Nghiên cứu, khảo sát chất lượng hệ thống điều khiển kín khí nén bằng phương pháp mô phỏng và thí nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN LN NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍN KHÍ NÉN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THAC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CHẤT LƯNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍN KHÍ NÉN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Người hướng dẩn: TS.Nguyễn ngọc Phương Người thực : KS.Nguyễn Luân TP.HỒ CHÍ MINH 2004 MỤC LỤC Phần mở đầu Bối cảnh xuất phát Mục đích nghiên cứu Giới hạn phạm vi đề tài Chương : Lý thuyết kỹ thuật điều khiển 1.1 Kỹ thuật điều khiển theo mạch kín 1.1.1 Khái niệm kỹ thuật điều khiển theo mạch kín 1.1.2 Các dạng điều khiển theo mạch kín 1.2 Các khâu điều chỉnh điển hình HTĐK 1.2.1 Khâu tỷ lệ (khâu P) 1.2.2 Khâu quán tính bậc (khâu PT1) 1.2.3 Khâu quán tính bậc (khâu PT2) 1.2.4 Khâu tích phân (khâu I) 1.2.5 Khâu vi phân (khâu D) 1.2.6 Khâu thời gian chết (khâu Tt) 1.3 Tác dụng tổng nhiều khâu điều chỉnh Chương : Bộ điều chỉnh (Regler) mạch điều khiển kín 2.1 Bộ điều chỉnh PID 2.2 Các kiểu điều chỉnh 2.2.1 Bộ điều chỉnh tỷ lệ (bộ P) 2.2.2 Bộ điều chỉnh tích phân (bộ I) 2.2.3 Bộ điều chỉnh tích phân – tỷ lệ (bộ PI) 2.2.4 Bộ điều chỉnh vi phân – tỷ lệ lý tưởng (bộ PD) 2.2.5 Bộ điều chỉnh vi – tích phân – tỷ lệ lý tưởng (bộ PID) 2.2.6 Bộ điều chỉnh PID thực tế 2.3 Lựa chọn điều chỉnh thích hợp cho mạch điều khiển khác Chương : Tính ổn đònh hệ thống điều khiển tuyến tính Các hình thức ổn đònh Tiêu chuẩn ổn đònh đại số 3.2.1 Điều kiện cần cho tính ổn đònh 3.2.2 Tiêu chuẩn Hurwitz 3.2.3 Tiêu chuẩn Routh Tiêu chuẩn ổn đònh đồ thò 3.3.1 Biểu đồ Nyquist 3.3.2 Tiêu chuẩn Nyquist đơn giản 3.3.3 Tiêu chuẩn Nyquist tổng quát 3.3.4 Biểu đồ Bode 3.3.5 Tiêu chuẩn Nyquist đơn giản biểu đồ Bode trang … … … 1 1 3 11 13 15 15 16 16 17 18 19 21 22 24 25 25 27 27 27 30 32 32 33 35 35 36 Chương : Các lệnh Matlab dùng khảo sát hệ thống điều khiển 4.1 Biến đổi hàm truyền đạt miền thời gian f(t) miền ảnh LaplaceF(s) 4.2 Mô tả khâu động học Matlab 4.2.1 Mô tả toán học phần tử dạng phân thức hữu tỷ 4.2.2 Mô tả toán học phần tử dạng cực – không 4.2.3 Mô tả toán học phần tử dạng phương trình trạng thái 4.2.4 Chuyển đổi qua lại dạng hàm truyền đạt 4.3 Hàm kết nối phần tử 4.3.1 Mô tả toán học hệ thống 4.3.2 Mô tả toán học hệ thống phức tạp 4.4 Các hàm tính toán biểu đồ đáp ứng theo thời gian 4.4.1 Đáp ứng bậc thang h(t) 4.4.2 Đáp ứng tín hiệu vào xung g(t) 4.4.3 Đáp ứng tín hiệu vào 4.4.4 Xác đònh đại lượng đặc trưng hệ thống 4.5 Các hàm tính toán biểu đồ đáp ứng tần số 4.5.1 Biểu đồ Bode 4.5.2 Biểu đồ Nyquist 4.6 Quỹ đạo nghiệm số Chương : Khảo sát chất lượng hệ dẩn động khí nén kín phương pháp mô thí nghiệm 5.1 Phương pháp khảo sát hệ thống điều khiển 5.2 Chọn mô hình hệ dẩn động khí nén điều khiển kín 5.2.1 Van tuyến tính hành trình 5.2.2 Bộ dẩn động khí nén trục thẳng 5.2.3 Chiết áp thẳng 5.3 Mô tả toán học phần tử hệ dẩn động khí nén 5.3.1 Hàm truyền đạt van tuyến tính 5.3.2 Hàm truyền đạt xy lanh dẩn động 5.3.3 Hàm truyền đạt chiết áp thẳng…………………………………………………………………… 5.4 Sơ đồ cấu trúc hệ dẩn động Simulink 5.4.1 Sơ đồ khối hệ dẩn động 5.4.2 Sử dụng Simulink để xây dựng khảo sát đáp ứng hệ thống điều khiển khí nén mạch kín 5.4.3 Sử dụng điều chỉnh PID cho hệ thống có Tổng kết đề nghò Phụ lục: Bảng biến đổi Laplace………………………………………………………………………………………………………… Mô hình toán học mô tả đặc tính động lực học hệ dẩn động xy lanh……… khí nén Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………………………………………………………………… 39 39 40 40 40 40 40 42 42 43 44 44 44 44 46 47 47 47 48 50 50 51 51 53 54 55 55 56 56 56 57 57 59 PHẦN MỞ ĐẦU Bối cảnh xuất phát: Sự nghiệp công nghiệp hóa nước ta vào giai đoạn hội nhập với kinh tế giới So với nước có công nghiệp tiên tiến, công nghiệp nước ta non trẻ.Tuy vậy, xu phát triễn chung, có lợi dễ tiếp nhận thông tin áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật đại; mà kỹ thuật điều khiển tự động động lực quan trọng Cùng với phát triễn công nghệ điện tử; công nghệ thông tin; điều khiển tự động nghiên cứu ngày ứng dụng nhiều lónh vực đời sống kinh tế Nó mang lại cho người tiện nghi; tính hiệu xác Nếu trước đây, cần thiết kế hệ thống điều khiển, người ta phải nhiều công sức tính toán chế tạo thử vô tốn kém; với công cụ toán học mạnh mẽ phần mềm Matlab ; công việc giảm nhẹ nhiều Và người ta mô hoạt động mô hình thiết kế để đánh giá tính khả thi hiệu hệ thống điều khiển.Điều góp phần đắc lực cho việc chế tạo thiết bò sau đạt hiệu kinh tế Vì việc đòi hỏi trường đại học trung tâm nghiên cứu kỹ thuật phải trước đáp ứng nhu cầu xã hội, qua việc xây dựng phát triễn ngành học hệ thống điều khiển tự động mô phỏng.Đó đònh hướng cho việc nghiên cứu đề tài luận án Mục đích nghiên cứu Việc nghiên cứu, khảo sát hệ thống điều khiển khí nén mạch kín bằn g phương pháp mô thực nghiệm, phần nhỏ, nhằm đưa đến việc đònh phương pháp khảo sát có tính ứng dụng kết hợp lý thuyết điều khiển tự động phần mềm Matlab Nó không dừng lại việc áp dụng vào giảng dạy cho bậc đại học, mà áp dụng cho bậc trung cấp kỹ thuật Điểm bật việc nghiên cứu theo đònh hướng thực hành tiêu chuẩn hoá phần tử điều khiển, không lónh vực điều khiển khí nén mà áp dụng lónh vực khác Nói cách khác việc khảo sát kết hợp thực nghiệm mô mang kết thực tế hơn, so với việc tính toán suông, điều mà người làm công tác kỹ thuật làm Giới hạn đề tài phương pháp nghiên cứu  Việc nghiên cứu đòi hỏi phải tìm hiểu nắm vững nhiều lónh vực chuyên môn; luận án giới hạn việc nghiên cứu khảo sát hệ dẩn động khí nén mạch kín; kết hợp lý thuyết điều khiển tự động phần mềm Matlab để xây dựng phương pháp khảo sát cho hệ thống liên tục đơn giản  Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp thực nghiệm; lấy số liệu kỹ thuật khai thác tiện ích Matlab để nhận kết khảo sát Trên sở xây dựng phương pháp khảo sát chung cho hệ thống điều khiển Chương 1: LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.1 Kỹ thuật điều khiển theo mạch kín (HTĐK kín) 1.1.1 Khái niệm kỹ thuật điều khiển theo mạch kín * : Điều khiển mạch kín trình mà đại lượng điều khiển (tín hiệu điều khiển) tạo so sánh liên tục với đại lượng khác gọi đại lượng chủ đạo (tín hiệu chủ đạo), theo hướng cân với đại lượng Ví dụ: Việc giữ nhiệt độ nước không đổi tắm vòi sen :Độ nóng lạnh nước thay đổi vào việc điều chỉnh vòi trộn đïc cảm nhận qua thể người ta cảm thấy phù hợp trình dừng lại.Ở đại lượng điều khiển nhiệt độ nước gọi giá trò thực; nhiệt độ nước mà thân ta cảm thấy phù hợp giá trò mong muốn (tín hiệu chủ đạo).Một có khác biệt hai đại lượng nói trình điều chỉnh tiếp tục Tất yếu tố tạo thành hệ thống điều khiển mạch kín trình bày theo sơ đồ cấu trúc H.1.1, ta gọi đại lượng vật lý trình điều khiển tín hiệu Khâu điều chỉnh Bộ đặt chỉnh Khâu đặt chỉnh Cơ cấu tác động Thiết bò đặt chỉnh Bộ điều chỉnh (Regler) Thiết bò điều khiển Khâu đo (sensor) H.1.1: Mạch điều khiển với điều chỉnh; đặt chỉnh cấu đo W Tín hiệu chủ đạo; z Nhiễu; x Tín hiệu điều khiển (tín hiệu phản hồi); y Tín hiệu đặt chỉnh; yR Tín hiệu từ điều chỉnh Việc điều khiển mạch kín thường có cấu trúc vòng với phản hồi đại lượng điều khiển x Hệ thống điều khiển bò nhiễu, ví dụ tăng nguồn nước lạnh từ bên nghóa lại xuất sai lệch nhiệt độ nước nhiệt độ mà ta mong muốn; ta lại phải vội vã điều chỉnh vòi trộn lần để thay đổi nhiệt độ nó; điều làm cho nước trở nên nóng lạnh Điều có ý nghóa hệ thống điều khiển bò dao động Đó điều ta cần lưu ý thực việc điều khiển theo mạch phản hồi.Ở trạng thái xác lập độ sai lệch điều khiển hệ thống phải nhỏ Khi có nhiễu có thay đổi tín hiệu chủ đạo, nghóa xuất độ sai lệch điều khiển tín hiệu điều khiển thay * Trong luận văn dùng cụm từ hệ thống điều khiển để mạch diều khiển kín trang đổi.Để tránh dao động hệ thống điều khiển thay đổi tín hiệu điề u khiển không xảy nhanh Để đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển người ta đặt khâu thành cụm H.1.2 mạch điều khiển gồm điều chỉnh (Regler) mạch điều khiển (thiết bò điều khiển)(Regelstrecke) H.1.2 w e x FR y Bộ điều chỉnh FS x Mạch điều khiển FR Hàm truyền đạt điều chỉnh FS Hàm truyền đạt mạch điều khiển H.1.2 Đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 1.1.2 Các dạng điều khiển theo mạch kín HTĐK kín chia làm:  Điều khiển tay: Ở có khâu HTĐK người đãm nhiệm  Tự điều khiển: Quá trình tham gia người ngoại trừ việc thiết đặt đại lượng chủ đạo Tiếp theo người ta phân biệt giữa:  Điều khiển theo giá trò cố đònh  Điều khiển tùy động (servo) Ở HTĐK theo giá trò cố đònh điều chỉnh có nhiệm vụ mang lại cân giá tri thực giá trò mong muốn.Sự tác động nhiễu lên hệ thống phải làm giảm tối đa có sai lệch bé.Ví dụ HTĐK khoảng cách cố đònh đầu cắt laser vật liệu đem cắt Ở HTĐK tùy động điều chỉnh có nhiệm vụ tác động cho đại lượng điều khiển thay đổi theo biến động đại lượng chủ đạo.Ví dụ: Hệ thống điều khiển vò trí dao cắt chi tiết gia công máy tiện trình gia công tự động Để đạt điều chỉnh tối ưu điều chỉnh, người kỹ thuật viên phải ý đến đặc tính động học (khả phản ứng) khuếch đại tín hiệu khâu điều chỉnh riêng (còn gọi khâu động học) hệ thống Đặc tính động học đïc mô tả số thời gian trò số nghòch đảo nó; tần số riêng khâu động học.Tần số riêng cao số thời gian nhỏ đặc tính động học HTĐK tốt.Độ khuếch đại tín hiệu xác đònh bỡi hệ số tỷ lệ K độ dốc đøng đặc tính Để xây dựng và điều chỉnh HTĐK cần phải biết tính chất khâu điều chỉnh điển hình hệ thống trang 1.2 Các khâu điều chỉnh điển hình HTĐK: Các đặc điểm khâu điều chỉnh cần ý sau:  Đáp ứng nhảy vọt theo tín hiệu bậc thang ngõ vào tín hiệu (Đáp ứng bậc thang)  Sự đáp ứng theo tín hiệu vào dạng hình sin  Biểu đồ Bode (Đặc tính tần số biên độ pha theo thang đo logarit) 1.2.1 Khâu tỷ lệ (Khâu P) Phương trình vi phân khâu tỷ lệ miền thời gian: a x r (t) = b0 x v (t) Trong đó: xr: Tín hiệu hay đại lượng xv: Tín hiệu hay đại lượng vào Hàm truyền đạt khâu P hàm độ miền ảnh Laplace sau: G(s)  xr ( s) bo 1   K P; H (s)  G(s)  K P xv ( s) ao s s (1.1) Biến đổi ngược ta hàm độ miền thời gian: S2  h(t )  K P1(t ) (1.2) H.1.3 đồ thò đáp ứng bậc thang khâu P ký hiệu khâu P: KP S1 S2 S1 Tín hiệu vào S2 Tín hiệu H.1.3: Đáp ứng bậc thang ký hiệu khâu tỷ lệ P Để xác đònh hệ số khuếch đại KP ta cần mối liên hệ toán học đại lượng vào S1 đại lượng S2, thường ta xác đònh mối liên hệ thực nghiệm từ đường đặc tính khâu P.Các tín hiệu vào S1 tín hiệu S2 đại lượng chuẩn hóa nghóa số đơn vò vật ly,ù mà ta nhận chia chúng cho đại lượng chuẩn KP  S2 S1 (1.3) 1.2.2 Khâu quán tính bậc (Khâu PT1) Khâu PT1 mô tả bỡi phương trình vi phân bậc sau: a1 dxr (t )  a0 xr (t )  b0 xv (t ) dt trang (1.4) Sau chia phương trình (1.4) cho a0 hàm truyền đạt có dạng theo tham số thời gian trễ T  b a1 hệ số khuếch đại KP  a0 a0 T dxr (t )  xr (t )  K P xv (t ) dt (1.5) X r (s) KP  X v ( s) (Ts  1) (1.6) Hàm truyền đạt khâu PT1: G(s)  Và hàm độ miền ảnh Laplace: H ( s)  KP (Ts  1) s (1.7) Hàm độ h(t) miền thời gian nhận từ biến đổi ngược Laplace: t   S2  h(t )  K P 1  e T    (1.8) Đáp ứng bậc thang ký hiệu khâu PT1 H.1.4 H.1.4: Đáp ứng bậc thang ký hiệu khâu quán tính bậc I (PT 1) Khâu PT1 có đặc tính lọc thông tần số thấp nghóa đáp ứng tín hiệu vào có tần số thấp.Đặc tính có tất khâu quán tính Hằng số thời gian xác đònh dựa vào đồ thò hàm độ ứng với điểm hàm độ h(t) đạt đïc 63% giá trò trạng thái xác lập (ổn đònh) nó.Khâu PT1 có điểm cực P thực nằm mặt phẳng bên trái mặt phẳng phức Khi tín hiệu vào có dạng hình sin khâu PT1 cho tín hiệu có dạng hình sin, tần số cao biên độ tín hiệu có tần số rât nhỏ, ví dụ: Sự nạp - phát tích lượng đạt mức thay đổi nhanh khâu PT1 làm mòn nhanh tín hiệu vào thay đổi Người ta gọi khâu PT1 lọc thông tần số thấp bậc cho tín hiệu tần số thấp qua, hạn chế tín hiệu tần số cao.(Tần số cao /0 >1 nghóa  =2f > 0 =2f0 ; tần số thấp /0 [...]... nhiều khâu điều chỉnh Trong mạch điều khiển thì việc truyền các tín hiệu theo cách; tín hiệu ra của khâu này là tín hiệu vào của khâu kế tiếp .Hệ số khuếch đại chung của một tín hiệu là kết quả của các hệ số khuếch đại riêng của các khâu thành phần trong hệ thống. Các hệ số khuếch đại riêng của các khâu điều chỉnh lại phụ thuộc vào tần số, vì vậy hệ số khuếch đại chung cũng phụ thuộc vào tần số Điều này... quát nhất của bộ điều chỉnh chuẩn; bộ PID H.2.1: Sơ đồ cấu trúc của một bộ điều chỉnh PID lý tưởng Hàm truyền đạt của bộ PID tổng quát như sau: GR ( s)  U R (s) K  KR  KD s  I E ( s) s (2.1) Khi thiết kế các hệ thống điều khiển người ta thường dùng bộ điều chỉnh chuẩn.Việc lựa chọn bộ điều chỉnh phụ thuộc vào cấu trúc của mạch điều khiển; đặc tính tỷ lệ P hoặc đặc tính tích phân I, và theo các tiêu... các tiêu chuẩn mà ta mong có ở các mạch điều khiển kín:  Tính ổn đònh; nghóa là phạm vi làm việc chung luôn ổn đònh và độ dự trữ ổn đònh phải đủ đối với sự thay đổi đặc tính tín hiệu chủ đạo (đặc tính chủ đạo hay đặc tính dẩn hướng) và đặc tính nhiễu  Ở trạng thái tónh thì sai lệch điều chỉnh do tác động của tín hiệu chủ đạo và nhiễu gần bằng 0  Hệ thống điều khiển không quá nhạy đối với những dao... động của tín hiệu chủ đạo và nhiễu phải tốt, nghóa là đáp ứng bậc thang của tín hiệu được điều khiển phải có tính chất giảm chấn và ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu được điều khiển là rất ít  Thời gian đạt giá trò h lần đầu tiên (giá trò h ở trạng thái hệ ổn đònh hay xác lập) tr = T và thời gian mà đáp ứng của hệ dần đi vào giá trò ổn đònh ts=T5% ( h  h ) phải ngắn; và độ dao động vượt quá giá...  1   2   n Với: S1i: Tín hiệu vào khâu thứ I; S2i: Tín hiệu ra của khâu thứ i Ví dụ tính toán dựa vào biểu đồ Bode của các khâu điều chỉnh cơ bản: Một hệ thống điều khiển gồm các khâu: Bộ dẩn động với sự khuếch đại như khâu PT1;trục truyền động chạy dao với bàn xa dao như 1 khâu I và 1 hệ thống đo hành trình với sự truyền tín hiệu số như khâu Tt Những đại lượng đặc trưng như sau:  KP = 2; T1=... dt dt (1.11) Phương trình vi phân bậc 2 biểu diễn một quá trình dao động, nếu phương trình đặc tính của phương trình vi phân thuần nhất có những cặp nghiệm phức liên hợp.Một cách tổng quát trong kỹ thuật điều khiển ta sử dụng công thức sau: d 2 xr (t ) dx (t )  20 r  02 xr (t )  Kxv (t ) 2 dt dt trang 5 (1.12) Trong đó : 0 :Tần số góc (tần số riêng) của hệ thống không giảm chấn  : Hệ số giảm... vào.(H.1.10 và H.1.11) trang 8 KP S2 D= : Hệ số giảm chấn 1/0 H.1.10 Đáp ứng bậc thang của khâu dao động H.1.11 Đặc tính của khâu PT2 và khâu dao động khi tín hiệu vào hình sin Tín hiệu ra của khâu PT2 và cả khâu dao động đều lệch pha so với tín hiệu vào Góc lệch pha thay đổi từ   0o khi   0 đến   180o khi    Khi   0  2 f0 thì   900 Ngoài ra góc lệch pha  cũng phụ thuộc vào hệ số giảm... phân quán tính nghóa là phương trình vi phân phải thoả điều kiện mn Ví dụ khâu vi phân quán tính bậc 1 được mô tả bằng phương trình vi phân sau: a1 dx (t ) dxr (t )  a0 xr (t )  b1 v ; m  m dt dt (1.29) Ở đây bậc m và bậc n của phân thức tử và mẫu đều = 1.Hàm truyền đạt trong miền ảnh G(s): G(s)  X r (s) KD s  X v ( s) Ts  1 trang 11 (1.30) Hàm quá độ trong miền ảnh và miền thời gian như sau:... 3  280 Hệ số khuếch đại tổng khi tần số f = 10Hz S2tong S1tong  1, 7  0,83  1, 41 Góc lệch pha tổng tong  350  900  280  1530 trang 14 Chương 2: BỘ ĐIỀU CHỈNH (REGLER) VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KÍN 2.1 Bộ điều chỉnh PID Bộ PID dùng trong công nghiệp thừờng có đặc tính mà hàm truyền đạt của nó có dạng tỷ lệ hoặc tích phân; hoặc có cấu tạo bên trong là mạch song song từ 3 khâu P; I và D Hình 2.1... đồ Bode của khâu PT1 H.1.6: Đặc tính của khâu PT1 khi tín hiệu vào dạng hình sin 1.2.3 Khâu quán tính bậc 2 (khâu PT2) Khâu PT2 được mô tả bằng phương trình vi phân bậc 2 sau: d 2 xr (t ) dx (t ) a2  a1 r  a0 xr (t )  b0 xv (t ) 2 dt dt (1.9) Biến đổi phương trình (1.9) cùng với các tham số: hệ số khuếch đại K P ; hằng số thời gian T1 và T2 b a a (1.10) K P  0 ; T1  1 ; T2  2 a0 Ta được: T22 a0 ... đạo nghiệm số Chương : Khảo sát chất lượng hệ dẩn động khí nén kín phương pháp mô thí nghiệm 5.1 Phương pháp khảo sát hệ thống điều khiển 5.2 Chọn mô hình hệ dẩn động khí nén điều. .. học hệ thống điều khiển tự động mô phỏng. Đó đònh hướng cho việc nghiên cứu đề tài luận án Mục đích nghiên cứu Việc nghiên cứu, khảo sát hệ thống điều khiển khí nén mạch kín bằn g phương pháp mô. .. sát hệ dẩn động khí nén mạch kín; kết hợp lý thuyết điều khiển tự động phần mềm Matlab để xây dựng phương pháp khảo sát cho hệ thống liên tục đơn giản  Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp thực nghiệm;