tho2

LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần nước ta bước vào nghiệp cơng hóa đại hóa đất nước, nghiệp giáo dục đóng vai trị quan trọng công đặc biệt đào tạo đội ngũ kỹ sư có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực tiễn vào lao động sản xuất Cùng với phát triển ngành công nghệ thông tin, kỹ thuật điện điện tử, tự động hóa đạt nhiều tiến mới.Tự động hóa q trình sản xuất ứng dụng rộng rãi hệ thống công nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Tự động hóa khơng giảm nhẹ sức lao động người mà cịn góp phần lớn việc nâng cao suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm Với mục tiêu công nghiệp hóa đại hóa đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp, cơng ty sử dụng cơng nghệ kỹ thuật cao, dây chuyền máy móc tự động hóa hồn tồn địi hỏi đội ngũ kỹ sư kỹ thuật cao có trình độ chun mơn Để đáp ứng nhiệm vụ khó khăn em giao nhiệm vụ làm đồ án: “Thiết kế điều khiển tốc độ động chiều kích từ độc lập” Việc làm đồ án giúp em ôn lại phần lý thuyết học trường thực tiễn lao động sản xuất nhà máy Đồ án em gồm có chương Chương 1: sở lý thuyết điều khiển matlab Chương 2: Giới thiệu động chiều kích từ độc lập Chương 3: Phương trình trạng thái hàm truyền hệ thống Chương 4: Hàm độ hệ thống Chương 5: Mô hàm độ phần mềm Matlab Chương 6: Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống Chương 7: Thiết kế điều khiển PID điều khiển hệ thống Chương sở lý thuyết điều khiển matlab 1.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động Định nghĩa: Điều khiển q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin tác lên hệ thống “gần” với mục đích định trước điều khiển tự động q trình điều khiển khơng có tác động người.đáp ứng hệ thông thõa mãn yêu cầu tăng độ xác,tăng suất,tăng hiệu kinh tế, Một hệ thống điều khiển tự động xây dưng từ thành phần bản: - O : đối tượng - C : điều khiển - M : cảm biến (cơ cấu đo lường) Các loại tín hiệu có hệ thống gồm : - u : tín hiệu vào (tín hiệu điều khiển) - y : tín hiệu - f : tác động bê ngồi - z : tín hiệu phản hồi - e : sai lệch điều khiển 1.2 Các nguyên tắc điều khiển -Nguyên tắc 1: nguyên tắc thông tin phản hồi -Nguyên tắc : nguyên tắc đa dạng tương xướng Tính đa dạng điều khiển thể khả thu thập thông tin,lưu giữ thông tin truyền tin,phân tích xử lý chọn định,… -Nguyên tắc : ngun tắc bổ sung ngồi Một hệ thơng ln tồn hoạt động môi trường cụ thể tác động qua lại chặt chẽ với môi trường -Ngun tắc : ngun tắc dự trữ Vì nguyên tắc coi thông tin chưa đầy đủ phỉa đề phịng bất trắc xẩy khơng dùng tồn lực lượng điều khiển bình thường vốn dự trữ không sử dụng cần để dảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn -Nguyên tắc : nguyen tắc phân cấp Một hệ thồng điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm.câu trúc thường sử dụng cấu trúc hình -Nguyên tắc : nguyên tắc cân nội Một hệ thống cần xây dựng chế cân nội đẻ có khả tự giải biến động xảy 1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động (ĐKTĐ) - Phân loại theo tín hiệu gồm có hai loại tín hiệu ổn định tín hiệu chương trình - phân loại theo số vịng kín + hệ hở : khơng có số vịng kín + hệ kín có nhiêu loại hệ cịng kín,hệ nhiều vịng kín,… - phân loại theo khả quan sát tín hiệu + hệ liên tục : qua sát tất trạng thái hệ thông theo thời gian + hệ không liên tục : quan sát phần trạng thái hệ thống.trong hệ thống không liên tục người ta chia làm hai loại “ hệ thông gián đoạn hệ thông với kiện gián đoạn” - phân loại theo mơ hình tốn học + hệ tuyến tính : đặc tính tất phần tử có hệ thống tuyến tính Đặc tính bản: xếp chồng + hệ phi tuyến : có đặc tính tĩnh phần tử Lf hàm phi tuyến + hệ thơng tuyến tính hóa tuyến tính hóa phần hệ phi tuyến với số điều kiện cho trước để hệ tuyến tính gần 1.4 Biến đổi laplace Giả sử có hàm f(t)liên tục,khả tích ảnh laplace f(t) qua phép biến đỏi laplace ,ký hiệu F(p) tính theo định nghĩa: F ( p) = ∞ ∫ f (t )e − pt dt ∞ F ( p ) = ∫ f (t )e − pt dt - 1.5 p: biến laplace f(t): hàm gốc F(p): hàm ảnh Hàm truyền đạt Hàm truyền đạt khâu (hay hệ thơng) tỉ số tín hiệu với tín hiệu vào biễu diễn theo tốn tử laplace, ký hiệu W(p),với điều kiện ban đầu triệt tiêu Y ( p) W( p) = U (p) ( n −1) y(0) = y '(0) = = y (0) = Với u(0) = u '(0) = = u (m −1) (0) = -Ý nghĩa + Quan sát hàm truyền đạt, nhận biết cấu trúc hệ thống + Xác định tín hiệu theo thời gian(biến đổi laplace ngược) + Xác định giá trị đầu, giá trị xác lập cũa hệ thống + Xác định heeh số khuếch đại tĩnh cũa hệ thống +… 1.6 Đại số sơ đồ khối Đại số sơ đồ khối biến đổi sơ đồ phức tạp dạng đơn giản để thuận tiện cho việc tính tốn - Mắc nối tiếp W( p) = W1.W2 W3 - Mắc song song W( p) = W1 ± W2 ± ± W3 - Mắc phản hồi W1 ± W1.W2 1.7 Phương trình trạng thái - Khái niệm + hệ thống, ngồi tín hiệu tín hiệu cần phải xác định,đôi ta cần quan sát trạng thái khác Ví dụ động điện dòng điện, gia tốc động v.v… + Khác với tín hiệu phải đo lường cảm biến, biến trạng thái đo được,hoặc xác định thông qua trạng thái khác + Từ người ta xây dượng mơ hình tốn cho phép ta xác định biến trạng thái - Dạng tổng quát phương trình trạng thái Xét hệ thống có m tín hiệu vào r tín hiệu W(p)= Hệ có : + m tín hiệu vào: + r tín hiệu ra: u1 (t ), u (t), , u m (t) y1 (t), y (t), , y r (t) x (t ), x (t ), , x (t ) n + n biến trạng thái: - Phương trình trạng thái mơ tả tốn học hệ thống mặt thời gian dạng phương trình vi phân - Hệ thống biểu diễn phương trình vi phân bấc Đặc tính động học khâu hệ thống miền tần số Những đối tượng khác có mơ tả tốn học gọi khâu động học.có số khâu dộng học khơng có phần tử vật lý tương ứng - tín hiệu tác động vào khâu +tín hiệu bậc thang đơn vị 2.1 +tín hiệu xung đơn vị +tín hiệu điều hịa + tín hiệu phân tích thành tín hiệu Phản ứng khâu - Định nghĩa : phản ứng khâu (hệ thống) tín hiệu vào xác định đặc tính độ hay đặc tính thời gian khâu a hàm q độ khâu - Hàm độ khâu phản ứng khaau với tín hiệu vào 1(t) - Ký hiệu: h(t)  W( p)  h(t ) = L−1   p   - Biểu thức: b Hàm trọng lượng khâu -Hàm trọng lượng khâu phản ứng khâu tín hiệu vào δ (t ) - Ký hiệu w(t) - Biễu thức : 2.2 w(t ) = L−1 { W( p )} Đặc tính tần số khâu a Hàm truyền đạt tần số - Định nghĩa: hàm truyền đạt khâu,ký hiệu W(jw).là tỉ số tín hiệu vào tín hiệu trạng thái xác lập tìn hiệu vào biến thên theo quy luật điều hòa Theo định nghĩa: yxl ( t ) Ym e j (ω t +ϕ ) Ym jϕ W ( jω ) = = = e u( t) U m e j (ω t ) U m -Nhận xét: Hàm truyền tần số + Là số phức + Phụ thuộc vào tần số tín hiệu b Đặc tính tần số - đặc tính tần số biên pha (nyquist) Xuất phát từ cách biễu diễn ham truyền đạt tần số W(jw) = P(w) + jQ(w) + Xây dựng hệ trục với trục hoành P, trục tung Q + Khi w biến thiên,vẽ nét đắc tính tần số pha - định nghĩa: Đặc tính tần số biên pha (ĐTBP) quỹ đạo hàm truyền đạt tần số W(jw) mặt phẳng phức w biến thiên từ c Đặc tính tần số logarit (bode) Quan sát biến thiên biên độ góc pha theo tần số - Đặc tính số biên độ logarit ĐTBL +hồnh độ w hay logw [dec] + Tung độ L [dB] Hàm L xác định L = 20log A(w) ĐTBL biễu diễn biến thiên cuẩ hệ số khuếch đại tín hiệu theo tần số tín hiệu vào - Đặc tính tần số pha logarit ĐTPL + Hoành độ w hay logw [dec] + Tung độ xác định W(jw) + ĐTPL biễu diễn biến thiên góc pha theo tần số tín hiệu vào 2.3 Đặc tính động học số khâu a.Khâu tỉ lệ W(p) = K - Hàm truyền tần số - Đặc tính nyquist P=K Q=0 - Đặc tính bode L = 20lg K ϕ - Hàm độ H(t) = K.1(t) b Khâu quán tính bậc W( p ) = K Tp + - Hàm truyền đạt tần số p= A= K KT ω Q = − T 2ω + T 2ω + K T 2ω + ϕ = − arctgω T - Đặc tính nyquist K= 10; T = - Đặc tính bode L = 20lg K − 20lg T 2ω + ϕ = − arctgω T - Hàm độ c Khâu vi phân lý tưởng W(p) = Kp - Hàm truyền đạt tần số P=0, Q =Kw A = Kw -Đặc tính nuquist - Đặc tính bode Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện đổi cực cho từ trường stator rotor dấu, trở lại pha Nếu trục động điện chiều kéo lực ngoài, động hoạt động máy phát điện chiều, tạo sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF (CEMF) sức điện độngđối kháng, đối kháng lại điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện (như lúc ta nối điện trở tải vào đầu động cơ, kéo trục động ngẫu lực bên ngoài) Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động, điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy qua động tính theo biều thức sau: I = (V_{Nguon}-V_{Phan Dien Dong})/R_{Phan Ung} Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Đặc tính động điện hàm có dạng M=f(w) w=f(M) w vận tốc góc M mơ mem - Sơ đồ nối dây động điện kích từ độc lập Chương 3: Phương trình trạng thái hàm truyền hệ thống 1.Mơ hình vật lý hệ thống r(t) e(t) Bộ Điều Khiển u(t) Động V Cảm Biến Tốc Độ u(cb) Cảm biến tốc độ đo vận tốc V động cơ, đưa tín hiệu dạng điện áp u(cb) đến cộng so sánh với tín hiệu đặt r(t) đưa độ sai lệch e(t) tới điều khiển Bộ điều khiển cấp điện áp u(t) điều khiển động Hình 1: Động chiều kích từ độc lập Phương trình trạng thái hệ thống ++ �= u(1) Trong đó: Km, Ke hệ số sức điện động phản kháng hệ số mômen J mômen vô lăng động Tđt = số thời gian điện từ Tđc= số điện K = hệ số khuếch đại động (1) Tđt  + Trong đó: Tđc+ Tđc + � = Ku = Tđt + � = Ku = Tđc -) Tìm hàm truyền: Sử dụng ảnh Laplace để tìm hàm truyền khâu u U(P) � V(P) PV(P) V(P)  V(P) + PV(P) + V(P) = kU(P) ( + P + 1)V(P) = kU(P) V(P) = U(P) W(P) = = Chọn T1 = 3/4 T2 = K = 50 Khi hám truyền hệ thống là: W(P) = Chương 4:Hàm độ hệ thống Phương trình trạng thái hệ thống: + � = 50u + Tìm hàm độ h(t) với đầu vào 1(t) Ta có: + 4+ h(t) = 50 Dùng phương pháp ảnh Laplace với điều kiện khơng ban đầu cho trước ta có: h(t) H(P) h(t) H(P) PH(P) 50 => 3H(P) + 4PH(P) ≤=> (3 +  H(P) + H(P) 4P + 1)H(P) = = = =  = h(t) = 50 + 25 + - 75 +) Tính script Chương trình: >>syms p >> F=(50/(p*(p+1)*(3p+1))) >>ilaplace(F) Kết chạy chương trình: - Vẽ hàm độ h(t) tay : Cho t = => h(t) = t =1 => h(t) = 5,45 t = =>h(t) = 14.88 t = =>h(t) = 23.65 t = =>h(t) = 36 t = 10 =>h(t) = 47.32 t=15 =>h(t) = 49.5 t =20 =>h(t) = 50 Chương 5: Mô hàm độ phần mềm Matlab Chương trình: >>num=[50] num = 50 >>den=[3 1] den = >> w=tf(num,den) w=