điều khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC ĐỖ ĐỨC THÀNH THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC Ngành : Mã số : Học viên : Người hướng dẫn khoa học : TỰ ĐỘNG HÓA ĐỖ ĐỨC THÀNH TS. NGUYỄN DUY CƢƠNG THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 3 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC Học viên: Đỗ Đức Thành Lớp: TĐH- K11 Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: TS. Nguyễn Duy Cƣơng Ngày giao đề tài: 01/01/2010 Ngày hoàn thành: 30/7/2010 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS. Nguyễn Duy Cƣơng Đỗ Đức Thành BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC 4 LỜI NÓI ĐẦU Nhà máy Cán Thép Lưu Xá là dây chuyền công nghệ chuyên cán thép xây dựng, sử dụng PLC điều khiển các quá trình xử lý nước làm mát, bơm dầu bôi trơn, bơm thủy lực tốc độ cán được điều khiển bằng hệ thống động cơ một chiều và vấn đề đồng tốc giữa các giá cán với nhau rất quan trọng. Riêng máy cán block khâu quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai động cơ một chiều 600kw cùng thông số nối cứng trục chung một tải, với nguồn cung cấp từ 1 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau, do hai bộ điều khiển một chiều phối hợp theo dạng Master_ Slave. Bộ điều khiển 1 của động cơ chính số xử lý các tín hiệu: tín hiệu phản hồi sức căng trùng của thép từ loopscan; tín hiệu phản hồi tốc độ từ máy phát tốc. Đưa ra tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện của hai động cơ với hệ số hiệu chỉnh dòng cố định (dòng hai động cơ bám sát nhau). Nhưng hiện nay hai bộ điều khiển động cơ phối hợp không chính xác và kém ổn định gây ra dòng điện của của hai động cơ sai lệch nhau rất nhiều (tải không cân bằng, riêng dòng của động cơ số 2 rất lớn), tác động mạch bảo vệ gây sự cố dừng máy, thiệt hại rất nhiều cho nhà máy. Việc khắc phục sự cố (chưa rõ cấu trúc bộ điều khiển) hay thay thế bộ điều khiển mới đảm bảo tải phân bố đều cho hai động cơ cán Block gặp rất nhiều khó khăn. Do tải có công suất rất lớn, tải biến đổi rất nhanh và phức tạp, phải điều khiển chính xác tốc độ trong phạm vi rộng nên tôi chọn đề tài: “Ứng dụng điển khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục” để làm đề tài nghiên cứu. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC (Model Reffrence Adaptive Control) là hệ điều khiển tự động mà thông số (cấu trúc) của bộ điều khiển có thể thay đổi theo sự biến thiên thông số của đối tượng đã được xây dựng và áp dụng rộng rãi trong thực tế. 5 Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Giới thiệu dây chuyền công nghệ nhà máy Cán Thép Lưu Xá Thái Nguyên. Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC. Chương 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block). Lập mô hình, chạy mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Duy Cƣơng – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện, Điện Tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 27 tháng 09 năm 2010 Học viên thực hiện Đỗ Đức Thành 6 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Đức Thành Sinh ngày 02 tháng 10 năm 1980 Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá. Xin cam đoan: tất cả những nội dung trong luận văn “Ứng dụng điển khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục “ đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương hướng dẫn là công trình nghiên cứu riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. 7 MỤC LỤC Nội dung Trang Lời nói đầu 1 Lời cam đoan 3 Mục lục 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ký hiệu, chữ viết tắt 6 Chƣơng 1: Giới thiệu dây chuyền công nghệ nhà máy Cán Thép Lưu Xá Thái Nguyên. 10 1.1. Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy cán thép Lưu Xá 10 1.2. Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Cán thép Lưu Xá. 12 1.3. Công nghệ sản xuất thép của Nhà máy. 12 1.4. Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại. 14 Chƣơng 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi Theo mô hình mẫu MRAC. 16 2.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 16 2.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 18 2.3. Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT. 24 2.4. Phương pháp độ nhạy. 32 2.5. Phương pháp ổn định của liapunov. 34 2.6. Áp dụng nhận dạng và ước lượng trạng thái để thiết kế bộ điều khiển thích nghi gián tiếp. 48 8 Nội dung Trang Chƣơng 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block). Lập mô hình, chạy mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng. 57 3.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều . 58 3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu MRAC. 61 3.2.1 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu độ lớn. 62 3.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi. 66 3.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ. 73 Kết luận 80 Phụ lục 80 Tài liệu tham khảo 85 9 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ, đồ thị. Nội dung Trang 1.1 Bộ máy quản lý. 12 1.2 Quy trình công nghệ cán thép. 13 1.3 Sơ đồ điều khiển cán Block . 14 2.1a Hệ thích nghi tham số. 21 2.1b Hệ thích nghi tín hiệu. 22 2.2 Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2. 23 2.3 Mô hình đối tượng và mô hình mẫu. 25 2.4a Sự thay đổi tham số b p dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. 26 2.4b Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Y p ), đáp ứng mô hình mẫu (Y p1 ) và sai lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số b p . 26 2.5a Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K b . 27 2.5b Kết quả việc thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K b . 27 2.6 Kết quả việc thích nghi theo tham số K a và K b . 29 2.7 Việc chỉnh định tham số K a , K b với tốc độ cao hơn của bộ thích nghi. 30 2.8 Tính phi tuyến trong hệ thống điều khiển thích nghi. 31 2.9 Hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên mô hình độ nhậy. K a được chỉnh định để bù lại cho sự thay đổi trong a P . 34 2.10a Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định Liapunov. 41 2.10b Đáp ứng đầu ra của mô hình mẫu (Y m ), mô hình đối tượng (Y p ), sai lệch (e), và tham số chỉnh định (K a , K b ). 43 2.10c Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ. 44 10 Số hiệu hình vẽ và đồ thị Nội dung Trang 2.10d Các đáp ứng nhận được khi tham số K a , K b bổ xung khâu tỷ lệ. 45 2.11 Mô hình đối tượng và mô hình bộ điều khiển. 46 2.12 MRAS áp dụng để nhận dạng 48 2.13 Áp dụng MRAS thiết kế theo luật MIT để triệt tiêu nhiễu trong hệ thống lái tàu tự động. 50 2.14 Đáp ứng đầu ra khi nhận dạng và ước lượng trạng thái đối tượng với sự trợ giúp của MRAS được thiết kế theo luật MIT. 52 2.15 Áp dụng MRAS thiết kế theo lý thuyết ổn định của Liapunov để triệt tiêu nhiễu trong hệ lái tàu tự động. 53 2.16.a Đáp ứng đầu ra khi nhận dạng và ước lượng trạng thái đối tượng với sự trợ giúp của MRAS được thiết kế theo lý thuyết ổn định Liapunov. 54 2.16.b Đáp ứng đầu ra khi nhận dạng và ước lượng trạng thái đối tượng khi MRAS được thiết kế theo Liapunov (đối tượng bị tác động bởi nhiễu hệ thống). 55 2.17 Điều khiển thích nghi gián tiếp, kết quả nhận dạng được sử dụng để tính toán bộ điều khiển tối ưu. 55 2.18 Kết quả mô phỏng, kết quả tối ưu tham số bộ điều khiển theo phương trình Ricatti (hệ chịu tác động bởi nhiễu hệ thống tại t =100s). 56 3.1 Đề xuất bộ điều khiển mới. 58 3.2 Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 58 3.3 Cấu trúc động cơ một chiều từ thông không đổi. 61 3.4 Mô hình điều chỉnh dòng cho hai động cơ. 62 3.5 Sơ đồ mạch vòng dòng điện. 63 3.6 Mạch vòng dòng điện chưa có bộ điều chỉnh. 64 [...]... điện áp từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam giác của máy biến áp 10B Hai động cơ được điều khiển bởi hai bộ điều khiển một chiều phối hợp theo kiểu Master_ Slave Bộ điều khiển động cơ chính số 1 xử lý các tín hiệu: phản hồi từ loopscan phát hiện sức căng trùng của thép; phản hồi tốc độ từ máy phát tốc Sau đó, truyền tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện (tạo mô men quay cho hai động cơ) theo... Bộ điều khiển hiện tại dưới dạng phối hợp theo kiểu Master –Slaver với hệ số hiệu chỉnh cân bằng cố định Sau một thời gian sử dụng, do ảnh hưởng ngoại cảnh, thông số của các động cơ cũng như thông số của các bộ điều khiển tương ứng bị trôi dẫn đến sự sai lệch về dòng điện của 02 động cơ trong tất cả các chế độ làm việc đặc biệt khi tải định mức Thực tế bây giờ khi có tải dòng của động cơ 2 dao động rất... Điều khiển đối ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông số … ra đời cho phép tiếp tục (nghi n cứu lại) phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN Vào năm 1966 Park và các đồng nghi p đã tìm được phương pháp mới để tính toán lại luật thích nghi sử dụng luật MIT ứng dụng vào các sơ đồ MRAC của những năm 50 bằng cách ứng dụng lý thuyết của Liapunov Tiến bộ của các lý thuyết điều khiển. .. này nói về 1 loại điều khiển thích nghi đặc biệt, nó được biết đến là bộ điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu Hệ thống điều khiển thích nghi có thể được phân loại theo một vài cách khác nhau Một khả năng tạo ra sự phân biệt giữa chúng là: Điều khiển thích nghi trực tiếp và điều khiển thích nghi gián tiếp + Hệ thống với sự chỉnh định trực tiếp các tham số điều khiển mà không nhận dạng rõ các... dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi trực tiếp) + Hệ thống với sự điều chỉnh gián tiếp các tham số điều khiển với việc nhận dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi gián tiếp) Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu, hầu hết được gọi là MRAC hay MRAS, chủ yếu áp dụng điều khiển thích nghi trực tiếp Tuy nhiên, việc áp dụng MRAS để nhận dạng hệ thống cũng sẽ... thống điều khiển sơ cấp phản ứng nhanh, chính xác mà nó buộc phải loại ra nhiễu “thông thường” Những biến thiên lớn trong các tham 26 số hoặc là nhiễu lớn được xử lý bởi hệ thống điều khiển thích nghi (thứ hai) phụ tác động chậm hơn (Hình 2.2) Bộ điều khiển thứ nhất của hệ u + - Bộ điều khiển Đối tượng y Bộ điều khiển thứ hai của hệ Bộ điều khiển Thích nghi + Mô hình mẫu Hình 2.2: Điều khiển ở cấp... điện 1 có bộ điều khiển theo tối ưu độ lớn 565 3.8 Đáp ứng mạch vòng dòng điện 1 không và có bộ điều chỉnh 65 3.9 Đáp ứng bước nhảy của dòng điện mẫu 66 3.10 Sơ đồ điều khiển cán Block có bộ điều chỉnh dòng điện 2 dùng mạch thích nghi theo mô hình mẫu MRAC 69 3.11 Đáp ứng mạch vòng dòng điện thích nghi 70 3.12 Hệ số thích nghi - ổn định sau 25(s) Đáp ứng mạch vòng dòng điện thích nghi (khi thông số... tra kỹ, cho ra đóng bó, nhập kho và đều đạt tiêu chuẩn quy định của TCVN 1.4 Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại Trong dây chuyền Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá thì máy cán Block là khâu quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai động cơ một chiều 600kw cùng thông số giống nhau, nối cứng trục và chung một tải cán thép qua hệ truyền động bánh răng, hộp truyền lực Hai tủ động lực... dao động rất lớn (dòng động cơ 1 là khoảng 480 (A), còn dòng động cơ 2 dao động quanh giá trị 830 (A)) và không cùng tăng hay không cùng giảm dòng với động cơ số 1, làm hai động cơ ghì nhau (trở thành tải của nhau) Dẫn đến trong quá trình vận hành bảo vệ dòng thường tác động dừng máy sự cố, về lâu dài gây nóng máy, phá hỏng phần cơ khí, năng suất kém Việc chế tạo ra bộ điều khiển mới nhằm khắc phục... m – xP (2.3) Trong trường hợp này, bài toán tối ưu hoá có thể được chuyển thành tối thiểu hoá tiêu chuẩn: T C =  eT Pedt (2.4) 0 Trong đó P là một ma trận xác định dương u - Đối tượng Bộ điều khiển y Bộ điều khiển + + Thích nghi Mô hình mẫu Hình 2.1a: Hệ thích nghi tham số u + - Bộ điều khiển + - Đối tượng Bộ điều khiển Thích nghi Mô hình mẫu Hình 2.1b: Hệ thích nghi tín hiệu y + 25 Như chúng ta sẽ . rộng nên tôi chọn đề tài: Ứng dụng điển khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục để làm đề tài nghi n cứu. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC. KỸ THUẬT CÔNG NGHI P LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC . THUẬT ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC Học viên: Đỗ Đức Thành Lớp: TĐH- K11 Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa