NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TỰ ĐỘNG PHÂN CHIA TẢI CHO 2 DIESEL CHÍNH LÀM VIỆC SONG SONG BẰNG VIỆC ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍN HIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TỰ ĐỘNG PHÂN CHIA TẢI CHO DIESEL CHÍNH LÀM VIỆC SONG SONG BẰNG VIỆC ỨNG DỤNG BỘ LỌC TÍN HIỆU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: CẤP TRƯỜNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: PGS.TS Lưu Kim Thành Các thành viên tham gia: Th.S Đỗ Văn A Th.S Nguyễn Xuân Trụ HẢI PHÒNG 04/2016 MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG I MỞ ĐẦU II NỘI DUNG Chương NHIỆM VỤ CHUNG KHI PHÂN CHIA TẢI CHO CÁC DIESEL LÀM VIỆC SONG SONG 1 Đặt vấn đề 1.2 Nguyên tắc chung để thực phân chia tải Diesel làm việc song song 1.3 Thuật toán cấu hình khâu phục vụ cho việc phân chia tải Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỰ ĐỘNG PHÂN CHIA TẢI GIỮA HAI DIESEL LAI CHUNG CHÂN VỊT 2.1 Tính chọn tham số hệ Diesel – chân vịt 15 2.2 Mô dùng tín hiệu Mc hai Diesel 16 2.3 Mô dùng tín hiệu điều chỉnh Ur 27 2.4 Quá trình khởi động cân tải Diesel khác thời điểm 32 2.5 Quá trình khởi động phân tải không cân Diesel khác thời điểm 2.6 Quá trình tự động cân tải thay đổi tín hiệu đặt trước tốc độ 39 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 15 41 I MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trên tàu thuỷ thường trang bị động lai chân vịt hầu hết sử dụng hai động Diesel Khi sử sụng hai Diesel lai chung chân vịt việc phân chia tải chúng laic cần thiết Bởi trình làm việc song song xảy tượng tranh cướp tải nhau, trí Diesel trở thành tải Diesel Khi xảy tượng tải cho Diesel, Diesel đối tượng có hệ số tải thấp nên dẫn tới rời khỏi công tác song song chúng Mặt khác việc khai thác hợp lý hai Diesel lai chung chân vịt người vận hành quan tâm Vì thông số chúng chưa giữ chủng loại (cùng nhãn mác) Trên giới nhiều hãng chế tạo thành công hệ thống điều khiển tự động phân chia tải Diesel lai chung chân vịt theo tín hiệu mô men cản (MC ) [6], theo tín hiệu (UR) từ điều tốc điện tử [7], [8] Trong nước chưa có nhà máy chế tạo hệ thống điều khiển tự động phân chia tải Diesel lai chung chân vịt Các công trình nghiên cứu ít, trường đại học Hàng hải Việt Nam có công trình nghiên cứu vấn đề [1] [5] Kết nghiên cứu trình tự động phân chia tải theo tín hiệu MC theo UR trình bày [1] Cũng theo [1] cho thấy khả điều khiển theo tín hiệu từ điều chỉnh tốc độ có dạng PID gặp điều bất lợi đặc tính tín hiệu chúng theo thời gian thường có dạng bất thường (phi chu kỳ, biên độ không có biến động lớn) Hai tín hiệu dạng gây khó khăn cho việc so sánh lựa chọn theo thuật toán cực đại [1] khối tự động phân chia tải Để giải khó khăn cần thiết phải xử lý dạng tín hiệu UR điều chỉnh tốc độ nhờ mạch lọc thông thấp (LPF) Xuất phát từ nhu cầu nâng cao chất lượng điều khiển tự động phân chia tải hai động Diesel lai chân vịt tàu thuỷ mà nhóm tác giả chọn hướng đề tài: “ Nâng cao chất lượng hệ tự động phân chia tải cho Diesel làm việc song song việc ứng dụng lọc tín hiệu.” Mục đích đề tài Nghiên cứu lựa chọn lọc dùng để xử lý tín hiệu hai điều tốc nhằm nâng cao chất lượng điều khiển tự động phân chia tải hai động Diesel công tác song song lai chân vịt tàu thuỷ Phương pháp nghiên cứu đề tài - Thông qua việc phân tích dạng độ UR điều chỉnh tốc độ hệ điều khiển tự động phân chia tải hai động Diesel công tác song song, tiến hành lựa chọn mạch lọc đơn giản phù hợp cho việc ứng dụng sau này; - Sử dụng phần mềm Simuling / Matlab để mô trình sử lý tín hiệu điều tóc vài lọc thông thấp (LPF) với thông số khác Lựa chọn thông số phù hợp cho việc xử lý tín hiệu điều tốc - Đưa đánh giá loại lọc thông thấp nghiên cứu đưa định lựa chọn mô hình lọc LPF cho hệ thống tự động phân chia tải Diesel lai chung chân vịt Cuối nghiên cứu hệ với lọc LPF Simuling / Matlab để đưa kết luận Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Đề tài thực thành công sở lý luận hỗ trợ cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển tự động phân chia tải động Diesel công tác song song lai chân vịt tàu thuỷ - Đồng thời góp phần nâng cao kỹ sử dụng khai thác hệ thống điều khiển từ xa tự động phân chia tải cho Diesel công tác song song lai chân vịt tàu thuỷ - Nội dung nghiên cứu không mang tính chất tài liệu tham khảo cho cán KHKT, mà góp phần hỗ trợ cho SV tìm hiểu sâu vấn đề tự động phân chia tải cho Diesel công tác song song II NỘI DUNG Chương BỘ LỌC TIN HIỆU 1.1 Khái quát lọc (Filter) 1.1.1/ Chức lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ loại bỏ mà không cần thiết Trong hệ thống kiểm tra, đo lường, điều khiển thường thấy lọc làm nhiệm vụ loại bỏ nhiễu ảnh hưởng đến kết đo lường, điều khiển Tuy nhiên mong muốn loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng nhiễu (bởi nhiễu bao gồm nhiều sóng hài với dải tần số rộng), mà giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu sinh Ngoài lọc có chức khác lĩnh vực sử dụng tín hiệu, loại bỏ liệu không cần thiết, lợi cho trình sử lý tín hiệu Trong trình điều khiển tín hiệu điều khiển PID thường có dạng đặc tính bất thường (phi chu kỳ, biên độ không có biến động lớn) [1] giới thiệu hình 1.1 Với tín hiệu điều khiển có dạng biến động bất thường gây trở ngại lớn cho việc điều khiển, cần thực việc tự động phân chia tải cho đối tượng làm việc song song Do cần thiết sử dụng lọc phù hợp để tạo đặc tính có dạng đơn giản hơn, dễ sử dụng Hình 1.1 Dạng tín hiệu điều khiển PID thực phân chia tải Diesel lai chung tải 1.1.2/ Phân loại lọc Phân loại lọc dựa theo dải tần tín hiệu cần lọc, ta có: + Bộ lọc thông thấp (LPF – Low Pass Filter) cho tín hiệu có tần số khoảng [0÷fcutoff] qua, tín hiệu có tần số f > fcutoff bị chặn lại ( bị loại bỏ); + Bộ lọc thông cao (HPF – High Pass Filter) cho tín hiệu có tần số f > fcutoff qua, tín hiệu có tần số f < fcutoff bị chặn lại ( bị loại bỏ); + Bộ lọc thông dải (BPF – Band Pass Filter) cho tín hiệu có tần số dải (một khoảng) qua, tín hiệu có tần số nằm dải tần bị chặn lại; + Bộ lọc dải chặn (BSF – Band Stop Filter) có chức ngược lại so với lọc thông dải; Căn theo có hay không sử dụng nguồn điện mà tương ứng ta phân lọc chủ động hay bị động: + Trong lọc bị động thường sử dụng mạch gồm điện trở, điện cảm điện dung Tuy nhiên để lọc có cấu trúc đơn giản gọn nhẹ người ta thường dùng mạch RC + Các lọc chủ động (còn gọi mạch lọc tích cực – Active) thường sử dụng mạch khuếch đại thuật toán (OP.AMP) kết hợp với tổ hợp RC Ngoài lọc tương tự Butterworth, Chebyshev, Elip (Cauer) có lọc số như: FIR, IIR, Kalman… Chúng sử dụng hệ thống số Tuy nhiên quan tâm đến xử lý tín hiệu để nhận dạng tín hiệu mong muốn từ dạng biến động liên tục (hinh 1.1) Mà tín hiệu mong muốn tín hiệu có tần số thấp Vì sau ta quan tâm đến dạng lọc thông thấp (LPF) 1.2 Bộ lọc thông thấp (LPF) 1.2.1 Bộ lọc thông thấp bậc thụ động Bộ lọc thông thấp bậc thụ động đơn giản sử dụng mạch RC sơ đồ hình 1.2 Chúng ta dễ dàng xác định hàm truyền mạch lọc thụ động RC hình 1.2.a từ phương trình toán tử tín hiệu vào [2]: UV(s) = I(s).R + I(s)/Cs UR(s) = I(s)/Cs Từ suy ra: UV(s) = UR(s).(1+RCs) = UR(s).(1+Ts) với số thời gian T = RC (a) (b) Hình 1.2 Sơ đồ mạch lọc thụ động bậc Hay ta có hàm truyền mạch lọc RC hình 1.2.a: 𝑈𝑅 (𝑠) 𝑊(𝑠) = = (1.1) 𝑈𝑉 (𝑠) + 𝑇𝑠 Tương tự ta xác định hàm truyền mạch lọc thụ động RC hình 1.2.b: UV(s) = I(s).R + I(s).R1 + I(s)/Cs UR(s) = I(s)/Cs + I(s).R1 Từ suy hàm truyền mạch lọc RC hình 1.2.b có dạng: 𝑈𝑅 (𝑠) + 𝑇2 𝑠 𝑊(𝑠) = = (1.2) 𝑈𝑉 (𝑠) + 𝑇𝑠 Trong T1 = R1 C; T2 =R2 C T = T1 + T2 ; Theo (1.1) (1.2) với T > T2 mạch lọc thông thấp bậc thụ động RC có tính tích phân Khi R2 = T2 = làm khâu vi phân lọc 1.2.2 Bộ lọc thông thấp bậc thụ động Từ hàm truyền (1.1) mạch lọc hình 1.2.a tạo hàm truyền lọc thông thấp thụ động bậc hai có dạng: 𝑈𝑅 (𝑠) 𝑊(𝑠) = = (1.3) 𝑈𝑉 (𝑠) + 𝑎1 𝑠 + 𝑎2 𝑠 Chúng ta hoàn toàn tạo lọc LPF bậc cao tùy ý giá trị tần số cắt fcutoff khác tần số cắt mắt lọc thành phần [3] Nói chung lọc thông thấp thụ động có ưu điểm lớn cấu trúc đơn giản, lại có nhược điểm hệ số truyền luôn biểu thức (1.1) ÷ (1.3) mà thường nhỏ Sự suy giảm hệ số truyền sụt áp điện trở R tải cửa lọc không lớn 1.2.3 Bộ lọc thông thấp bậc chủ động (tích cực) Để khắc phục nhược điểm lọc thông thấp thụ động người ta dùng mạch lọc tích cực (Active) sử dụng phương án sau: + Mắc mạch lặp dùng khuếch đại thuật toán vào cửa lọc với tải (hình 1.3); Hình 1.3 Bộ lọc LPF sử dụng mạch lặp với OP.AMP + Sử dụng lọc thông thấp chủ động dùng OP.AMP với tổ hợp mạch RC mạch vào nhiều vòng phản hồi “-“ “+” (hình 1.4) Trên hình 1.4.a giới thiệu mạch LPF bậc với vòng phản hồi âm Hàm truyền mạch có dạng (1.4)[4]: 𝑈𝑅 (𝑠) 𝑊(𝑠) = = (1.4) 𝑈𝑉 (𝑠) + 2𝜔𝑐 𝑅𝐶1 𝑠 + 𝜔𝑐2 𝑅2 𝐶1 𝐶2 𝑠 Trong tần số cắt : 𝜔𝑐 = 𝑅 𝐶1 𝐶2 Hình 1.4 Bộ lọc LPF sử dụng mạch OP.AMP Hàm truyền mạch LPF bậc với hai vòng phản hồi âm (hình 1.4.b) có dạng (1.5) [4]: 𝑈𝑅 (𝑠) 𝑅2 ⁄𝑅1 𝑊(𝑠) = = (1.5) 𝑅2 𝑅3 𝑈𝑉 (𝑠) 2 + 𝜔𝑐 𝐶1 (𝑅2 + 𝑅3 + )𝑠 + 𝜔𝑐 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 𝑠 𝑅1 Hàm truyền mạch LPF bậc với vòng phản hồi dương (hình 1.4.c) có dạng (1.6) [4]: 𝑈𝑅 (𝑠) 𝑊(𝑠) = 𝑈𝑉 (𝑠) 𝐾 = (1.6) + 𝜔𝑐 [𝑅1 𝐶1 + 𝑅2 𝐶1 + (1 − 𝐾)𝑅1 𝐶2 ]𝑠 + 𝜔𝑐2 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 𝑠 Trong tần số cắt : 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 Còn hệ số khuếch đại K mạch có giá trị (K = 1) điện trở phản hồi bị ngắn mạch Rph = Kết luận: Theo hàm truyền lọc thông thấp từ (1.1) đến (1.6) ta viết dạng tổng quát sau: + Đối với lọc thông thấp bậc 1: 𝑈𝑅 (𝑠) + 𝑏1 𝑠 𝑊(𝑠) = = 𝑉ớ𝑖 ≤ 𝑏1 ≪ 𝑎1 (1.7) 𝑈𝑉 (𝑠) + 𝑎1 𝑠 + Đối với lọc thông thấp bậc 2: 𝑈𝑅 (𝑠) + 𝑏1 𝑠 𝑊(𝑠) = = (1.8) 𝑈𝑉 (𝑠) + 𝑎1 𝑠 + 𝑎2 𝑠 𝜔𝑐 = 1.3 Ảnh hưởng hệ số bj tới phản ứng lọc (LPF) 1.3.1 Ảnh hưởng hệ số a1 Trước tiên ta xét lọc LPF bậc có hàm truyền dạng (1.7) với hệ số b1=0 Khi hàm truyền lọc LPF hàm truyền khâu quán tính bậc hệ số a1 đóng vai trò số thời gian độ Nếu tăng hệ số a1 đáp ứng tín hiệu UR(t) có đặc tính sau: + Giảm tốc độ biến thiên UR(t) so với tốc độ biến thiên UV(t); + Giảm độ chỉnh URMax(t); + Giảm độ gợn sóng UR(t) xác lập; + Tăng thời gian độ; + Giá trị xác lập URXL = UV(t) UV(t) dạng dao động Trường hợp UV(t) có dạng dao động giá trị xác lập URXL nhỏ giá trị trung bình UV(t) 1.3.2 Ảnh hưởng hệ số b1 Mặc dù hệ số b1 0,1 làm xuất dao động UR(t) + Giá trị xác lập URXL = UV(t) UV(t) dạng dao động Nhưng giá trị xác lập URXL nhỏ giá trị trung bình UV(t) UV(t) có dạng dao động 1.4 Lựa chọn hệ số lọc LPF Để lựa chọn hệ số hàm truyền lọc LPF sử dụng cho việc tự động phân chia tải Diesel lai chung chân vịt, cần phân tích dạng tín hiệu hai điều chỉnh tốc độ hình 1.1 Tuy nhiên trường hợp hay gặp, mà không cần sử dụng lọc LPF tiến hành phân chia tải Để dễ dàng đánh giá ta xét hình 1.1 khoảng thời gian từ giây thứ 24 đến giây thứ 30 giới thiệu hình 1.5 Cụ thể ta thấy khoảng thời gian 1s tồn từ 15 đến 18 lần biến động phi chu kỳ tín hiệu từ điều tốc Điều tương ứng với tần số fcutoff = (15 ÷ 18) Hz, hay chu kỳ tương đối T = (66,7 ÷ 55,6) ms 10 a) b) Hình 2.11 Dạng tín hiệu U1 (a) U2 (b) lọc 2.2.1.2 Trường hợp cân tải cho Diesel có thông số KĐ khác Trong trình vận hành xảy trường hợp Diesel có thông số KĐ khác Giả sử Diesel có thông số chuẩn, Diesel có hệ số truyền đạt giảm 20% (KĐ2 = 9920) A/ Khi tham gia lọc LPF [1] Kết mô cho trường hợp Diesel có thông số KĐ khác nhau, cụ thể KĐ1 = 12400 , KĐ2 = 9920 B = hình 2.12 Trong trường hợp hệ số truyền đạt Diesel bị suy giảm với việc phân chia tải điều khiển tín hiệu Ur điều tốc nhận kết hình 10 Rõ ràng hệ đảm bảo việc cân tải đặt B = (hình 2.12a) Điều lý giải giá trị tín hiệu Ur1 < Ur2 hiệu Ur2 - Ur1 > 0, sau 24 phần tử đảo dấu (trong subsystem – Bộ tự động phân chia tải) hiệu lại nhận giá trị dương Kết làm tăng Uđ1>10 giảm Uđ2 0, sau phần tử đảo dấu (trong subsystem – Bộ tự động phân chia tải) hiệu lại nhận giá trị dương Kết làm tăng Uđ1>10 giảm Uđ2 0,5 lại không sử dụng lọc không nhận kết mô Nhưng sử dụng lọc LPF bậc cho trường hợp lại nhận kết mô phỏng.ngay KĐ2 giảm 30% với B = -2 (hình 2.17) Để tránh tình trạng bắt Diesel bị suy giảm hệ số KĐ lại phải quay với tốc độ cao nhaank tải nhiều cần đặt hệ số B < (ở ta chọn B = - Tuy nhiên với trợ giúp lọc LPF bậc tăng giá trị tuyệt đối hệ số B vượt Nếu vi phạm nhận đươc kết có tượng dao động tốc độ quay Diesel Mặt khác trường hợp Diesel có KĐ bị suy giảm cần phải giảm tín hiệu đặt tốc độ toàn hệ - Nhờ mà Diesel phải lâm vào tình trạng tốc độ Ở ta đặt tín hiệu tố độ cho trước Uđω = a) b) 34 c) e) d) g) Hình 17 Kết tự động phân chia tải với B= -2.0 hòa Diesel với KĐ2 giảm 30% có LPF bậc 35 KẾT LUẬN Nội dung đề tài: “ Nâng cao chất lượng hệ tự động phân chia tải cho Diesel làm việc song song việc ứng dụng lọc tín hiệu.” Đã thực mục đích đặt đề tài: Nghiên cứu lựa chọn thông số lọc thông thấp (LPF) phù hợp cho việc xử lý tín hiệu (Ur1 Ur2 ) điều chỉnh tốc độ PID cho Diesel Đồng thời ứng dụng lọc thông thấp bậc cho hệ thống điều khiển tự động phân chia tải cho hai động Diesel công tác song song lai chân vịt tàu thuỷ thông qua ly hợp hộp số Nhờ có trợ giúp LPF mà tín hiệu điều tốc xử lý dạng biến động phi chu kỳ để trở thành tín hiệu vào khối tự động phân chia tải Với dạng đặc tính nhận cho phép khối tự động phân chia tải dễ dàng thực thuật toán điều khiển theo giá trị lớn chúng (Ur1 Ur2 ) Kết mô hệ tự động phân chia tải có không sử dụng LPF bậc cho phép đánh sau: + Trong trường hợp giữ KĐ1 = KĐ2 =12400 B = 0, KĐ1 = KĐ2 =12400 B ≤ 0,5, giữ KĐ1 = 12400 KĐ2 =9920 (giảm 20%) B = Thì dạng đáp ứng hệ dùng không dùng lọc LPF bậc không khác bao, biên độ cực đại (peak) tốc độ quay có giảm chút có tham gia lọc, dạng tín hiệu đưa đến khối tự động phân chia tải không biến động nhanh phi chu kỳ + Khi ứng dụng lọc thông thấp bậc cho cho hệ thống điều khiển tự động phân chia tải cho hai động Diesel công tác song song, hoàn toàn cho phép thay đổi hệ số phân chia tải B phạm vi [- 2, + 2] với hệ số truyền Diesel giảm tới 30% Trường hợp không sử dụng lọc LPF hệ không giải Tuy nhiên kết nghiên cứu khuyến cáo rằng: 36 - Việc thay đổi hệ số phân tải B phạm vi [- 2, + 2] hệ số truyền Diesel giảm tới 30% đáp ứng hệ có tượng nhấp nhô – tựa ổn định, trí không ổn định - Vì khâu tự động phân chia tải hoạt động theo thuật toán Max (Ur1 Ur2 ) nên việc lựa chọn dấu vủa hệ số phân chia tải B phải phù hợp với hệ số KĐ1 KĐ2 Cụ thể sau: B mang dấu “+” KĐ1 < KĐ2 B mang dấu “-” KĐ1 > KĐ2 - Trong trường hợp KĐ1 ≠ KĐ2 thiết phải giảm tín hiệu tốc độ đặt (Uđω) để tránh tượng tốc hai Diesel Tuy nhiên hạn chế thời gian nên đề tài chưa thể đề cập đến số vấn đề sau: Chưa xem xét đến thuật toán MIN, giải pháp tín hiệu bù riêng biệt cho hai hệ Chưa nghiên cứu hệ lọc thông thấp dạng số TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lưu Kim Thành, Đỗ Văn A, Nguyễn Xuân Trụ Nghiên cứu thuật toán cấu hình tự động phân chia tải Diesel lai chân vịt tàu thuỷ Đề tài NCKH cấp trường ĐHHHVN 6/2015 [2] Lưu Kim Thành Phần tử tự động Nhà xuất Hải Phòng 2007 [3] www Thiết kế mạch lọc thông thấp, thông cao Kalman với STM 32f4 [4] www Mạch lọc thông thấp bậc hai [5] Lưu Kim Thành, Đỗ Văn A, Nguyễn Xuân Trụ Nghiên cứu vấn đề tự động phân chia tải Diesel lai chân vịt tàu thuỷ Đề tài NCKH cấp trường ĐHHHVN 6/2014 [6] Tài liệu khai thác hệ Diesel – chân vịt tàu Hậu Giang, năm 1980 [7] Tài liệu khai thác hệ Diesel – chân vịt Hãng Rollroy, năm 2006 37 [8] Tài liệu khai thác hệ Diesel – chân vịt hãng Caterpillar, năm 2007 38