bài tập lớn môn điều khiển số :Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái, đối tượng điều khiển là bộ băm áp DC DC lưỡng cực nối tiếp với động cơ DC kích từ vĩnh cửu(hayyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy)
BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP ĐỘC LẬP –TỰ DO- HẠNH PHÚC HÀ NỘI BÀI TẬP LỚN MÔN : ĐIỀU KHIỂN SỐ Họ tên HS- SV : Lớp: điện Khóa: 10 Khoa: Điện Giáo viên hướng dẫn:TS.Quách Đức Cường NỘI DUNG Thiết kế điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái, đối tượng điều khiển băm áp DC- DC lưỡng cực nối tiếp với động DC kích từ vĩnh cửu PHẦN THUYẾT MINH Chương 1: Tìm hiểu động điện chiều kích từ độc lập Chương 2: Thực nội dung yêu cầu Chương 3: Mô Chương 4: kết luân GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Quách Đức Cường Page Page Page LỜI MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển, nhiều lĩnh vực ngày phát triển, đặc biệt lĩnh vực công nghiệp cỗ máy lớn cỗ máy nhỏ hoạt động không ngừng nghỉ để tạo cải vật chất nhà máy Các cỗ máy hoạt động động cơ, có nhiều loại động phương pháp điều khiển khác ngồi ghế nhà trường, nhờ kiến thức mà thày cô truyển đạt lại cho chúng em qua môn học, chúng em thực làm tập lớn môn “ điều khiển số” hướng dẫn nhiệt tình TS Quách Đức Cường chúng em xin trình bày nội dung mà chúng em thực Chúng em mong đóng góp thày để tập chúng em hồn thiện Chúng em xin trân thành cảm ơn! Page CHƯƠNG 1.TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐỘC LẬP .7 1.1 Động điện chiều .7 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Cấu tạo 1.1.3 Nguyên lý làm việc 1.1.4 Phân loại 1.1.5 Điều chỉnh tốc độ 1.1.6 Động điện kích từ độc lập CHƯƠNG 2.THỰC HIỆN CÁC NỘI DUNG YÊU CẦU .11 2.1 Tham số động cảm biến dòng điện, cảm biến tốc độ 11 2.2 Các bước tính tốn .11 2.3 Xác định hàm truyền đạt phương trình trạng thái liên tục ( A B C D) mô tả đối tượng điều khiển 12 2.3.1 Hàm truyền đạt hệ 12 2.3.2 Phương trình trạng thái liên tục mơ tả đối tượng điều khiển .12 2.4 thái Rời rạc hóa đối tượng dạng hàm truyền phương trình trạng 14 2.4.1 Rời rạc hóa hàm truyền theo phương pháp Euler tiến 14 2.4.2 Rời rạc phương trình trạng thái 14 2.5 Khao sát tính điều khiển tính quan sát 15 2.5.1 Tính điều khiển 15 2.5.2 Tính quan sát 15 2.6 Khảo sát chất lượng động , chất lượng tĩnh 15 2.6.1 2.7 Chất lượng động 15 Chất lượng tĩnh 17 2.8 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp áp đặt điểm cực để hệ thống có chất lượng động 19 2.9 Tìm hệ số khuếch hệ số khuếch đại vòng kín 22 2.10 Thiết kế quan sát trạng thái theo yêu cầu chất lượng động 24 CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG .26 3.1 Mạch điều chỉnh dòng điện 26 3.2 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ .27 Page CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN 29 Page CHƯƠNG 1.1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐỘC LẬP Động điện chiều 1.1.1 Khái niệm Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết bị từ quay làm việc theo nguyên lí điện từ đặt vào từ trường dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trường quay tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn ) làm dây dẫn chuyển động Động điện biến đổi điện thành 1.1.2 Cấu tạo Động điện chiều cấu tạo gồm phần chính: phần tĩnh (stato) phần động (roto) a) Phần tĩnh Phần tĩnh bao gồm lõi thép làm thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy cực từ có dây quấn kích từ , dòng điện chạy dây quấn kích từ cho cực từ tính liên tiếp luân phiên Cực từ gắn với vỏ máy nhờ bu long Ngồi có nắp máy cực từ phụ cấu chổi than b) Phần động Phần động ( roto) bao gồm lõi thép, dây quấn phần ứng cỏ góp trục máy Lõi thép: hình trụ làm thép kỹ thuật điện dày 0.5mm phủ sơn cách điện ghép lại với Các thép dập lỗ thơng gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng: gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp đặt rãnh phần ứng tạo thành hay nhiều vòng kín Phần tư dây quấn bó dây gồm hay nhiều vòng dây hai đầu nối với hai phiến góp vành góp hai cạnh tác dụng phần tử đặt hai rãnh hai cực từ khác tên Cổ góp: gồm nhiều phiến đồng hình nhạn ghép thành khối hình trụ cách điện với trục máy Page Các phận khác trục máy, quạt làm mát… 1.1.3 Nguyên lý làm việc Hình 1.1.3.a nguyên lý làm việc Khi cho điện áp chiều tác U vào chổi điện A B dây quấn phần ứng có dòng điện Các dẫn ab cd mang dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng tương hỗ lên làm momen quay tác dụng lên roto làm toto quay chiều lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi rorto quay nửa vòng vị trí dẫn ab cd đổi chỗ cho nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện biến đổi chiều đưa vào phần ứng giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi lực tác dụng lên roto theo chiều không đổi đảm bảo chiều quay động không đổi 1.1.4 Phân loại Dựa vào hình thức kích từ người ta chia động điện chiều thành loại động điện chiều kích từ độc lập động điện chiều kích từ song song động điện chiều kích từ nối tiếp +động điện chiều kích từ hỗn hợp Page 1.1.5 Điều chỉnh tốc độ Động điện chiều có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng ,các chỉnh tốc độ đơn giản dễ chế tạo điều chỉnh cách thay đổi điện áp đầu vào phần ứng động (dùng chỉnh lưu) điều chỉnh thay đổi từ thông mạch kích từ động điều chỉnh thay đổi điện trở phụ 1.1.6 Động điện kích từ độc lập động điện chiều kích từ độc lập cuộn kích từ cấp điện từ nguồn điện ngồi độc lập vói nguồn cấp điện cho roto ,và nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điển phần kích từ mắc vào nguồn điện chiều độc lập Hình 1.2a :động kích từ độc lập Page Hình 1.2.b đường đặc tính Kết ln: động điện chiều loại động ưa chuộng mơ hình lớn Page 10 2.5.2 Tính quan sát Rank (Q) khác n 2.6 Khảo sát chất lượng động , chất lượng tĩnh 2.6.1 Chất lượng động POT= 100% Điều kiện để hệ thống ổn định : Một hệ thống tuyến tính liên tục gọi ổn định trình q độ tăng dần theo thời gian biên giới ổn định trình độ dao động với biên độ khơng đổi số Tính ổn định hệ thống : Hệ thống gọi ổn định sau phá vỡ trạng thái cân tác động nhiễu tự điều chỉnh trở lại trạng thái cân a) Biểu đồ Bode Biểu đồ Bode đồ thị gồm phần + Biểu đồ bode biên độ : biểu diễn mối quan hệ logarit đáp ứng biên độ L(w) theo tần số w (L(w)=20lgM(w) + Biểu đồ bode phase : biểu thị mối quan hệ đáp ứng phase () theo w -Dùng matlab để vẽ biểu đồ Bode - Điều kiện để hệ thống ổn định : Một hệ thống tuyến tính liên tục gọi ổn định trình q độ tăng dần theo thời Page 15 gian biên giới ổn định trình q độ dao động với biên độ khơng đổi số - Tính ổn định hệ thống : Hệ thống gọi ổn định sau phá vỡ trạng thái cân tác động nhiễu tự điều chỉnh trở lại trạng thái cân a) Biểu đồ Bode - Biểu đồ Bode đồ thị gồm phần + Biểu đồ bode biên độ : biểu diễn mối quan hệ logarit đáp ứng biên độ L(w) theo tần số w (L(w)=20lgM(w) + Biểu đồ bode phase : biểu thị mối quan hệ đáp ứng phase () theo w -Dùng matlab để vẽ biểu đồ Bode b)biểu đồ nyquist -Biểu đồ Nyquist đồ thị biểu diễn đặc tính tần số W(j*w) hệ cực tọa độ w thay đổi từ -∞ đến ∞ Page 16 >>nyquist(w) 2.7 Chất lượng tĩnh C(z) G(z) Đặt Gh(z)= C(z).R(z) Page 17 2.8 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp áp đặt điểm cực để hệ thống có chất lượng động Xét hệ thống điều khiển theo dạng biến trạng thái sau: Xét sơ đồ khối hệ thống hình với điều khiển phản hồi trạng thái đây: K vector khuếch đại (gain) phản hồi số Đầu vào hệ thống điều khiển giả thiết Mục đích hệ thống đưa tất trạng thái giá trị trạng thái bị nhiễu tác động (perturbed) Page 18 Hình Thiết kế hệ thống điều khiển dựa phương pháp gán điểm cực Thay (2) vào (1), biểu diễn trạng thái hệ thống kín là: Phương trình đặc tính hệ thống kín là: Giả sử hệ thống biểu diễn dạng tắc biến pha sau: Thay A B vào (4), phương trình đặc tính vòng kín cho hệ thống điều khiển cho bởi: Với vị trí điểm cực vòng kín xác định , phương trình đặc tính mong muốn là: Mục đích thiết kế tìm K để phương trình đặc tính cho hệ thống điều khiển giống hệt với phương trình đặc tính mong muốn Do đó, vector K thu cách đồng hệ số phương trình (6) (7): Nếu mơ hình trạng thái khơng dạng chuẩn tắc biến pha, sử dụng kỹ thuật biến đổi để biến đổi mơ hình trạng thái cho trước sang dạng chuẩn tắc biến pha Hệ số K nhận cho mơ hình sau biến đổi ngược trở lại để xác nhận với mơ hình ban đầu Thủ tục dẫn đến công thức sau đây, biết đến với tên gọi công thức Ackermann đây, ma trận S cho bởi: Và ký hiệu cho công thức sau: Hàm phát triển cho thiết kế gán điểm cực ma trận hệ thống, p vector hàng chứa điểm cực mong muốn hệ kín Hàm trả vector K ma trận hệ kín Trong Matlab CST (Control System Toolbox) bao gồm hàm cho phương pháp thiết kế gán điểm cực Hàm Page 19 dùng để thiết kế hệ đơn đầu vào (single input), hàm dùng để thiết kế hệ đa đầu vào (multi-input) với giải thuật đáng tin cậy Điều kiện phải tồn để gán điểm cực vòng kín vị trí mong muốn biến đổi mơ hình trạng thái cho trước sang dạng tắc biến pha Có nghĩa ma trận điều khiển S cho (8) phải có định thức khác Đặc tính gọi tính điều khiển Ví dụ Cho đối tượng mơ tả bởi: Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái để gán điểm cực vòng kín Điều kiện đầu trạng thái x là: Các lênh thực Matlab sau: A=[-1 0; -1 -2 0; 0]; B=[1; 0; 0]; C=[1 ]; D=0; j=sqrt(-1); P=[-3+j*4 -3-j*4 -8]; % desired closed-loop poles [K,Af]=placepol(A,B,C,P); % returns gain K and closed-loop system matrix % initial condition response t=0:.02:2; r=zeros(1,length(t)); x0=[1 -1]; % generates a row of zero input % initial state [y,x]=lsim(Af, B, C, D, r, t, x0); % initial state response subplot(2,2,1), plot(t, x(:,1)),title(‘x_1(t)’), grid subplot(2,2,2), plot(t, x(:,2)),title(‘x_2(t)’), grid subplot(2,2,3), plot(t, x(:,3)),title(‘x_3(t)’), grid Page 20 -8 subplot(2,2,4), plot(t, y),title(‘y(t)’), grid subplot(111) Kết vẽ hình 2: 2.9 Tìm hệ số khuếch hệ số khuếch đại vòng kín Từ đời, mạch khuếch đại thuật toán thiết kế để thực phép tính cách sử dụng điện áp giá trị tương tự để mơ đại lượng khác [1] Do đó, đặt tên "Mạch khuếch đại thuật toán" Đây thành phần máy tính tương tự, mạch khuếch đại thuật tốn thực thuật tốn cộng, trừ, tích phân vi phân v.v Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại đa năng, với nhiều ứng dụng khác ngồi ứng dụng thuật tốn Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, lắp ráp transistor, đèn điện tử chân linh kiện khuếch đại khác, trình bày dạng mạch linh kiện rời rạc mạch tích hợp tỏ tương hợp với linh kiện thực Page 21 Trong mạch khuếch đại thuật toán phát triển đèn điện tử chân không, chúng thường sản xuất dạng mạch tích hợp (ICs), vậy, phiên lắp ráp linh kiện rời sử dụng cần tiện ích vượt tầm IC Những mạch khuếch đại thuật tốn tích hợp ứng dụng rộng rãi từ cuối thập niên 1960, mạch sử dụng transistor lưỡng cực μA709 hãng Fairchild, Bob Widlar thiết kế năm 1965 Nó nhanh chóng bị thay mạch 741, mạch có tiện ích tốt hơn, độ ổn định cao dễ sử dụng Mạch μA741 đến sản xuất, có mặt khắp nơi lĩnh vực điện tử - nhiều nhà chế tạo sản xuất phiên khác mạch này, tiếp tục thừa nhận số ban đầu "741" Những thiết kế tốt giới thiệu, số dựa transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET(đầu thập niên 1980) Rất nhiều linh kiện đại thay cho mạch sử dụng 741, mà khơng cần thay đổi gì, lại cho hiệu tốt Các mạch khuếch đại thuật tốn thường có thơng số nằm giới hạn định, có vỏ ngồi tiêu chuẩn, với nguồn điện cung cấp tiêu chuẩn Chúng có nhiều ứng dụng lĩnh vực điện tử; cần số linh kiện bên ngồi thực dải rộng tác vụ xử lý tín hiệu tương tự Rất nhiều mạch khuếch đại thuật tốn tính hợp có giá chừng vài trăm đồng mua với số lượng vừa phải, mạch khuếch đại tích hợp rời rạc với thông số kỹ thuật không tiêu chuẩn có giá đến vài triệu đồng đặt hàng số lượng Một mạch khuếch đại thuật tốn thơng dụng có đầu vào đầu Điện áp đầu bội số sai biệt điện áp hai đầu vào: Vout = G(V+ − V−) G độ lợi vòng hở mạch khuếch đại thuật tốn Đầu vào giả định có tổng trở cao; Dòng điện vào đầu vào không đáng kể Đầu giả định c tổn trở thấp Page 22 Nếu đầu đưa trở đầu vào đảo sau chia phân áp , thì: Kết cấu mạch khuếch đại thuật toán ráp thành mạch khuếch đại khơng đảo Để tính , thấy hệ số khuếch đại tuyến tính với độ lợi là: Vout/Vin = G /(1 + G K)' Nếu G lớn, Vout/Vin gần 1/K, + (R2/R1) Kiểu nối hồi tiếp âm sử dụng thường xuyên có nhiều biến thể khác nhau, làm cho trở nên khối linh hoạt tất khối lắp đặt điện tử Khi nối vòng hồi tiếp âm, mạch khuếch đại thuật toán cố gắng điều chỉnh Vout cho điện áp vào gần Điều này, với tổng trở đầu vào cao dđôi xem nguyên tắc vàng thiết kế mạch khuếch đại thuật tốn (đối với mạch có hồi tiếp âm) là:: Khơng có dòng điện vào đầu vào Điện áp đầu vào phải gần Có ngoại lệ điện áp cần thiết lại vượt nguồn điện cung cáp cho mạch, điện áp gần với mức ngưỡng nguồn cấp, VS+ VS− Hầu hết mạch khuếch đại thuật tốn đơn, đơi tứ có thứ tự chân theo tiêu chuẩn, cho phép lắp thay đổi lẫn mà khơng cần thay đổi sơ đồ nối dây Một mạch khuếch đại thuật toán cụ thể chọn theo độ lợi vòng hở, băng thơng, hệ số tạp âm, tổng trở đầu vào, công suất tiêu tán phối hợp chức đó, 2.10 Thiết kế quan sát trạng thái theo yêu cầu chất lượng động Trong tất loại nguồn điện cung cấp cho ngành cơng nghiệp, nguồn chiều đóng vai trò quan trọng Trong thời đại ngày vấn đề Page 23 lượng trở nên cấp thiết, sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) ưa chuộng Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter, viết tắt BC) hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo Cấu trúc mạch BC vốn không phức tạp, vấn đề điều khiển BC nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Việc “thiết kế điều khiển DC-DC tăng áp phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái” đạt mục tiêu u xác định đầu vào điều khiển x trạng thái hệ y đầu hệ - Biểu diễn ma trận, mô tả toán học biến đổi Boost �E � � x2 � 0 � �E � � � � � � L L� � � � � � � � f x x g x L � �� � x2 � x1 � � � RC � �0 � � � � � RC � �; �C � � - Tuyến tính hóa hàm đầu h(x) C ( x) � g , ad f g , ad f g , , ad nf 1g � � � Ma trận điều khiển (The controllability matrix) hệ thống, có đủ hạng, có trường vectơ xoắn (involutive dh � h � xT ( x) 0 1 C 1( x) Cấu trúc điều khiển DC-DC tằng áp - Gradient tuyến tính hóa đầu tính sau � h � xT � x1 1 ( x) Q 1 � � det C � x1 � x2 � ( x) Q � x � det C � x2 � x2 - Yêu cầu biểu thức để đầu y tuyến tính cho y 1�2 x1 x22 � � 2� - Sơ đồ điều khiển cho đối tượng DC – DC phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái sau: Page 24 CHƯƠNG 3.1 Mạch điều chỉnh dòng điện Đặc tính dòng điện Page 25 MƠ PHỎNG 3.2 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Page 26 Đặc tính tốc độ: Page 27 CHƯƠNG KẾT LUẬN Kết thúc tập lớn môn ĐIỀU KHIỂN SỐ nhóm chúng em nhận đề tài SỐ 10 Nhóm chúng em có nhìn tổng qt việc điều khiển băm áp DC-DC lưỡng cực nối tiếp với động kích từ vĩnh cửu Sau thời gian giao nhiệm vụ thiết kế đề tài , dẫn dắt tận tình thầy QUÁCH ĐỨC CƯỜNG nỗ lực thân nhóm hồn thành nhiệm vụ Do thời gian có hạn ,chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế , chúng em khơng khó tránh khỏi thiếu sót ,rất kính mong thầy bạn bảo thêm cho nhóm Qua nhóm chúng em có lời cảm ơn chân thành gửi đến thầy, chúc thầy luôn mạnh khỏe thành công cơng việc Page 28 Page 29 ... CHƯƠNG KẾT LUẬN Kết thúc tập lớn mơn ĐIỀU KHIỂN SỐ nhóm chúng em nhận đề tài SỐ 10 Nhóm chúng em có nhìn tổng quát việc điều khiển băm áp DC- DC lưỡng cực nối tiếp với động kích từ vĩnh cửu Sau... Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp áp đặt điểm cực để hệ thống có chất lượng động Xét hệ thống điều khiển theo dạng biến trạng thái sau: Xét sơ đồ khối hệ thống hình với điều. .. ổn định ln mục tiêu cơng trình nghiên cứu Việc “thiết kế điều khiển DC- DC tăng áp phương pháp tuyến tính hố phản hồi trạng thái” đạt mục tiêu u xác định đầu vào điều khiển x trạng thái hệ y đầu