Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều

-i- PHẠM MINH KHÁNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 2014 - ii - LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Minh Khánh Sinh ngày : 04 tháng 10 năm 1986 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chưa công bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Minh Khánh -3- LỜI CẢM ƠN `Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy giáo đồng nghiệp `Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn `Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm hạn chế nên luận văn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014 Tác giả luận văn Phạm Minh Khánh -4- MỤC LUC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỞ ĐẦU viii MỞ ĐẦU viii Lý chọn đề tài viii Mục tiêu nghiên cứu viii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ - 1.1 Điều khiển tối ưu động chiều - 1.1.1 Khái niệm - 1.1.2 Điều kiện thành lập toán tối ưu - 1.2 Điều khiển PID động chiều - 1.2.1 Cấu trúc điều khiển PID - 1.2.2 Một số phương pháp xác định tham sốbộ điều khiển PID - 11 1.3 Kết luận chương - 16 CHƯƠNG II MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI CÁC THÔNG SỐ THAY ĐỔI - 17 2.1 Chế độ xác lập động điện chiều - 17 2.2 Trường hợp từ thơng kích từ khơng đổi - 22 2.3 Kết luận chương - 23 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG (H∞) - 25 3.1 Giới thiệu - 25 3.2 Mơ hình hóa - 26 3.2.1 Bộ chỉnh định điều khiển động DC - 26 3.2.2 Mơ hình chỉnh định điều khiển động DC - 28 3.2.3 Mô tả hệ thống định nghĩa - 29 - -5- 3.2.4 Mô tả điều khiển tối ưu H∞ bền vững thiết kế - 32 3.3 Mô điều khiển tối ưu H∞ - 36 3.4 Kết luận - 38 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU - 40 4.1 Mô - 40 4.1.1 Tham số hệ truyền động - 40 4.1.2 Mơ hình mơ hệ thống - 42 4.2 Thực nghiệm - 44 4.2.1 Thiết bị thực nghiệm - 44 4.2.1.2 Bo mạch ghép nối hệ thống máy tính - 45 4.2.2 Cấu trúc thực nghiệm - 46 4.2.3 Kết thực nghiệm - 49 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm - 58 4.3 Kết luận chương - 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 59 Kết luận - 59 Kiến nghị - 60 - -6- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển - Hình Tối ưu cục tối ưu toàn cục - Hình Động điện chiều kích từ độc lập - - Hình Cấu trúc điều khiển PID - Hình Điều khiển vòng kín với điều khiển PID 10 - Hình Đáp ứng độ hệ hở 12 - Hình Xác định số khuếch đại tới hạn 13 - Hình Đáp ứng độ hệ kín k = kth 13 - Hình Đáp ứng độ hệ phù hợp phương pháp Chien-Hrones-Reswick - 14 - Hình Sơ đồ cấu trúc động chiều - 20 - Hình 2 Sơ đồ cấu trúc động chiều kích từ độc lập - 21 - Hình Cấu trúc động từ thông không đổi - 23 - 27 Hình Mạch điện động DC - 28 Hình 3 Đường cong Đáp ứng Trạng thái - 37 Hình Đường cong đáp ứng trạng thái - 37 - Hình Mơ hình mơ hệ thống 42 - Hình Đặc tính tốc độ động mô điều khiển bền vững - 44 - Hình Động chiều - 44 - Hình 4 Bo mạch Arduino Uno - 45 - Hình Mơ hình thực nghiệm - 46 - Hình Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền vững động chiều - 47 - Hình Chi tiết khối Động chiều - 48 - Hình Đáp ứng tốc độ động không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 49 - Hình Dòng điện động khơng tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 50 - Hình 10 Sai -7- lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 50 - Hình 11 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 51 - -8- Hình 12 Dòng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy - 52 - Hình 13 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 53 - Hình 14 Đáp ứng tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi - 54 - Hình 15 Dòng điện động khơng tải, tín hiệu đặt thay đổi - 55 - Hình 16 Sai lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi - 55 - Hình 17 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi - 56 - Hình 18 Dòng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang - 57 - Hình 19 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi - 58 - - viii - MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cho đến động điện chiều đóng vai trò quan trọng ngành công nghiệp sống Động điện chiều ứng dụng phổ biến ngành công nghiệp khí, nhà máy cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm cánh tay Robot Để thực nhiệm vụ công nghiệp điện tử với độ xác cao, lắp ráp dây chuyển sản xuất, yêu cầu có điều khiển tốc độ Đối với phương pháp điều khiển kinh điển cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID ( tỉ lệ, tích p hân, đạo hàm ) dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Tuy nhiên hệ thống thiết kế dựa việc giả thiết thông số động không đổi, thực tế q trình làm việc thơng số động hồn tồn bị thay đổi (R động thay đổi theo nhiệt độ, mô men qn tính thay đổi theo tải…) điều khiển PID làm việc không theo thiết kế dẫn đến hệ thống điều khiển không đảm bảo chất lượng yêu cầu Vì với yêu cầu cấp thiết Tôi xây dựng đề tài luận văn tốt nghiệp “ Thiết kế điều khiển bền vững tốc độ động chiều “ Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu điều khiển nâng cao chất lượng hệ điều khiển tự động Tuy nhiên thực tế có nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với yêu cầu đặc tính phức tạp khác Do cần tiền hành nghiên cứu, tìm phương pháp nghiên cứu cụ thể cho đối tượng Mục đích cuối -9- tìm kiếm điều khiển cho hệ truyền động ngày đạt chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, hiệu đạt cao nhất, đáp ứng yêu cầu tự động hóa truyền động điện dây chuyền sản xuất Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, ngành điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt vấn đề đòi hỏi phải nghiên cứu hoàn thiện hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày cao thực tế sống phù hợp với xu phát triển khoa học công nghệ Việc nghiên cứu xây dựng điều khiển đại vấn đề cần thiết, việc gắn liền nhiệm vụ nghiên cứu thực tiễn sống Để phục vụ cho công tác nghiên cứu tác giả sử dụng phương pháp điều khiển bền vững phần mềm Matlab Simulink xây dựng mơ hình hóa mô hệ thống điều khiển, công cụ đắc lực trợ giúp việc nghiên cứu, có khả ứng dụng vào việc nghiên cứu mô hệ truyền động động điện chiều Động điện chiều dùng hệ truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao Chính mà hệ thống điều khiển cho hệ truyền động điện phải đáp ứng nhiều tiêu chặt chẽ Và nói chung phần lớn hệ thống truyền động thực tế có cấu trúc tham số khơng cố định hoạc biết trước Đối với động điện chiều, thông số thường bị thay đổi làm ảnh hưởng chất lượng điều chỉnh, cụ thể: Khi mạch từ máy điện bị bão hòa làm điện cảm phần ứng Lu động suy giảm Điện trở mạch phần ứng Ru Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.2.3 Kết thực nghiệm 4.2.3.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bước nhảy khơng tải Tín hiệu đặt Nref = 1000 v/ph Đáp ứng tốc độ động Hình Đáp ứng tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy Dòng điện phần ứng động Hình Dòng điện động khơng tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Hình 10 Sai lệch tốc độ động không tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 4.2.3.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bước nhảy có tải Tín hiệu đặt Nref = 1000 v/ph Đáp ứng tốc độ động Hình 11 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy Dòng điện phần ứng động Hình 12 Dòng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Hình 13 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt hàm bước nhảy 4.2.3.3 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bậc thang khơng tải Tín hiệu đặt Nref = {1000 v/ph; 750 v/ph} Đáp ứng tốc độ động Hình 14 Đáp ứng tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi Dòng điện phần ứng động Hình 15 Dòng điện động khơng tải, tín hiệu đặt thay đổi Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Hình 16 Sai lệch tốc độ động khơng tải với tín hiệu đặt thay đổi 4.2.3.4 Đáp ứng hệ với tín hiệu đặt hàm bậc thang có tải Tín hiệu đặt Nref = {1000 v/ph; 750 v/ph} Đáp ứng tốc độ động Hình 17 Đáp ứng tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi Dòng điện phần ứng động Hình 18 Dòng điện động có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang Sai lêch tốc độ động so với tín hiệu đặt Hình 19 Sai lệch tốc độ động có tải với tín hiệu đặt thay đổi 4.2.3 Đánh giá kết thực nghiệm - Đáp ứng tốc độ hệ thống có tải hay khơng tải ln bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.6s - Lượng điều chỉnh nhỏ, khoảng 5-10% - Bộ điều khiển bền vững điều khiển hệ thống đạt chất lượng tốt - Kết thực nghiệm với lý thuyết phân tích 4.3 Kết luận chương Chương trình bày: - Mô hệ thống điều khiển bền vững động chiều - Các thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống điều khiển bền vững động chiều với điều khiển thực Matlab/Simulink - Thực thực nghiệm điều khiển bền vững động chiều thu đáp ứng hệ thống đạt chất lượng tốt KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài “Thiết kế điều khiển bền vững tốc độ động chiều” Bản luận văn trình bày đầy đủ nội dung viết thành chương kèm theo phần mở đầu kết luận kiến nghị Nội dung luận văn chứa đựng đầy đủ yêu cầu mục tiêu đề tài mục tiêu nghiên cứu Những kết thể cụ thể sau: Sau xây dựng hệ thống mô thực nghiệm thiết kế điều khiển bền vững tốc độ động chiều thi thơng số động thay đổi Đã thí nghiệm thành công điều khiển bền vững tốc độ động chiều có tải khơng tải, thiết bị hoạt động thời gian dài, hệ cho tốc độ động ổn định Địa điểm thí nghiệm phòng thí nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp cho việc kiểm chứng, so sánh đánh giá với lý thuyết Với kết khẳng định luận văn hoàn thành tốt nội dung đề tài Và đề tài vừa có tính lý thuyết tính thực nghiệm Tuy nhiên thời gian thực chạy thí nghiệm ngắn, điều khiển làm việc điều kiện không tải hoạc tải nhỏ, thiết bị phòng thí nghiệm, nên thơng số động khơng dễ dàng thay đổi Đề tài cần thêm thời gian đề kiểm chứng thực tế Kiến nghị Để đề tài hoàn thiện hơn, cần kiểm chứng kết thực tế Với máy móc thiết bị chạy lâu năm, thông số động thay đổi cách rõ rệt Từ đưa vào ứng dụng thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [2] J Y M Cheung, K W E Cheng and A S Kamal, Motor speed control by using a fuzzy logic model reference adaptive controller, Sixth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drives, 430-435, 1996 [3] F Rodriguez and A Emadi, A novel digital control technique for brushless DC motor drives, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.54, No.5, 2365-2373, 2007 [4] A A El-Samahy, Speed control of DC motor using adaptive variable structure control, IEEE 31st Annual Power Electronics Specialists Conference, 1118-1123, 2000 [5] G R Yu and R C Hwang, Optimal PID speed control of brushless DC motors using LQR approach, IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 473-478, 2004 [6] M A Rahman and M A Hoque, On-line self-tuning ANNbased speed control of a PM DC motor, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.2, No.3, 169-178, 1997 [7] P Chevrel, L Sicot and S Siala, Switched LQ controllers for DC motor speed and current control: a comparison with cascade control, IEEE 27th Annual Power Electronics Specialists Conference, 906-912, 1996 [8] P Thirusakthimurugan and P Dananjayan, A new control scheme for the speed control of PMBLDC motor drive, 9th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, 1-5, 5-8, 2006 [9] T Senjyu, S Ashimine and K Uezato, Robust speed control method for DC servomotor using adaptive gain law, Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 254-259, 1996 [10] T Senjyu, H Kamifurutono and K Uezato, Robust speed control of DC servo motor based on Lyapunov’s direct method, 25th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 522-527, 1994 [11] T Senjyu, S Ashimine and K Uezato, Robust speed control of DC servomotors using fuzzy reasoning, Proceedings of the IEEE IECON 22nd International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, 1365-1370, 1996 [12] J G Zhou, Y Y Wang and R J Zhou, Global speed control of separately excited DC motor, IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 1425-1430, 2001 ... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -1- CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ 1.1 Điều khiển tối ưu động chiều 1.1.1 Khái niệm Một hệ điều khiển thiết kế chế độ làm việc tốt hệ trạng thái tối... Mô tả điều khiển tối ưu H∞ bền vững thiết kế - 32 3.3 Mô điều khiển tối ưu H∞ - 36 3.4 Kết luận - 38 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU... có độ điều chỉnh ∆h không vượt 20% so với h lim h(t) t - 16 - 1.3 Kết luận chương Chương trình bày số điều chỉnh tốc độ động chiều: - Điều khiển tối ưu động chiều, số toán tối ưu điều khiển động