nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho truyền động T-Đ có tham số mômen quán tính J biến đổi

1 MỞ ĐẦU Mục tiêu của điều khiển là ngày càng nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cụ thể để ứng dụng điều khiển cho từng đối tượng. Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển làm cho các hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt được là cao nhất đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động điện và 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 để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao những đòi hỏi của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển ngày càng cao của khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho các hệ truyền động có tham số biến đổi dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện đại là một vấn đề rất cần thiết đối với việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống. Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dung rất nhiều đó là phương pháp mô hình hoá hệ thống. Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ khá đắc lực giúp được nhiều lợi ích thiết thực trong việc nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau và có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều. Động cơ điện một chiều có kết cấu với nhiều dạng khác nhau và có rất nhiều công dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động ở các nhà máy cán thép, ở các cần trục, trong cơ cấu truyền động tay máy, quay anten, điều khiển pháo binh, tên lửa, máy CNC, tàu biển, xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền … 2 Hệ truyền động T-Đ thường được dùng trong các hệ thống truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Và nói chung, phần lớn các hệ thống truyền động trong thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoặc không thể biết trước. Đối với hệ truyền động T-Đ các thông số thường bị thay đổi làm ảnh hưởng chất lượng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện cảm mạch phần ứng L u của động cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng R u của máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc và do đó hằng số thời gian mạch phần ứng T u = L u /R u cũng sẽ thay đổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ thông Φ 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 mô men quán tính của tải thường bị thay đổi làm cho mô men quán tính của hệ qui đổi về trục của động cơ thay đổi ……. Nếu như hệ truyền động điện có cấu trúc, tham số bộ điều chỉnh cố định và được chỉnh định theo tiêu chuẩn tối ưu nào đó ở các giá trị xác định của hệ, thì chất lượng của hệ sẽ không được đảm bảo khi cấu trúc, tham số của hệ bị thay đổi trong qua trình làm việc. Trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện yêu cầu chất lượng không cao ta thường bỏ qua các thay đổi này nhưng trong các truyền động yêu cầu chất lượng cao thì cần phải có mạch điều chỉnh với cấu trúc, tham số của nó có thể thay đổi đáp ứng theo sự biến thiên của hệ, sao cho đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ. Do vậy việc nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho hệ truyền động T-Đ có tham số biến đổi đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tế điều khiển. Mômen quán tính của tải là đại lượng đặc trưng cho sự phân bố khối lượng của tải (vật). Mômen quán tính của một vật đối với một trục nào đó phụ thuộc vào khối lượng của vật và bán kính quán tính của vật tức là 2 2 RG J   nên trong các truyền động có sự thay đổi khối lượng hay bán kính quán tính của tải trong quá 3 trình làm việc sẽ làm cho mômen quán tính của chung của hệ thay đổi và ảnh hưởng xấu đến chất lượng điều khiển chung của hệ. Một số hệ truyền động có mômen quán tính J của tải thay đổi thường gặp như truyền động trong tay máy (hình 1) và truyền động trong máy quấn dây (hình 2) … Hình 1 Truyền động trong tay máy Hình 2 Truyền động trong máy quấn dây Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho truyền động T-Đ có tham số mômen quán tính J biến đổi, nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động, giữ cho hệ luôn đạt được một chất lượng điều chỉnh cao khi tham số của hệ biến đổi, từ đó hoàn thiện phương pháp điều khiển chung cho hệ truyền động T-Đ có tham số biến đổi. Tăng khả năng ứng dụng của phương pháp vào trong thực tế sản xuất. 4 Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ truyền động T-Đ. Phạm vi nghiên cứu là hệ điều khiển cho truyền động T-Đ có tham số mô men quán tính J biến đổi. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài chính là ở chỗ đã hệ thống hóa các vấn đề về điều khiển hệ truyền động T-Đ có tham số biến đổi. Đề xuất và xây dựng được hệ điều khiển cho truyền động có tham số biến đổi dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển thích nghi và điều khiển mờ. Góp phần khẳng định vấn đề phát triển và khả năng triển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ, điều khiển thích nghi cho hệ truyền động có tham số biến đổi nói chung. Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia thành 5 chương: Chương 1: Hệ truyền động T-Đ. Chương 2: Điều khiển thích nghi. Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển thich nghi cho truyền động T - Đ có tham số J biến đổi. Chương 4: Điều khiển mờ và mờ lai PID. Chương 5: Xây dựng hệ điều khiển mờ lai PID cho truyền động T- Đ có tham số J biến đổi. 5 Chương 1 HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG. Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dụng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ. Hệ truyền động T-Đ, so với hệ truyền động máy phát - động cơ thì hệ truyền động T-Đ đảo chiều khó khăn hơn do các chỉnh lưu dẩn dòng theo một chiều và ta chỉ điều khiển được thời điểm van mở còn thời điểm đóng van phụ thuộc vào điện áp nguồn. Vì vậy yêu cầu đối với hệ T-Đ đảo chiều độ an toàn và logic điều khiển phải chặt chẽ. Tuy nhiên do lợi thế của các hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn ào và do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn nên các hệ điều khiển có cấu trúc nhiều vòng, mức độ tự động hoá cao thường sử dụng hệ T-Đ. Trong hệ truyền động T-Đ, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha. 1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ T - Đ. 1.2.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều. Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ , giá trị của mômen điện từ được tính như sau: IkI a Np M  . .2 '.  (1.1) Trong đó: p' - số đôi cực của động cơ. 6 N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ. a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. k = pN/2π.a - hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phấn ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:    k a Np E . 2 ' (1.2) Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto. Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng:    k IRU u  (1.3) Trong đó: R u - điện trở mạch phần ứng của động cơ. 1.2.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều. 1.2.2.1. Mô tả chung. Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau: Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ i k và từ thông máy Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: U k (p)= R k I k (p) +N k .P.Φ(p) (1.4) Trong đó N k - số vòng dây cuộn kích từ; R k - điện trở cuộn dây kích từ. Mạch phần ứng: U(p)= R u .I(p) + L u p I(p) ± N N p Φ(p) + E(p) (1.5) Hoặc dạng dòng điện: )]()()([ 1 1 )( pEppNpU pT R pI N u u    Trong đó Lu - điện cảm mạch phần ứng; N N - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp; Tu - Lu/Ru - hằng số thời gian mạch phần ứng. Phương trình chuyển động của hệ thống: 7  JppMpM c  )()( (1.6) Trong đó J là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều (hình 1.1). Thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc. Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập (N N = 0) thì có thể viết các phương trình sau: Mạch phần ứng: )]()].[([ )]([)]([)( ppK pIILppIIRpUU Bo ououo    (1.7) Mạch kích từ: )]([)]([)( pIIpLpIIRpUU kkokkkokkko  (1.8) Phương trình chuyển động cơ học: )]([)]([)]()].[([ BJpMMpIIpK BpcBoo   (1.9) Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: )1).((.)]( )( [)( uuoB pTpIRpKpKpU   (1.10) 8 )1).(( kkkk pTpIRU  (1.11) )(.)(.)( ppJMpIKpIK coo   (1.12) Hình 1.2 trình bày sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hoá theo các phương trình (1.10), (1.12) của động cơ một chiều kích từ độc lập. Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động cơ điện một chiều 1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi. Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số: KΦ = const = C u U(p) = R u .I(p).(1+pT u ) +C u .ω(p) (1.13) C u .I(p) - M c (p) = Jp.ω(p) (1.14) Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 1.3. Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn hình 1.4, Trong đó đặt: hệ số khuyếch đại động cơ: K đ = 1/C u , hằng số thời gian cơ học: 2 u u c C JR T  (1.15) 1 )(.)( )( 2    pTpTT C pM R TppU pI ccu u c u c (1.16) 9 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi Hình 1.4 Các sơ đồ cấu trúc gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện. 1.2.3. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển. Bộ biến đổi tiristo với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp (dòng điện) ra là một chiều là các thiết bị điện, biến nguồn điện xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều khiển được. Hoạt động của mạch do nguồn xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể thực hiện được chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực. Phần mạch quan trọng của chỉnh lưu là phần điều khiển, tại đó các xung mở tiristo được phát ra theo một trật tự đã định. Quy luật hoạt động của mạch điều 10 khiển được xác định bởi loại chỉnh lưu (đảo chiều, không đảo chiều, …) và bởi đặc tính phụ tải. Trong thực tế truyền động điện hay dùng nhất là hệ thống phát xung đồng bộ nhiều kênh, trong đó việc đồng bộ được thực hiện nhờ việc đồng bộ hoá điện áp tựa với lưới. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa quét ngược hoặc là hình sin. Các hệ thống làm việc với điện áp tựa kiểu răng cưa là bất biến khi biên độ điện áp nguồn thay đổi. Xung điều khiển xuất hiện tại thời điểm mà điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Phần mạch lực của chỉnh lưu thường được phân thành hai nhóm chính, chỉnh lưu hình tia và hình cầu. Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia (anôt chung hoặc catôt chung) mỗi pha của nguồn xoay chiều chỉ dẫn dòng trong một nữa chu kỳ. Sơ đồ chỉnh lưu cầu bao gồm hai chỉnh lưu hình tia. Các van tiristo có thể được nối theo kiểu điều khiển đối xứng hoặc không đối xứng. Trong truyền động điện, đa số các trường hợp chỉnh lưu được điều khiển bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất xung và tính bán điều khiển đến quá trình quá độ là nhỏ và do đó, gần đúng có thể coi chỉnh lưu là mạch điều chỉnh liên tục với sơ đồ thay thế như hình 1.5. Hình 1.5 Mạch thay thế chỉnh lưu Trong đó . 2 ) 4 1( fefb L mm RR     fb LL  m - số xung áp đầu ra;  - góc chuyển mạch cực đại; L f , R f - điện cảm và điện trở của một pha xoay chiều. Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu, khi hiện tượng chuyển mạch không có ảnh hưởng đến giá trị trung bình của điện áp thì điện trở R b =R f . [...]... của hệ truyền động thay đổi, thì thời gian quá độ trước khi xác lập là rất lớn Độ quá điều chỉnh trong quá trình quá độ cũng tăng vọt Bộ điều chỉnh không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương 1 luận văn đã trình bày cơ sở lý thuyết và đã xây dựng hoàn chỉnh bộ điều khiển PI cho hệ truyền động T-Đ Bộ điều khiển PI được xây dựng trên cơ sở các tham số của hệ truyền động. .. mạch vòng điều chỉnh tốc độ là vô sai cấp hai đối với tín hiệu điều khiển (1.35) và là vô sai cấp một đối với tín hiệu nhiễu (1.37) Như vậy khi đã ổn định thì sai lệch tốc độ sẽ bằng không 1.4 TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 1.4.1 Sơ đồ cấu trúc và tham số hệ truyền động T-Đ: Sơ đồ cấu trúc: Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ một chiều Các phần tử trong hệ truyền động T- Đ : - Động cơ Đ: Động cơ... cụ thể là ứng với Jtinhtoan=0,016 Qua kết quả mô phỏng dễ dàng nhận thấy với bộ điều khiển này chất lượng điều chỉnh chỉ đạt được yêu cầu khi hệ làm việc với J = Jtinhtoan Khi tham số làm việc của hệ bị thay đổi càng xa so với tham số tính toán thì chất lượng điều chỉnh càng kém Kết quả mô phỏng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, khi mômen quán tính J của hệ thay đổi dẫn đến làm thay đổi T C theo công... Hình 1.26 Kết quả mô phỏng với J3 tăng dần đều Nhận xét: Trường hợp đối tượng có mômen quán tính tăng dần đều thì chất lượng điều chỉnh của hệ tuyền động kém đi nhiều so với khi momen quán tính bằng mômen tính toán Cụ thể là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ đều tăng 30 1.5.4 Trường hợp mômen quán tính của đối tượng J biến đổi dạng xung 0.107 J 0.106 Mo men quan tinh J 0.105 0.104 0.103 0.102 0.101... phỏng với J1 = J = 0,016 1550 n-dat n-PI 1540 Toc do n ( vong/phut ) 1530 1520 1510 1500 1490 1480 1470 1460 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Thoi Gian t ( s ) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 1.21 Kết quả mô phỏng với J1 = J = 0,016 Nhận xét: Bộ điều khiển PI cho kết quả điều khiển rất tốt khi mômen quán tính J của hệ bằng với mômen tính toán 1.5.2 Trường hợp mômen quán tính của đối tượng J2 =10 *J= 0,16 27 1600... tham số điều khiển của chính mình cho phù hợp Đặc điểm nổi bật, dễ nhận biết nhất của một bộ điều khiển STRAC là trong nó có chứa các cơ cấu: - Cơ cấu nhận dạng (tham số) mô hình hàm truyền đạt S(s) của đối tượng - Cơ cấu xác định tham số điều khiển dựa trên hàm truyền đạt của đối tượng Hình 2.1 Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STRAC) Như vậy, cấu trúc này thực hiện việc điều khiển. .. chỉnh định lại bản thân nó cho phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh (self-tuning-regulator), viết tắt là STRAC Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh đơn giản nhất là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số, tức là nó không tự thay đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số a i , i=1,2, …, n và bj , j= 1,2,…,m cho mô hình truyền đạt như (hình 2.1)... với bộ điều khiển PID truyền thống Chính vì vậy ngày nay trong các hệ truyền động yêu cầu chất lượng cao các bộ điều khiển cần có khả năng tự chỉnh định lại thông số Đây chính là vấn đề mà luận văn quan tâm nghiên cứu giải quyết 33 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG Về cơ bản, một hệ điều khiển thích nghi (AC-Adaptive Control) gồm hai phần chính: - Phần thứ nhất là bộ điều khiển thích... nhật các tham số quá trình bằng các bộ ước lượng nhận dạng, còn tham số bộ điều khiển được xác 35 định bằng cách giải các phương trình điều khiển với các số liệu do bộ ước lượng cung cấp Hệ thống cũng có 2 mạch vòng, mạch vòng trong là mạch phản hồi thông thường Các tham số bộ điều chỉnh được giải quyết ở mạch vòng ngoài, nó gồm 1 bộ ước lượng tham số đệ qui và 1 bộ tính toán dữ liệu Đôi lúc hệ không... theo điều kiện tác động của nhiễu bằng quĩ đạo ngoại suy 2.2.2 Cơ cấu xác định tham số bộ điều khiển từ mô hình đối tượng Thực chất, khi đã có được mô hình toán học cụ thể là hàm truyền đạt S(s) của đối tượng điều khiển nhờ cơ cấu nhận dạng, thì để xác định bộ điều khiển R(s) ta có thể áp dụng một phương pháp thiết kế bất kỳ nào đó đã biết của lý thuyết điều khiển tuyến tính, chẳng hạn như: - Bộ điều khiển . chỗ đã hệ thống hóa các vấn đề về điều khiển hệ truyền động T-Đ có tham số biến đổi. Đề xuất và xây dựng được hệ điều khiển cho truyền động có tham số biến đổi dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển. 1 Truyền động trong tay máy Hình 2 Truyền động trong máy quấn dây Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho truyền động T-Đ có tham số mômen quán tính J biến đổi, . lượng hệ truyền động, giữ cho hệ luôn đạt được một chất lượng điều chỉnh cao khi tham số của hệ biến đổi, từ đó hoàn thiện phương pháp điều khiển chung cho hệ truyền động T-Đ có tham số biến đổi.