thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

thiết kế bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều,bộ điều khiển giúp cho thời gian đạt đến ổn định nhanh hơn,bài viết bao gồm cả xét tính ổn định,có cả bộ điều khiển Pi,P.Lý thuyết điều khiển tuyến tính cung cấp các phương pháp nghiên cứu hệ thống tự động, bao gồm các phương pháp thiết lập mô hình toán của hệ thống, phân tích – đánh giá chất lượng hệ thống cũng như thiết kế bộ điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Người hướng dẫn: ThS Lê Văn Chương

Mã số sinh viên: 135D5202160013

Ngành: Kỹ thuật điều khiển & tự động hóa

NGHỆ AN - 2015

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN………LỜI MỞ ĐẦU………CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MATLAB & SIMULINK………

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án 1, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến

và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thànhđến Th.s Lê Văn Chương, giảng vên người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốtquá trình làm đồ án Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Vinhnói chung, các thầy cô bộ môn kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nói riêng đã hướng dẫncho em kiến thức về cách trình bày và nội dung đồ án, giúp em có được cơ sở lý thuyêt vàtạo điều kiện gúp đỡ em trong quá trình làm đồ án môn học Tuy vậy, với kinh nghiệm vàkiến thức còn thiếu sót nên bản đồ án của em còn chưa được hoàn thiện lắm, em mongđược sử chỉ dẫn chân thành của các thầy cô

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô, gia đình bạn bè đã luôn tạo đềukiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến sự pháttriển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại Do tính ưu việt của hệthống điện xoay chiều: để sản xuất, truyền tải, cả máy phát và động cơ điện xoay chiềuđều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành, máy điện (động cơ điện) xoaychiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên, động cơ điện một chiềuvẫn giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao thông vận tải và nói chung ở cácthiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép,máy công cụ lớn, đầu máy điện) Mặc dù, so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động

cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chếtạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện mộtchiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại Ưu điểm của động cơ điện mộtchiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việckhác nhau song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khảnăng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếuđáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần) rất đắt tiền thìđộng cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúcmạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại Động cơ điện một chiều ngày nayvẫn được sử dụng khá rộng rãi bởi những tính năng ưu việt mà nó mang lại như: khôngcần nguồn xoay chiều, thực hiện việc thay đổi động cơ một cách dễ dàng v.v…Chính vì lý

do đó mà em chọn động cơ một chiều để mô phỏng và khảo sát trong đồ án 1 của mình

Công cụ MATLAB & SIMULINK được sử dụng trong thiết kế vừa giúp chúng tanhanh chóng tìm ra được mô hình cần thiết nhờ các hàm toán học mạnh mẽ củaMATLAB, vừa minh họa cho các lệnh của MATLAB thông qua control system toolbox.Với mục tiêu là không những có thể giải quyết một cách thấu đáo bài toán điều khiển tốc

độ động cơ một chiều trên không gian trạng thái mà còn thông qua đó làm sáng tỏ thêmphần lý thuyết cơ bản trong một ứng dụng cụ thể Chính vì lí do đó nên phần phân tích vàthiết kế nói chung sẽ được thực hiện nhiều trên nền các lệnh Matlab Đồng thời phầnSmulink cũng được sự dụng một cách thích hợp để kiểm chứng phần lý thuyết Chính vì

lý do đó mà em chọn đề tài "Ứng dụng MATLAB & SIMULINK để khảo sát hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều" trong đồ án 1 của mình.

Đề tài gồm những nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về matlab

Chương 2: Tổng quan về động cơ một chiều

Chương 3: Ứng dụng MATLAB & Simulink để khảo sát và mô phỏng hệ thốngđiều khiển tốc độ đông cơ môt chiều

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MATLAB & SIMULINK

1.1 Giới thiệu MATLAB

1.1.1 Giới thiệu chương trình MATLAB

Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợcho tính toán khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá

nhân do công ty “The MATHWORK” viết ra.

MATLAB được điều khiển bằng tập lệnh, tác động vào bàn phím Nó cũng chophép một khả năng lập trình với cú pháp không dịch lệnh – còn gọi là Script file Các lệnhhay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi cácTOOLS BOX (thư viện trợ giúp) hay thông qua các hàm ứng dụng được xây dựng từngười sử dụng MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát nhữngvấn đề liên quan trên TOOLS BOX SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB, sửdụng để mô phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi

MATLAB được điều khiển bằng những câu lệnh được kết hợp theo một trật tựnhất định và gọi đó là chương trình Chương trình chứa nhiều câu lệnh và những hàmchức năng để giải những bài toán lớn

Các câu lệnh trong MATLAB rất mạnh và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh

đủ để giải quyết bài toán Mô phỏng trong MATLAB sẽ cho ta hình ảnh tọa độ khônggian hai chiều (2D) và ba chiều (3D)

và tự động hóa Việc nắm vững cách sử dụng chương trình và ngôn ngữ lập trìnhMATLAB sẽ là một lợi thế không nhỏ của các bạn sinh viên, nhất là các bạn tham gia vaocông việc nghiên cứu khoa học

Bên cạnh đó, công cụ SIMULINK có trong MATLAB là công cụ được nhiềungành sử dụng với nhiều ứng dụng

Hình 1.1 Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab

1.1.2 Các phím chức năng đặc biệt (chuyên dùng) dùng cho hệ thống

Ctrl + p hoặc : Gọi lại lệnh vừa thực hiện trước đó từ cửa sổ lệnh của MATLABCtrl + n hoặc : Gọi lại lệnh vừa đánh vào trước đó

Ctrl + f hoặc : Chuyển con trỏ sang phải một kí tự

Ctrl +b hoặc : Chuyển con trỏ sang phải một kí tự

Ctrl + l hoặc + : Chuyển con trỏ sang phải một từ

Ctrl + r hoặc + : Chuyển con trỏ sang trái một từ

Ctrl +a hoặc HOME: Chuyển con trỏ về đầu dòng

Ctrl +k: Xóa cho đến cuối dòng

1.1.3 Các lệnh hệ thống

Casesen off: Bỏ thuộc tính phân biệt chữ hoa, chữ thường

Casesen on: Sử dụng thuộc tính chữ hoa, chữ thường

Clc: Xóa cửa sổ dòng lệnh

Clf: Xóa cửa sổ đồ họa

Computer: Lệnh in ra một xâu kí tự cho biệt loại máy tính

Exit hoặc quit: Thoát khỏi MATLAB

Ctrl + C: Dừng chương trình khi nó rơi vào tình trạng lặp không kết thúc.

Help: Xem trợ giúp

Input: Nhập dữ liệu từ bàn phím

Load: Tải các biến đã lưu trong một File đưa vào vùng làm việc

Pause: Ngừng tạm thời chương trình

Save: Lưu các biến vào file có tên Matlab.mat

Demo: Lệnh cho phép xem các chương trình mẫu (minh họa khả năng làm việc của Matlab).

Edit: Lệnh để vào cửa sổ soạn thảo (dùng để viết một chương trình).

1.1 4 Biến trong MATLAB

Tên các biến trong matlab có thể dài 19 kí tự bao gồm các chữ cái cùng các chữ sốcũng như một vài kí tự đặc biệt khác nhưng phải luôn bắt đầu bằng chữ cái Tên các hàm

đả được đặt có thể sử dụng làm tên của biến với điều kiện hàm này sẽ không được sửdụng trong quá trình tồn tại của biến cho đén khi có lệnh CLEAR xóa các biến trong bộnhớ hay CLEAR + tên biến

Bình thường MATLAB có sự phân biệt các biến chữ cái thường và chữ cái hoa.Các lệnh trong Matlab thường được sử dụng chữ cái thường Việc phân biệt đó có thểđược bỏ qua nếu ta thực hiện lệnh

>> casense off % bỏ thuộc tính phân biêt chử hoa, chữ thường

Việc kiểm tra sự tồn tại của các biến trong bộ nhớ dược thông qua bộ lệnh

Who: Hiện thị danh sách các biến đã được định nghĩa

Whos: Hiện thị danh sách các biến đã được định nghĩa cùng kích thước của chúng

và thông báo chúng có phải là số thực không

Who global: Hiển thị các biến cục bộ

Exist (namesrt): Hiển thị các biến phụ thuộc vào cách các biến được định nghĩatrong chuỗi namesrt Hàm sẽ trả lại các giá trị sau:

- Nếu namestr là tên của một biến

- Nếu namestr là tên của một file.m

- Nếu namestr là tên của một Mex file

- Nếu namestr là một hàm dịch bởi Simulink

- Nếu namestr là một hàm được định nghĩa trước của Matlab

1.1 5 Các lệnh thông dụng trong đồ họa MATLAB

MATLAB rất mạnh trong việc xử lý đồ họa, cho hình ảnh minh họa một cách sinhđộng và trực quan trong không gian 2D và 3D mà không cần đến nhiều dòng lệnh.

Plot (x, y): Vẽ đồ thị trong tọa độ (x, y)

Plot (x, y, z): Vẽ đồ thị trong tọa độ (x, y, z)

Title: Đưa các tiêu đề vào trong hình vẽ

Xlabel: Đưa các nhãn theo chiều x của đồ thị

Ylabel: Đưa các nhãn theo chiều y của đồ thị

Zlabel: Đưa các nhãn theo chiều z của đồ thị

Grid: Hiển thị lưới trên đồ thị

Polar:Vẽ đồ thị theo hệ trục tọa độ cực

k: đen

Bảng 1: Màu sắc hay kiểu dáng của một đường

 Ví dụ về đồ họa 2D và 3D

+ Đồ thi 2D: y = sin (-π4)

Hình 1.2 Đồ thị dạng 2D: y = sin (- π4)+ Đồ thị 3D: Z=x¿

e¿ (−x ¿

2− y¿

2) với -2 ≤ x ≤ 2; -2 ≤ y ≤ 2

Hình 1.3 Đồ thị dạng 3D: Z= x¿e¿ (−x ¿2− y¿ 2)

1.1.6 Các dạng file sử dụng trong MATLAB

Script file (M-file):

Các phương trình do người sử dụng soạn thảo ra được lưu trữ trong các file cóphần mở rộng là *.m File dạng này còn được gọi là Script file File được dưới dạng kí tựASCII và có thể sử dụng trong các chương trình soạn thảo nó

Trong Simulink sơ đồ mô phỏng cũng được lưu dưới dạng *.m nhưng được gọi làS-function

Files dữ liệu:

Mat-files lưu trữ các dữ liệu ở dạng số nhị phân, còn các ASCII-files lưu các dữliệu dưới dạng các kí tự Mat-files thích hợp cho dữ liệu được tạo ra hoặc được sử dụngbởi chương trình MATLAB ASCII-files được sử dụng khi các dữ liệu được chia sẻ vớicác chương trình của MATLAB

ASCII – files có thể được tạo ra bởi các chương trình soạn thảo nói chung hay cácchương trình soạn thảo bằng ngôn ngữ máy Nó có thể tạo ra bởi MATLAB bằng cách sửdụng câu lệnh sau:

>> save <tên file>.dat <tên ma trận>./ascii

1.2.SIMULINK

Simulink là một công cụ trong MATLAB dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phântích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa Việc xây dựng môhình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả

Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việcphân tích tuyến tính và phi tuyến Simulink là một phần quan trọng của MATLAB và cóthể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tậndụng được ưu thế của cả hai môi trường

1.2.1 Khởi tạo Simulink

Có thể mở Simulink bằng 2 cách:

 Cách 1: Click vào biểu tượng “Simulink Library” ở hình 1.1.

 Cách 2: Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink và Enter

Cửa sổ thư viện Simulink sẽ hiển thị như hình vẽ

Hình 1.4 Thư viện Simulink

Cửa sổ thư viện Simulink bao gồm:

Simulink phân biệt (không phụ thuộc vào thư viện con) hai loại khối chức nănggồm: khối ảo (virtual) và khối thực (notvirtual) Các khối thực đóng vai trò quyết địnhtrong việc chạy mô phỏng mô hình Simulink Việc thêm hay bớt một khối thực sẽ làmthay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mô hình Simulink mô tả Có thể nêunhiều ví dụ về khối thực như: khối tích phân Integrator hay khối hàm truyền đạt TranferFcn của thư viên Continuous, khối sum hay khối Product của thư viện con Math Ngượclai các khối ảo không có khả năng thay dổi đặc tính của hệ thống, chúng chỉ có nhiệm vụthay đổi diện mạo đồ họa của thư viện Simulink Đó chính là các khối như Mux, Demuxchay Enable của thư viện con Signal và System Một số chức năng mang đặc tính thức hay

ảo tùy thuộc theo vị trí và cách thức sử dụng chúng trong mô hình Simulink, các mô hình

đó được sắp xếp vào loại ảo có điều kiện

1.2.3 Các thao tác cơ bản sử dụng trong Simulink

Các thao tác cở bản sử dụng trong Simulink bao gồm:

- Coppy (sao chép)

Bằng cách gắp và thả “drag & drop” nhờ phím chuột bên phải ta có thể chép mộtkhối từ thư viện (cũng có thể từ một thư viên khác)

- Move (di chuyển)

Ta có thể di chuyển dể dàng một khối trong phạm vi cửa sổ của khối nhờ phím chuộttrái

- Hệ thống con

Bằng cánh đánh dấu nhiều khối có quan hệ chức năng, sau đó gom chúng lại thôngqua menu Edit /Creat subsystem ta có thể tạo ra một hệ thống con mới

- Nối hai khối

Dùng phím chuột trái nháy đúp vào đầu ra của một khối sau đó di mũi tên của chuộttới khối cần nối Sau đó thả ngón tay khỏi phím chuột, đường nối tự động được tạo ra Có

thể rẽ nhánh tín hiệu bằng cách nháy chuột phải vào một đường nối có sẵn kéo đường nốimới xuất hiên tới đầu nối cần nối.

- Di chuyển đường nối

Để lưu đồ tín hiệu thoáng và dễ theo dõi, nhiều khi ta phải di chuyển sắp xếp lại các vitrị đường nối Khi nháy chọn bằng chuột trái ta có thể di chuyển tùy ý các điểm góc,hoặc di chuyển song song đường thẳng của đường nối

- Chỉ thị kích cỡ và dạng dữ liệu của tín hiệu

Lệnh chọn qua menu Fomat/Signal dimonsions sẽ hiện thị kích cỡ của tín hiệu quađường nối Lệnh menu Fomat/Port data types chỉ thị thêm loại dữ liệu của tín hiệu quađường nối

- Định dạng (Fomat) qua một khối

Sau khi nháy phím chuột phải vào một đường nối, cửa sổ định dạng đường cửa sổ địnhdạng khối sẻ mở ra Tại mục Fomat ta có thể lưa chọn kích cở và kiểu chử củng như vị trícủa tên khối ,có thể lật hoặc xoay khối Hai mục Foreground Color và Background Colorcho phép ta dặt chế độ màu bao quanh củng như chế độ nền của khối

- Định dạng cho đường nối

Sau khi nháy phím chuột phải vào đường nối, cửa sổ dịnh dang đường sẻ mở ra Tạiđây ta có lệnh cắt bỏ, copy hoặc delete đường nối

- Hộp đối thoại (Dialog box) về đặc tính của khối (Block property)

Hoặc di theo menu của cửa sổ mô phỏng Edit /Block property hoặc chọn mục Blockpropetis của cửa sổ định dang khối, ta sẽ thu được hộp thoại cho phép đặt một vài tham sốtổng quát về đặc tính của khối - Hộp đối thoại về đặc tính của tín hiệu (Signalproperties ): có thể tới được hộp thoại như Signal properties của một đường nối hoặc nháychuột đánh dấu trên cửa sổ mô phỏng, sau đó đi theo menu Edit/Signal properties hoặcchọn mục Signal properties trên cửa sổ định dạng đường Trong hộp thoại đó ta có thể đặttên cho đường nối hoặc nhập một đoạn văn bản mô tả Tuy nhiên để đặt tên cho đườngnối vẩn còn cách đơn giản hơn: nháy kép phím chuột trái vào đường nối ta sẻ tự động tớiđược chế độ nhập văn bản

1.2.4 Thư viện các khối Continuous

Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễncác hàm tuyến tính chuẩn Thư viện Linear gồm các khối sau:

Derivative Tính vi phân theo thời gian của lượng vào (d/dt)

Integrator Tích phân tín hiệu

State – Space Biểu diễn hệ thống trong gian tuyến tính

Transfer –Fen Hàm truyền đạt của các khâu hoặc hệ thống

Transpost Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trướcVariable Transpot Delay Giữ chậm lượng vào với khoảng thời gian biến đổi

1.2.5 Các bước thực hiện mô phỏng Simulink

Ta xét ví dụ sau: - Scope: Thuộc thư viện Sink

- Sine wave: Thuộc thư viện Sources

- Mux: Thuộc thư viện Signal Routing

- Integrator: Thuộc thư viên Continuous

Hình 1.5 Mô phỏng Simulink

Bước 1: Gọi phần ứng dụng Simulink và mở cửa sổ làm việc.

Kích chuột vào biểu tượng Simulink Library Browser

Vào File chọn New hoặc Ctrl + N

Hình 1.6 Cửa sổ làm việc mới của Simulink có tên là Untitled

Bước 2: Xây dựng mô hình Simulink

Các thao tác xây dựng mô hình như sau:

Kích chuột vào mô hình Simulink

Kích chuột vào thư viện Sources

Kích và kéo thư viện Sine Wave sang cửa sổ làm việc(untitled).

Các khối còn lại làm tương tự:

Hình 1.7 Sử dụng các khối trong thư viện Simulink

Bước 3: Nối tín hiệu: Đưa con chuột tới ngõ ra của khối (dấu “>”), khi đó con

chuột sẽ có dạng “+” Kéo rê chuột tới ngõ vào của một khối khác và thả ra để kết nối tínhiệu.Mô phỏng mô hình: Dùng lệnh Start (Menu Simulation àStart) hoặc nhấp chuột vàoicon Start

Xem tín hiệu từ Scope nhấp đôi vào khối Scope

Chỉnh thông số của một khối bằng cách nhấp đôi vào khối cần chỉnh

Trước khi mô phỏng mô hình Simulink, chúng ta cần đặt các thông số mô phỏngbằng cách chọn menu Simulation àConfiguration Parameters

Ở cửa sổ Configuration Parameters, chúng ta có thể đặt một số thông số như Starttime, Stop time(second – giây), và phương pháp giải Solver, Solver options, sau đó nhấnnút OK

Bước 4: Mở các khối Nháy đúp chuột vào khối cần mở, lúc đó xuất hiện cửa sổ

Block Parameters… và tại đây ta có thể thay đổi dữ liệu theo mong muốn

Hình 1.8 Cửa sổ Block Parameters

Bước 5: Thực hiện quá trình mô phỏng

Thực hiện quá trình mô phỏng bằng cách sau: chọn các công việc cửa sổ cần làm

việc simulation/start.

Bước 6: Ta có thể thay đổi thong số của quá trình mô phỏng

Simulation/configuration Parameters

Bước 7: Ghi lại mô hình mô phỏng vừa được tạo bằng cách chọn save á trong

menu file Kết quả mô phỏng của ví dụ như sau:

Hình 1.9 Kết quả mô phỏng Simulink

Với những ưu điểm và khả năng trên của Matlab so với các phần mềm khac, chúng

ta có thể sử dụng phần mềm Matlab trong việc khảo sát và đánh giá chất lượng của hệthống điều khiển tuyến tính

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Cấu tạo động cơ một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh (stator) vàphần động (rotor)

và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khiđặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp vớinhau

* Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thépcủa cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấutạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ nhữngbulông

* Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động

cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thườngdùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

* Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn

có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than baogồm chổi than được đặt trong hộp chổi than nó được môt lò xo tì chặt lên cổ góp