MỞ ĐẦU Trong thiết kế điều khiển, khi biết được mô hình toán học của đối tượng điều khiển (gọi tắt là đối tượng) thì ta dễ dàng có thể thiết kế được một bộ điều khiển để thu được đáp ứng của hệ thống theo mong muốn, đồng thời cũng đảm bảo được tính ổn định, bền vững của hệ thống. Tuy nhiên, không phải lúc nào ta cũng biết được mô hình toán học của đối tượng. Với những quá trình vật lý phức tạp, ta hoàn toàn không thể thu được mô hình toán học phản ánh quá trình vật lý đó. Do đó ta rất khó có thể thiết kế được một bộ điều khiển đảm bảo các tính năng và chỉ tiêu chất lượng như mong muốn cho toàn hệ thống. Trong trường hợp này, để thiết kế một bộ điều khiển, ít nhất ta phải biết một mô hình xấp xỉ của đối tượng. Mô hình xấp xỉ đó được gọi là mô hình đồng dạng của đối tượng. Việc ước lượng mô hình xấp xỉ đó được gọi là nhận dạng đối tượng điều khiển. Với khả năng học, mạng nơron tỏ ra rất thích hợp trong việc nhận dạng đối tượng điều khiển. Mạng nơron được chia ra làm hai loại là mạng nơron truyền thẳng và mạng nơron hồi quy. Trong đó, khả năng nhận dạng mẫu của mạng nơron truyền thẳng kết hợp với luật học lan truyền ngược là rất tốt. NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN DÙNG MẠNG NƠRON Giả sử ta có hệ thống nhận dạng đối tượng dùng mạng nơron như hình 1: Ta sử dụng mô hình thuận (hình 1.a) để nhận dạng đối tượng. Tín hiệu vào x được đưa vào đồng thời cho cả đối tượng P và mạng nơron. Tín hiệu ra của mạng nơron y1 được so sánh với tín hiệu ra y của đối tượng P. Ta có sai lệch Trong đó:
Tiểu luận: Điều Khiển Số 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Cấu tạo: Gồm 3 phần chính phần cảm, phần ứng và bộ cổ góp + Phần cảm là bộ phận tạo ra từ trường có thể là nam chân điện vĩnh cửu và cũng có thể là cuộn dây quấn quanh lõi thép. Cuộn dây này có thể được cấp dòng điện rẽ từ dòng phần ứng gọi là kích từ song song, cuộn dây được nối tiếp với cuộn phần ứng gọi là kích từ nối tiếp, cũng có thể kết hợp vừa nối tiếp vừa song song. Ngoài ra thì người ta có thể nuôi nguồn cho cuộn kích từ bằng nguồn điện riêng gọi là kích từ độc lập. + Phần ứng bao gồm khung dây và lõi thép phần này nhận dòng điện từ cổ góp đã được nghịch lưu, nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ lực điện từ tác động lên khung dây làm quay roto. + Cổ góp là những phiến đồng cách nhau gắn lên trục của động cơ và các chổi than quét lên chúng. Cổ góp có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều cấp cho phần ứng. Nguyên lý làm việc: Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ U kt thì trong cuộn dây xuất hiện dòng I kt và mạch của động cơ sinh ra từ thông Φ. Đặt điện áp U vào mạch phần ứng trong mạch phần ứng có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích sẽ tạo ra mô men điện từ. Giá trị mô men đ ược tính như sau: p Số đôi cực của động cơ N Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ a Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng I Dòng điện phần ứng [A] Φ Từ thông do dòng kích từ sinh ra [Wb] Phương trình của động cơ : Cung cấp điện áp một chiều vào mạch kích từ và mạch phần ứng, ở chế độ xác lập ta có các quan hệ sau: - Mômen điện từ sinh ra : 1 Hệ truyền động Chỉnh lưu – Động cơ (T-Đ) R ĐC Bộ BĐ * Bộ tạo xung uđk + - (-) ss Tiểu luận: Điều Khiển Số M = k.Φ.I ư [Nm] trong đó k = p.N/(2πa) là hệ số kết cấu của máy - Sức điện động phần ứng : E ư = k.Φ.ω [V] - Dòng điện phần ứng : I ư = (U ư – E ư )/R ư 1.2. Hệ truyền động van – động cơ (T-Đ): Là hệ truyền động mà bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động cơ. Tùy theo yêu cầu cụ thể mà có thể cùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp để phân biệt chúng. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào các tính chất của tải, trong truyền động điện tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (R-L) hoặc là mạch phần ứng của động cơ (R-L-E). !"#$%&&'()*+&* 2 KΦ KΦ Uu Eu Iu M MC ω - - Sơ đồ khối động cơ một chiều kích từ độc lập Tiểu luận: Điều Khiển Số 2. HÀM TRUYỀN VÀ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 2.1 Thông s ố v à hàm truyền đạt của động cơ: Từ các phương trình của động cơ : (1.1) + Nếu M c = 0 thì Khi đó phương trình (1.1) viết lại như sau: Sử dụng phép biến đổi Laplace và ta có tỷ số tốc độ đầu ra với điện áp vào : Đặt K d = 1/KΦ đm hệ số khuếch đại động cơ T u = L u /R u hằng số thời gian điện của động cơ 3 Tiểu luận: Điều Khiển Số T c = R u J/( KΦ đm ) 2 hằng số thời gian cơ của động cơ Như vậy hàm truyền đạt của động cơ lúc M c = 0 là Với thông số động cơ : f = 50 [Hz] tần số lưới điện P đm = 1 [kW] công suất định mức U uđm = 220[V] điện áp phần ứng định mức I uđm = 6[A] dòng điện phần ứng định mức U ktđm = 220[V] điện áp kích từ định mức I ktđm = 0.23[A] dòng điện kích từ định mức n đm = 1500 [vòng/phút] tốc độ định mức N = 1288 số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ a = 1 số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng Φ = 3[mWb] từ thông do dòng kích từ sinh ra p = 1 số đôi cực của động cơ ω đm = n đm *2*pi/60[rad/s] M đm = P đm / ω đm [Nm] mômen định mức R u = 3.29[Ω] điện trở phần ứng L u = 0.028[H] điện cảm phần ứng R kt = 785[Ω] điện trở kích từ L kt = 120[H] điện cảm kích từ J = 0,015[kg.m 2 ] mômen quán tính Ta có : E udm = U udm – R u .I udm = 220 – 3,29.6 = 200,26 (V) ω đm = n đm .2.pi/60 = 1500.2.pi/60 = 157 (rad/s) dm = E udm / ω đm = 200.26/157 = 1.28 (Wb) K d = 1/KΦ đm = 1/1,28 = 0,84 T u = L u /R u = 0,028/3,29 = 0,0085 (s) T c = R u J/( KΦ đm ) 2 = 3,29.0,015/( 1,28) 2 = 0,03 (s) 4 R uđk Uư (-) Uss U KP CL ĐMđl U* Tiểu luận: Điều Khiển Số 2.2. Thông số và hàm truyền đạt bộ chỉnh lưu: Để điều khiển động cơ một chiều sử dụng hệ truyền động T-Đ ta chọn bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng với các tham số sau: U đk : là điện áp điều khiển đầu vào U d : là điện áp một chiều đầu ra Ta thấy rằng U đk << U d cả về công suất lẫn độ lớn, nên trước hết nó là bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại K cl = U d /U đk = U udm /10. Đồng thời khi ta thay đổi α tạo ra thời gian trễ τ vì thể ngoài tính chất khuếch đại bộ chỉnh lưu còn có tính trễ và được tính gần bằng: τ ≈ 1/2nf = T trong đó f =50 là tần số lưới n =6 là số xung đập mạch Vì T<<1 nên ta có thể tương đương Vậy hàm truyền đạt của bộ chỉnh lưu có dạng như sau: Trong đó K cl = U u /U đk = 220/10 =22 T cl = 1/2nf =1/2.6.50 = 0.0017 2.3. Sơ đE khối của hệ thống : 5 ADC Đối tượng điều khiển Phản hồi Khâu điều chỉnh R (PID) DAC - Xd y(t) u(t) Tiểu luận: Điều Khiển Số Với K P = 1 Từ sơ đồ ta có hàm truyền hệ hở khi chưa có bộ điều chỉnh : Hệ điều khiển số bao gồm hệ thu thập xử lý tín hiệu vi xử lý, vi điều khiển, các hệ thống lớn có máy tính số Sơ đồ khối của một hệ điều khiển số được chỉ ra trên hình 1,1, / 0# 1$%+ - Bộ biến đổi A/D: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. - Bộ biến đổi D/A: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. - Bộ điều chỉnh có thể là máy tính, vi xử lý hoặc vi điều khiển. - Thay bộ biến đổi D/A bằng khâu lấy mẫu. 6 R(p) S(p) Tiểu luận: Điều Khiển Số - Bộ biến đổi A/D bằng khâu lấy mẫu nối tiếp khâu lưu giữ bậc không H 0 (P). 3. THIẾT KẾ BỘ DIỀU KHIỂN PID VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1. Nguyên tắc tối ưu Modul: x(t) e(t) u(t) y(t) Hàm truyền đạt hệ thống kín : Yêu cầu : Hệ thống có đầu ra y(t) giống như đầu vào x(t) tại mọi thời điểm tần số hoặc thời gian quá độ để y(t) bám theo được x(t) càng ngắn càng tốt. Phải thỏa mãn với R(p) khi đáp ứng được yêu cầu trong một dải tần số rộng lân cận 0.Bộ điều khiển R(p) thỏa mãn 1 trong dải tần số thấp có độ rộng lớn được gọi là bộ điều khiển tối ưu modul Tối ưu : Dải tần số thỏa mãn điều khiển càng lớn càng tốt 3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID : Ta có hàm truyền động cơ : Hay : 7 Tiểu luận: Điều Khiển Số Trong đó: K dc = 1.5679; T 1 = 0.0089; T 2 = 0.1124; T cl = 1/2nf =1/2.6.50 = 0.0017 ta thấy T 1 , T 2 > T cl Lúc này hàm truyền của đối tượng S(p) được viết : *&23 K = K dc .K cl = 1,5679.22 = 34,49 Và T Σ = T cl = 0,0017 Chọn bộ điều chỉnh có cấu trúc PID, theo nguyên tắc tối ưu modul thì hàm truyền thì sẽ có dạng : *&23 T I = T 1 + T 2 = 0,0089 + 0,1124 = 0,1213 (s) (s) Nên hàm truyền bộ PID: R ω (p) được viết lại: K p = 1.0341 8 Tiểu luận: Điều Khiển Số 3.3. Mô phỏng hệ thống bằng Simulink - Matlab: Sơ đồ mô phỏng: Kết quả mô phỏng: 9 . độ xác lập ta có các quan hệ sau: - Mômen điện từ sinh ra : 1 Hệ truyền động Chỉnh lưu – Động cơ (T-Đ) R ĐC Bộ BĐ * Bộ tạo xung uđk + - (-) ss Tiểu luận: Điều Khiển Số M. p.N/(2πa) là hệ số kết cấu của máy - Sức điện động phần ứng : E ư = k.Φ.ω [V] - Dòng điện phần ứng : I ư = (U ư – E ư )/R ư 1.2. Hệ truyền động van – động cơ (T-Đ): Là hệ truyền động mà bộ biến. chất của tải, trong truyền động điện tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (R-L) hoặc là mạch phần ứng của động cơ (R-L-E). !"#$%&&'()*+&* 2 KΦ KΦ Uu Eu Iu