Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều Phạm Minh Khánh.

- i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PHẠM MINH KHÁNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 2014 - ii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Minh Khánh Sinh ngày : 04 tháng 10 năm 1986 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Minh Khánh - iii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN `Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. `Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. `Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai Hƣơng, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Minh Khánh - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LUC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỞ ĐẦU viii MỞ ĐẦU viii 1. Lý do chọn đề tài viii 2. Mục tiêu nghiên cứu viii CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ - 1 - 1.1. Điều khiển tối ƣu động cơ một chiều - 1 - 1.1.1. Khái niệm - 1 - 1.1.2. Điều kiện thành lập bài toán tối ƣu - 4 - 1.2. Điều khiển PID động cơ một chiều - 8 - 1.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID - 8 - 1.2.2. Một số phƣơng pháp xác định tham sốbộ điều khiển PID - 11 - 1.3. Kết luận chƣơng 1 - 16 - CHƢƠNG II. MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI - 17 - 2.1. Chế độ xác lập động cơ điện một chiều - 17 - 2.2. Trƣờng hợp khi từ thông kích từ không đổi - 22 - 2.3. Kết luận chƣơng 2 - 23 - CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG (H ∞ ) - 25 - 3.1. Giới thiệu - 25 - 3.2. Mô hình hóa - 26 - 3.2.1. Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC - 26 - 3.2.2. Mô hình chỉnh định điều khiển động cơ DC - 28 - 3.2.3. Mô tả hệ thống và định nghĩa - 29 - - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.4. Mô tả bộ điều khiển tối ƣu H ∞ bền vững và thiết kế - 32 - 3.3. Mô phỏng bộ điều khiển tối ƣu H ∞ - 36 - 3.4. Kết luận - 38 - CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU - 40 - 4.1. Mô phỏng - 40 - 4.1.1. Tham số hệ truyền động - 40 - 4.1.2. Mô hình mô phỏng hệ thống - 42 - 4.2. Thực nghiệm - 44 - 4.2.1. Thiết bị thực nghiệm - 44 - 4.2.1.2. Bo mạch ghép nối hệ thống và máy tính - 45 - 4.2.2. Cấu trúc thực nghiệm - 46 - 4.2.3. Kết quả thực nghiệm - 49 - 4.2.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm - 58 - 4.3. Kết luận chƣơng 4 - 58 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 59 - 1. Kết luận - 59 - 2. Kiến nghị - 60 - - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển - 1 - Hình 1. 2. Tối ưu cục bộ và tối ưu toàn cục. - 2 - Hình 1. 3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. - 5 - Hình 1. 4. Cấu trúc bộ điều khiển PID - 9 - Hình 1. 5. Điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID - 10 - Hình 1. 6. Đáp ứng quá độ của hệ hở - 12 - Hình 1. 7. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn - 13 - Hình 1. 8. Đáp ứng quá độ hệ kín khi k = k th - 13 - Hình 1. 9. Đáp ứng quá độ hệ phù hợp phương pháp Chien-Hrones-Reswick - 14 - Hình 2. 1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều - 20 - Hình 2. 2. Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập - 21 - Hình 2. 3. Cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi - 23 - - 27 - Hình 3. 2. Mạch điện động cơ DC - 28 - Hình 3. 3. Đường cong Đáp ứng Trạng thái - 37 - Hình 3. 4. Đường cong đáp ứng trạng thái - 37 - Hình 4. 1. Mô hình mô phỏng hệ thống - 42 - Hình 4. 2. Đặc tính tốc độ động cơ mô phỏng bộ điều khiển bền vững - 44 - Hình 4. 3. Động cơ một chiều - 44 - Hình 4. 4. Bo mạch Arduino Uno - 45 - Hình 4. 5. Mô hình thực nghiệm - 46 - Hình 4. 6. Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền vững động cơ một chiều - 47 - Hình 4. 7. Chi tiết khối Động cơ một chiều - 48 - Hình 4. 8. Đáp ứng tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy . - 49 - Hình 4. 9. Dòng điện động cơ khi không tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 50 - Hình 4. 10. Sai lệch tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 50 - Hình 4. 11. Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 51 - - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4. 12. Dòng điện động cơ khi có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 52 - Hình 4. 13. Sai lệch tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 53 - Hình 4. 14. Đáp ứng tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt thay đổi - 54 - Hình 4. 15 Dòng điện động cơ khi không tải, tín hiệu đặt thay đổi - 55 - Hình 4. 16 Sai lệch tốc độ động cơ khi không tải với tín hiệu đặt thay đổi - 55 - Hình 4. 17 Đáp ứng tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt thay đổi - 56 - Hình 4. 18 Dòng điện động cơ khi có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang - 57 - Hình 4. 19 Sai lệch tốc độ động cơ khi có tải với tín hiệu đặt thay đổi - 58 - - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cho đến nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp cũng nhƣ trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện một chiều đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, ở các nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyển sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ Đối với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển. do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích p hân, đạo hàm ) đƣợc dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Tuy nhiên các hệ thống này đƣợc thiết kế dựa trên việc giả thiết các thông số của động cơ là không đổi, nhƣng trên thực tế trong quá trình làm việc các thông số của động cơ hoàn toàn có thể bị thay đổi (R của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo tải…) khi đó bộ điều khiển PID sẽ làm việc không đúng theo thiết kế dẫn đến hệ thống điều khiển không đảm bảo chất lƣợng yêu cầu Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên. Tôi xây dựng đề tài luận văn tốt nghiệp “ Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều “ 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ điều khiển tự động. Tuy nhiên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần tiền hành nghiên cứu, tìm ra phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể cho từng đối tƣợng. Mục đích cuối - ix - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền động ngày càng đạt đƣợc chất lƣợng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt đƣợc là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ngành điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt ra vấn đề đòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển của khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hiện đại là một vấn đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống. Để phục vụ cho công tác nghiên cứu tác giả sử dụng phƣơng pháp điều khiển bền vững và phần mềm Matlab Simulink xây dựng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ đắc lực trợ giúp trong việc nghiên cứu, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều dùng trong các hệ truyền động điện đòi hỏi chất lƣợng cao. Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động điện này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu chặt chẽ. Và nói chung phần lớn các hệ thống truyền động thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoạc không thể biết trƣớc Đối với động cơ điện một chiều, các thông số thƣờng bị thay đổi làm ảnh hƣởng chất lƣợng điều chỉnh, cụ thể: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện cảm phần ứng L u của động cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng Ru của - x - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thời gian của mạch phần ứng Tu = Lu/Ru cũng thay đổi theo quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ thông Ф có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay đổi. Khi xét đến tải của các hệ truyền động thì momen quán tính của tải thƣờng bị thay đổi, làm cho momen quán tính của hệ qui đổi về trục của động cơ bị thay đổi Nếu bằng các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thì chúng ta gặp nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển đạt đƣợc chất lƣợng cao. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng một phƣơng pháp điều khiển mới để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hƣớng đƣợc rất nhiều ngƣời quan tâm và là hƣớng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng nhƣ có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn Với các lý do trên tác giả chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độg động cơ điện một chiều khi các thông số của động cơ thay đổi làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt đƣợc đáp ứng ngõ ra và các đặc tính của hệ thống điều khiển thỏa mãn các yêu cầu đề ra [...]... tốc độ của hệ thống động cơ DC, ví dụ nhƣ kỹ thuật điều khiển số, điều khiển cấu trúc biến đổi thích nghi, điều khiển PID tối ƣu , điều khiển mạng nơ ron nhân tạo tự chỉnh một bộ điều k D Các lý thuyết điều khiển bền vững đã đƣợc phát triển mạnh và đƣợc áp dụng rộng rãi để thảo luận các bài toán trong thiết kế hệ thống điều khiển tốc động động cơ DC Tôi đề xuất một cấu trúc điều khiển tối ƣu H∞ bền. .. có độ quá điều chỉnh: - Yêu cầu tối ƣu theo tín hiệu đặt trƣớc và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vƣợt quá 20% so với h lim h(t ) t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 16 - 1.3 Kết luận chƣơng 1 Chƣơng 1 đã trình bày một số bộ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: - Điều khiển tối ƣu động cơ một chiều, một số bài toán tối ƣu trong điều khiển động cơ một chiều: tối ƣu tác động. .. điển và PID, do bởi sự thiếu bền vững của bộ điều khiển PID và hiệu suất không tối ƣu của lý thuyết điều khiển H∞ bền vững thông thƣờng 3.2 Mô hình hóa 3.2.1 Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC Bộ chỉnh định điều khiển động cơ DC (DC Motor Control Trainer – DCMCT) của Quanser là một hệ thống có khả năng minh họa lý thuyết điều khiển tự động động cơ bằng thực tiễn trong một số cách khác nhau [1] Phần... H∞ bền vững sử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 26 - dụng phƣơng pháp LMI cho hệ thống điều khiển động cơ DC mà dựa trên một động cơ DC tuyến tính với các tham số thay đổi Bất chấp sự phức tạp này, các bộ điều khiển H∞ bền vững vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi do sự bền vững và hiệu suất của chúng, và lý thuyết điều khiển tối ƣu H∞ bền vững tốt hơn kỹ thuật điều khiển H∞ bền vững kinh... TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ 1.1 Điều khiển tối ƣu động cơ một chiều 1.1.1 Khái niệm Một hệ điều khiển đƣợc thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn ở trạng thái tối ƣu theo một tiêu chuẩn chất lƣợng nào đó ( đạt đƣợc giá trị cực trị ) Trạng thái tối ƣu có đạt đƣợc hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất lƣợng đặt ra, vào sự hiểu biết về đối tƣợng và các tác động lên đối... là một phiếm hàm đối với tín hiệu x, tín hiệu điều khiển u và thời gian t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -5- Lấy ví dụ về bài toán điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập kt const góc quay với tín hiệu điều khiển u là dòng điện phần ứng iu và tín hiệu ra x là của trục động cơ Hình 1 3 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta có phƣơng trình cân bằng moment của động. .. gắn vào một động cơ DC với enconđơ, bánh xe cung cấp một tải quán tính cho các thí nghiệm Động cơ DC đƣợc truyền động bởi một bộ khuếch đại công suất tuyến tính, và công suất tới hệ thống đƣợc phân phối từ một biến áp treo Giao diện với một PC hoặc laptop thông qua một kết nối cổng nối tiếp Sự điều khiển đƣợc thực hiện sử dụng DSP hoặc PC, và bộ điều khiển hoặc đƣợc lập trình hoặc đƣợc thiết kế sử dụng... trúc bộ điều khiển PID và một sơ phƣơng pháp xác định tham số bộ điều khiển PID: Phƣơng pháp Ziegler-Nichols, Phƣơng pháp Chien-HronesReswick, đối tƣợng có thể áp dụng các phƣơng pháp trên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 17 - CHƢƠNG II MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI 2.1 Chế độ xác lập động cơ điện một chiều Khi đặt lên dây quấn kích từ một. .. một hệ thống có thể đƣợc đánh giá theo sai lệch của đại lƣợng đƣợc điều khiển x so với trị số mong muốn x0, lƣợng quá điều khiển ( trị số cực đại xmax so với trị số xác lập x∞ tính theo phần trăm ), thời gian quá độ … hay theo một chỉ tiêu hỗn hợp trong điều kiện làm việc nhất định nhƣ hạn chế về công suất, tốc độ, gia tốc … Do đó việc chọn một luật điều khiển và cơ cấu điều khiển để đạt đƣợc chế độ. .. Jp.ω(p) Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi đƣợc thể hiện trên hình 2.3a Bằng phƣơng pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn hình 2.3b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 23 - Hình 2 3 Cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi 2.3 Kết luận chƣơng 2 Chƣơng 2 đã trình bày: - Chế độ xác lập động cơ một chiều và mô tả toán học động cơ điện một chiều gồm cả mạch phần