Thiết kế bộ điều khiển trạng thái cho động cơ DC

Đồ án điều khiển tự động Thiết kế hệ thống điều khiển hồi tiếp cho động cơ DC Bài viết gồm các phần: Sơ đồ nguyên lý và mô hình toán học động cơ DC Chuyển đổi từ phi tuyến sang tuyến tính dựa vào mô hình toán học Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái. Mô phõng Matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ MIỀN ĐÔNG KHOA KĨ THUẬT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ DC GVHD: Sử Khắc Huân Nhóm : Trương Thành Phát 1241100024 Nguyễn Đình Trường 1241110019 Mai Quốc Huy 1131100021 Bình Dương, ngày 07 tháng 06 năm 2016 TÓM TẮT Đại Học Quốc Tế Miền Đông Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển (HTĐK) có vai trò quan trọng việc phát triển tiến kỹ thuật công nghệ văn minh đại Thực tế khía cạnh hoạt động ngày bị chi phối vài loại hệ thống điều khiển Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, hệ thống giao thông, hệ thống lượng,robot, Với tập lớn em xin giới thiệu ảnh hưởng điều khiển sớm trể pha lên hệ thống điều khiển Trong trình thực tập không tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp quý thầy cô để tập hoàn thiện Đại Học Quốc Tế Miền Đông LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực tập lớn, với hướng dẫn tận tình giảng viên nỗ lực không ngừng nhóm, đến nhiệm vụ chúng em hoàn thành Mặc dù cố gắng để tìm hiểu, tính toán, thiết kế mô hình việc mắc phải sai sót điều tránh khỏi, chúng em mong nhận góp ý bảo giảng viên môn để tập lớn hoàn thiện Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn quan tâm hướng dẫn tận tình thầy Sử Khắc Huân-giảng viên Khoa Kỹ Thuật Trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông Cảm ơn Thầy dành thời gian lắng nghe bảo giúp em nhận sai sót giải đáp thắc mắc Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Quốc Tế Miền Đông bạn sinh viên khoa hỗ trợ cho nhóm em kiến thức, ý tưởng đầy bổ ích Em xin chân thành cảm ơn !!! Đại Học Quốc Tế Miền Đông NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Bình Dương, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hướng dẫn Đại Học Quốc Tế Miền Đông NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: Bình Dương, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện Đại Học Quốc Tế Miền Đông MỤC LỤC TÓM TẮT……………………………………………………………………………… LỞI CẢM ƠN…………………………………………………………………………3 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT…………………………………………………7 Giới thiệu động DC…………………………………………….………7 1.1 Khái niệm động DC………………………………………………….7 1.2 Phương pháp điều khiển động cơ……………………………………….……7 1.3 Hình dạng thực tế sơ đồ nguyên lý………………………………… … Giới thiệu matlab………………………………………………………………10 Hệ thống tuyến tính hệ thống phi tuyến……………………………… ……11 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC, TUYẾN TÍNH HÓA MÔ HÌNH…… 12 Mô hình tổng quát………………………………………………… 12 Phương trình đại số…………………………………………… ….13 Chuyển đổi phi tuyến sang tuyến tính…………………… 16 CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ………………………………… Điều khiển trạng thái hồi tiếp………………………………….19 Mô matlab…………………………………………….21 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, SO SÁNH………………………………… CHƯƠNG 5: HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………………………………………… CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giới thiệu động DC: Đại Học Quốc Tế Miền Đông 1.1 Khái niệm động DC: Động điện chiều loại máy điện biến điện dòng chiều thành Ở động chiều từ trường từ trường không đổi Để tạo từ trường không đổi người ta dùng nam châm vĩnh cửu nam châm điện cung cấp dòng điện chiều Động điện chiều phân loại theo kích từ thành loại sau: • Kích từ độc lập • Kích từ song song • Kích từ nối tiếp • Kích từ hỗn hợp Công suất lớn máy điện chiều vào khoảng 5-10 MW Hiện tượng tia lửa cổ góp hạn chế tăng công suất máy điện chiều Cấp điện áp máy chiều thường 120V, 240V, 400V, 500V lớn 1000V Không thể tăng điện áp lên điện áp giới hạn phiến góp 35V 1.2 Phương pháp điều khiển động DC: Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng cấu trúc mạch lạc, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao Thực tế có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động điện chiều: • • Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kich từ động 1.3 Hình đạng thực tế sơ đồ nguyên lý động DC: Đại Học Quốc Tế Miền Đông Động DC thực tế Đại Học Quốc Tế Miền Đông Sơ đồ nguyên lý động DC Trong đó: Va Ra La ωa : Điện áp vào (V) :Điện trở ( Ω ) : Độ tự cảm cuộn dây phần ứng (H) : Vận tốc quay phần ứng (rad/s) ia : Dòng diện phần ứng (A) Vc : Sức điện động Đại Học Quốc Tế Miền Đông Giới thiệu Matlab: MATLAB môi trường tính toán số lập trình, thiết kế công ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực thuật toán, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngôn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải toán tính toán kĩ thuật so với ngôn ngữ lập trình truyền thống C, C++,và Fortran MATLAB sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kĩ sư nhà khoa học làm việc môi trường công nghiệp môi trường hàn lâm, MATLAB ngôn ngữ tính toán khoa học MATLAB điều khiển tập lệnh, tác động qua bàn phím Nó cho phép khả lập trình với cú pháp thông dịch lệnh – gọi Script file Các lệnh hay lệnh MATLAB lên đến số hàng trăm ngày mở rộng phần TOOLS BOX( thư viện trợ giúp) hay thông qua hàm ứng dụng xây dựng từ người sử dụng Trong chúng em sử dụng MATLAB R2011a để mô hệ thống 10 Đại Học Quốc Tế Miền Đông Hệ thống tuyến tính - Hệ thống phi tuyến Hệ thống tuyến tính không tồn thực tế, tất hệ thống vật lý phi tuyến Hệ thống điều khiển tuyến tính mô hình lý tưởng để đơn giản hóa trình phân tích thiết kế hệ thống Khi giá trị tín hiệu nhập vào hệ thống nằm giới hạn mà phần tử hoạt động tuyến tính (áp dụng nguyên lý xếp chồng), hệ thống tuyến tính Nhưng giá trị tín hiệu vào vượt vùng hoạt động tuyến tính phần tử hệ thống, xem hệ thống tuyến tính Tất hệ thống thực tế có đặc tính phi tuyến, ví dụ khuếch đại thường có đặc tính bão hòa tín hiệu vào trở nên lớn, từ trường động có đặc tính bão hòa Trong truyền động khí đặc tính phi tuyến thường gặp phải khe hở vùng chết bánh răng, đặc tính ma sát, đàn hồi phi tuyến Các đặc tính phi tuyến thường đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lượng hay tăng hiệu điều khiển Ví dụ để đạt thời gian điều khiển tối thiểu hệ thống tên lửa hay điều khiển phi tuyến người ta sử dụng điều khiển on-off (bang-bang hay relay) Các ống phản lực đặt cạnh động để tạo mômen phản lực điều khiển Các ống thường điều khiển theo kiểu full on - full off, nghĩa lượng khí nạp vào ống định trước khoảng thời gian xác định, để điều khiển tư phi tuyến 11 Đại Học Quốc Tế Miền Đông CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH Mô hình tổng quát: • ωa La Trong đó: : Vận tốc quay phần ứng (rad/s) : Độ tự cảm cuộn dây phần ứng (H) ia : Dòng diện phần ứng (A) Vc : Suất điện động 12 Đại Học Quốc Tế Miền Đông Phương trình đại số: Theo K2 ta có : • Va − VRa − VLa − Vc = • (1) Theo định luật Ohm ta có: VRa = ia Ra VLa = La (2) d ia dt (3) Vc = kv ωa • (4 Trong : kv : Hằng số vận tốc xác định từ thông nam châm, trở kháng lõi sắt phần ứng số vòng quay cuộn dây phần ứng ωa La : Vận tốc quay phần ứng (rad/s) : Độ tự cảm cuộn dây phần ứng (H) ia : Dòng diện phần ứng (A) • Từ (1)(2)(3)(4) ta có pt sau: Va − ia Ra − La  • d ia − kvωa = dt R k V d ia = − a ia − v ωa + a dt La La La Theo định luật Newton ta có : 13 Đại Học Quốc Tế Miền Đông Te − Tω ' − Tω − TL = Trong đó: • Te : Momen điện từ Tω ' Tω (5) : Momen gia tốc quay phần ứng : Momen xoắn sinh từ vận tốc phần ứng TL : Momen tải • Ngoài ra: Te = kt ia Tω ' = J (6) d ωa dt Tω = Bωa • (7) (8) Trong đó: kt : Hằng số momen xoắn J: Momen quán tính B: ma sát tải • Từ(5)(6)(7)(8) ta có phương trình sau: kt ia − J d ωa − Bωa − TL = dt k d B T ωa = t ia − ωa + L dt J J J  Chuyển đổi phi tuyến sáng tuyến tính 14 Đại Học Quốc Tế Miền Đông • Ta có: Ra k V I& ia − v ωa + a a =− La La La ω&a = • kt B T ia − ωa − L J J J Đặt  x&1 = I&  x1 = I a a ⇒   x = ωa  x&2 = ω&a Ra kv Va  & x = − x − x +  La La La   x&2 = kt x1 − B x − TL  J J J CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Điều khiển hồi tiếp trạng thái:  x&1 = I&a  x1 = I a ⇒   x&2 = ω&a  x = ωa 15 Đại Học Quốc Tế Miền Đông Ra kv % & % % % x = − x − x + U = ∂f1  La La La  B  & kt = x% − x% = ∂f  x% J J    = ∂h  y = x%  −1000 −10  A%=    0,56 10  B%=   0 det ( λ I − Ac ) =  λ   −1000 −10  10   det   − +   [ Kc1 Kc 2] ÷ =    0   λ   0,56   λ + 1000 10 10 Kc1 10 Kc   det   + ÷= λ   0     −0,56  λ + 1000 + 10 Kc1 10 + 10 Kc   det    ÷= −0,56 λ   ⇒ λ (λ + 1000 + 10 Kc1) + 0,56(10 + 10 Kc 2) = ⇔ λ + 1000λ + 10 Kc1 + 5,6 + 5,6 Kc = (1) 16 Đại Học Quốc Tế Miền Đông  −ξπ  POT = exp  ÷ = 0,08  1− ξ ÷   ξπ ⇔ ln 0,08 = ⇒ ξ = 0,626 1−ξ tg = 3 ⇔3= ⇒ ωn = 1,6 ξωn 0,626* ωn S1,2 = ξωn ± jωn ( 1−ξ ) = −1 ± 1, 25 j n ∏( S − Si ) = i =1 ⇒ ( S − (−1 + 1, 25 j ))( S − (−1 − 1, 25 j ) = ⇔ ( S + − 1, 25 j )( S + + 1, 25 j ) = ⇔ S + S + 1, 25Sj + S + + 1, 25 j − 1, 25Sj − 1, 25 j + 1,56 ⇔ S + 2S + 2,56 = (2) Từ (1) (2) ta có: 1000 + 10 Kc1 = 5,6 + 5,6 Kc = 2,56 Kc1 = −99,8 ⇔{ Kc = −0,54 ⇒{ Mô matlab: 17 Đại Học Quốc Tế Miền Đông CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 18 Đại Học Quốc Tế Miền Đông • Kết quả: • Nhận xét: Sau kết nối điều khiển hồi tiếp trạng thái vào hệ thống,giá trị hệ thống tiến giá trị mong muốn với POT thời gian độ gần với giá trị cài đặt Tuy nhiên phần sai số nhỏ làm tròn số trình tính toán 19 Đại Học Quốc Tế Miền Đông CHƯƠNG 5: HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua tập lớn này, em hiểu cách lập trình thiết kế điều khiển ảnh hưởng thành phần điều khiển hồi tiếp, nắm vũng kiến thức môn Điều khiển tự động Mặc dù tồn số hạn chế chưa thể tổng hợp hết tất trường hợp đặc biệt tối ưu hóa, nhiên đề tài mở rộng với nhiều động đồng với 20 [...]... này này, em đã hiểu được cách lập trình và thiết kế những bộ điều khiển và ảnh hưởng của từng thành phần trong bộ điều khiển hồi tiếp, cũng như nắm vũng hơn kiến thức về môn Điều khiển tự động Mặc dù còn tồn tại một số hạn chế như chưa thể tổng hợp hết tất cả các trường hợp đặc biệt và tối ưu hóa, tuy nhiên đề tài này có thể mở rộng với nhiều động cơ đồng bộ với nhau 20 ... là tối thiểu trong các hệ thống tên lửa hay điều khiển phi tuyến người ta sử dụng bộ điều khiển on-off (bang-bang hay relay) Các ống phản lực được đặt cạnh động cơ để tạo ra mômen phản lực điều khiển Các ống này thường được điều khiển theo kiểu full on - full off, nghĩa là một lượng khí nạp vào một ống định trước trong khoảng thời gian xác định, để điều khiển tư thế của phi tuyến 11 Đại Học Quốc Tế... dụ bộ khuếch đại thường có đặc tính bão hòa khi tín hiệu vào trở nên quá lớn, từ trường của động cơ cũng có đặc tính bão hòa Trong truyền động cơ khí đặc tính phi tuyến thường gặp phải là khe hở và vùng chết giữa các bánh răng, đặc tính ma sát, đàn hồi phi tuyến Các đặc tính phi tuyến thường được đưa vào HTĐK nhằm cải thiện chất lượng hay tăng hiệu quả điều khiển Ví dụ như để đạt thời gian điều khiển. .. và (2) ta có: 1000 + 10 Kc1 = 2 5,6 + 5,6 Kc 2 = 2,56 Kc1 = −99,8 ⇔{ Kc 2 = −0,54 ⇒{ 2 Mô phỏng matlab: 17 Đại Học Quốc Tế Miền Đông CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 18 Đại Học Quốc Tế Miền Đông • Kết quả: • Nhận xét: Sau khi kết nối bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái vào hệ thống,giá trị hệ thống tiến về giá trị mong muốn với POT và thời gian quá độ gần với giá trị cài đặt Tuy nhiên vẫn còn một phần sai... thống vật lý đều là phi tuyến Hệ thống điều khiển tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn giản hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thống Khi giá trị của tín hiệu nhập vào hệ thống còn nằm trong giới hạn mà các phần tử còn hoạt động tuyến tính (áp dụng được nguyên lý xếp chồng), thì hệ thống còn là tuyến tính Nhưng khi giá trị của tín hiệu vào vượt ra ngoài vùng hoạt động tuyến tính của các phần tử và... B T ia − ωa − L J J J Đặt  x&1 = I&  x1 = I a a ⇒   x 2 = ωa  x&2 = ω&a Ra kv Va  & x 1 = − x 1 − x 2 +  La La La   x&2 = kt x1 − B x 2 − TL  J J J CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1 Điều khiển hồi tiếp trạng thái:  x&1 = I&a  x1 = I a ⇒   x&2 = ω&a  x 2 = ωa 15 Đại Học Quốc Tế Miền Đông Ra kv 1 % & % % % x 1 = − x 1 − x 2 + U = ∂f1  La La La  B  & kt 2 = x% 1 − x% 2 = ∂f 2 ... CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ TUYẾN TÍNH MÔ HÌNH 1 Mô hình tổng quát: • ωa La Trong đó: : Vận tốc quay của phần ứng (rad/s) : Độ tự cảm của cuộn dây phần ứng (H) ia : Dòng diện phần ứng (A) Vc : Suất điện động 12 Đại Học Quốc Tế Miền Đông Phương trình đại số: Theo K2 ta có : 2 • Va − VRa − VLa − Vc = 0 • (1) Theo định luật Ohm ta có: VRa = ia Ra VLa = La (2) d ia dt (3) Vc = kv ωa • (4 Trong đó : kv : Hằng