Đang tải... (xem toàn văn)
Khi thiết kế hệ thống thực phần cứng được xây dựng trên bộ PLC s7-200 có các khối sau: Khối nguồn, Khối đo (là một mạch đọc tín hiệu tốc độ của động cơ), Khối khuếch đại tín hiệu đầu [r]
(1)CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016
Tuy nhiên trường hợp này, mô với điều kiện môi trường tương đối lý tưởng nên chưa khảo sát tính bền vững hệ thống chịu ảnh hưởng yếu tố bên 4 Kết luận
Bài báo tổng quan vấn đề nghiên cứu điều khiển ngư lơi, phân tích đánh giá ưu nhược điểm hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi kết hợp với lý thuyết điều khiển nâng cao để tăng tính ổn định Khi xem xét hệ thống với nhiều tác động ngoại vi phương pháp chưa đáp ứng tốt, điều mở hướng phát triển cho báo tiếp tục nghiên cứu với yêu cầu cao chất lượng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R Christi, F A Papoulias, “Adaptive Sliding Mode Control of Autonomous Underwater Vehicles in the Dive Plane,” IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol.15, No.3, pp.152–160, 1990
[2] A Rhif, Z Kardous, N B Braiek, “A High-Order Sliding Mode Observer: Torpedo Guidance Application,” Journal of Engineering and Technology, vol 2, issue 1, June 2012, pp 13-18 [3] T Salgado-Jiménez and B Jouvencel, “Using a High Order Sliding Modes for diving control a
torpedo Autonomous Underwater Vehicle,” Proc of OCEANS, vol 2, Sept 2003 Pp 934-939 [4] X Liang, Y Pang, L Wan and B Wang, “Dynamic Modeling and Motion Control for Underwater
Vehicles with Fins,”, ISBN 978-953-7619-49-7, pp 582, December 2008
[5] A Faruq, S Abdullah, M Shah, “Optimization of an Intelligent Controller for an Unmanned Underwater Vehicle”, Vol.9, No.2, pp 245-256 August 2011
[6] C Vuilmet, A MIMO Backstepping Control with Acceleration Feedback for Torpedo. The 38th Southeastern Symposium on System Theory Tennessee Technological University Cookeville, TN, USA, March 5-7, 2006
[7] V P Pham, X K Dang, D T Truong, “Control System Design for Torpedo using a Direct
Adaptive Fuzzy-Neural Output-feedback Controller,” Proc Viet Nam conference on Control and Automation, Nov, 2013
[8] T I Fossen, “Guidance and Control of Ocean Vehicles,” Chichester: John Wiley & Sons, 1994
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC ĐIỆN TỬ CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
APPLICATION PID CONTROLLER TO DESIGN AN ELECTRONIC GOVERNOR FOR DIESEL ENGINE
ThS.NGUYỄN XUÂN TRỤ
Viện Kỹ thuật Hải quân
TS VƯƠNG ĐỨC PHÚC
Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam
Tóm tắt
Bài báo trình bày việc thiết kế điều tốc điện tử cho động diesel lai chân vịt tàu thủy Bộ điều tốc sử dụng điều khiển PID với phần cứng PLC s7-200 hãng Siemens Nó ứng dụng tàu Hải Quân Việt Nam, cho chất lượng cao ổn định Ngoài việc chủ động chế tạo điều tốc có nhiều lợi ích kinh tế, khoa học công nghệ quân
Abstract
This paper presents the design of an electronic governor for diesel engines driving propeller These governors use PID controller and PLC s7-200 hardware of Siemens They have been applied to ships of Vietnam navy and give high quality and stabiality In addition, there are many benefits in economy, science technology and military when we can actively make them
Key words: Electronic governor, main engine, PID controller, Ziegler – Nichols, Modelding of governor
1 Giới thiệu
(2)CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016
sàng chiến đấu tàu, không làm chủ khai thác bảo dưỡng sửa chữa Xu hướng chế tạo trang thiết bị nước thay cho hệ thống nhập ngoại đầu tư quan tâm Quân đội nói riêng
Hiện tàu quân đại Việt Nam thường trang bị máy lai chân vịt hãng MTU [1], MAN(VIKING-25), CATERPILAR(ECM) Đây máy có cơng suất lớn sử dụng cơng nghệ phun nhiên liệu điện tử thông qua điều tốc điện tử Khi điều tốc bị hỏng, hay cần bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn cơng nghệ, kinh tế thời gian Điều ảnh hưởng nghiêm trọng đến
tính chiến đấu, động quân đội
Do việc nghiên cứu chủ động chế tạo thay mang ý nghĩa thực tiễn cấp thiết Hiện có số nghiên cứu lý thuyết, mô hệ thống [2,3,4] tiến hành xây dựng mơ hình vật lý gặp nhiều khó khăn phần cứng, bí mật cơng nghệ Trong nghiên cứu tác giả sử dụng điều khiển PID [6] với thông số P, I, D chọn từ hệ thống điều khiển PID thuật toán điều khiển gán cực tự điều hưởng (self-tuning pole assignment control) có sẵn tài ngun phần mềm lập trình Tiếp thay trực tiếp giá trị Kp, Ki, Kd tìm thực nghiệm Dựa tiêu đánh giá chất lượng hệ thống: Độ chỉnh, thời gian điều chỉnh, sai lệch tĩnh số lần dao động để chọn giá trị Kp, Ki, Kd tối ưu
Hình minh họa trình điều khiển ổn định tốc độ động với điều tốc điện tử hãng Woodward: Bộ điều tốc điện tử nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến tốc độ so sánh với tín hiệu đặt tốc độ (từ nút ấn từ cần điều khiển từ xa), tín hiệu đầu đưa đến cấu chấp hành điều khiển thay đổi nhiên liệu để trì ổn định tốc độ cho động
2 Sơ đồ khối mơ hình tốn học điều tốc 2.1 Sơ đồ khối
Sơ đồ thể hình [2,3,5], BĐK điều khiển, CCCH cấu chấp hành (Thường van dòng hay áp có tín hiệu tượng tự, ĐTĐK đối tượng điều khiển (Chính động diesel) Tốc độ thực diesel cảm biến thông qua cảm biến tốc độ
dạng xung, tín hiệu so sánh với tín hiệu đăt (0) Nếu có sai lệch điều khiển BĐK
đưa tín hiệu thay đổi cho CCCH nhằm thay đổi lượng nhiên liệu cấp cho vòi phun diesel (ĐTĐK) giúp cho tốc độ thực (T) ổn định theo giá trị đặt trước
2.2 Mơ hình tốn [2,3]
Hệ phương trình tốn học để mơ tả đối tượng động diesel có độ phi tuyến cao phức tạp, để đơn giản tính tốn xây dựng điều khiển cho đối tượng ta dùng phương pháp thực nghiệm Giải pháp điều khiển để ổn định tốc độ động hãng sử dụng điều khiển PID, tham số điều khiển PID tham số động thay đổi toàn dải tốc độ làm việc động Tùy thuộc hãng có thuật tốn lựa chọn tham số PID khác
Hình Động Diesel với điều tốc điện tử
(3)CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016
Để đơn giản cho q trình tính tốn xây dựng điều khiển, ta coi động diesel (ĐTĐK) có mơ hình tốn học đơn giản khâu qn tính bậc có hàm truyền đạt (1) Tương tự, để thuận tiện cho việc tính tốn, ta coi cấu chấp hành (CCCH) có mơ hình tốn học đơn giản khâu quán tính bậc có hàm truyền đạt (2):
.s T 1
K F
1
ĐTĐK (1)
.s T 1
K F
2 CCCH
(2)
Từ sơ đồ cấu trúc chung mạch điều chỉnh tốc độ cho hệ thống ta có hàm truyền đạt ĐTĐK – CCCH tính sau:
.s) T .s).(1 T (1
K .s
T 1
K . .s T 1
K .F
F F
2
ω
2
1 CCCH
ĐTĐK
T D (3)
Theo hàm truyền đạt đối tượng cần điều chỉnh ta thấy rằng, hàm truyền đạt đối tượng, ta cần xác định hệ số khuếch đại K hai số thời gian T1 T2
thì ta hồn tồn xây dựng điều khiển cho đối tượng 3 Xây dựng điều khiển PID dùng s7-200
3.1 Tính tốn thơng số hệ thống thực Lựa chọn động diesel S3L2
(3TN84) đồng với cảm biến đo
nhiệt độ, áp lực, tốc độ đảm bảo tương đương động sử dụng thực tế Thiết bị vận hành để người sử dụng đặt tốc độ lựa chọn để tiến hành việc thử nghiệm hoàn thiện sản phẩm Để xác định hệ số khuếch đại Kω cho đối tượng điều
khiển trên, ta thực cách đo đạc thực nghiệm mơ hình vật lý Tín hiệu đầu vào điều khiển tốc độ động Diesel tín hiệu điện áp điều khiển, đầu tốc độ động Các thông số đo mô hình vật lý thể hình
Dựa vào mối quan hệ tín hiệu điều khiển cho biến đổi tốc độ động hình trên, ta thấy rằng: quan hệ tín hiệu (tốc độ động cơ) tín hiệu điều khiển cho biến đổi tương đối tuyến tính Nếu coi hệ Động diesel – Cơ cấu chấp hành có hàm truyền hệ số khuếch đại Kω đối tượng lấy hệ số khuếch đại tín hiệu tốc độ
và tín hiệu điều khiển Dựa đặc tính hình ta chọn Kω =360
Hai số thời gian T1 T2 xác định thực nghiệm Xác định hai thông số
này thực cách thay đổi tín hiệu vào điều khiển đo khoảng thời gian từ tín hiệu đầu vào thay đổi tín hiệu đầu chuyển sang trạng thái xác lập Dựa vào kết đo đạc ta có thơng số sau: T1 = 0.001 T2 = 0.05 Lúc hàm truyền đạt hệ
thống:
0.05.s) 1
0.001.s).( (1
360 FT D
(4)
Để tổng hợp điều chỉnh tốc độ cho hệ, ta áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu [6] Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn module tối ưu hàm có dạng (5), Hàm truyền đối tượng có dạng (6):
(4)CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016
2 0
MC
.s 2.τ .s 2.τ 1
1 (s)
F
(5)
0.05.s) 0.001.s)(1
(1
360 FT D
(6)
Gọi hàm truyền đạt điều khiển R(s) Lúc cấu trúc mạch vịng điều chỉnh hình Với sơ đồ cẩu trúc hệ thống hình vẽ ta có hàm truyền hệ kín (7)
(s) R(s).F 1
(s) R(s).F F
TD TD
HK (7)
Hay
1] (s) F (s).[ F
(s) F R(s)
MC T D
MC
(8)
Để hệ kín có cấu trúc giống với hàm chuẩn tiêu chuẩn module tối ưu ta có
MC
HK F
F Thay (5) (6) vào (8) ta có:
.s) τ .s.(1 360.2.τ
0.05.s) 0.001.s)(1
(1 R(s)
0
0
(9)
Hay
1.s 2.360.0.00
0.05.s 1
R(s) (10)
Với 00.001
Như điều khiển khâu PI Với hệ số khuếch đại khâu sau:
Khâu P: 0.0694
72 5
KP , Khâu I: 1.39
0.72 1
KI
3.2 Khai báo PID PLC s7-200
Hình Khai báo thơng số cho PID trong s7-200
Hình Khai báo dải hoạt động của tín hiệu vào tín hiệu ra
(5)CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016
thực tương tự hình Khi việc khai báo kết thúc, ta lưu trình vừa khai báo lại chương trình phần điều khiển tự động đưa cho ta cấu trúc vòng lặp PID Khi cần sử dụng ta cần giọi lệnh PID thực Trong qua trình hoạt động hệ thống, có sai lệch cần điều chỉnh thông số hệ, điều khiển làm việc hệ thống cho phép thực thay đổi lại thông số PID cho phù hợp
Khi khai báo cho PID điều khiển s7-200 hãng Siemens ta cần phải khai báo dải điểm đặt (giá trị mong muốn) cho PID Trong bảng Loop Parameters ta cần phải khai báo đầy đủ thông số cho khâu P, I, D thời gian lấy mẫu Sample time hình Sau khai báo đầy đủ thông số cho PID ta cần phải khai báo thêm loại cho tín hiệu đầu vào (tín hiệu cấn điều khiển), dải làm việc tín hiệu đầu vào, loại cho tín hiệu đầu ra, dải làm việc tương ứng cho tín hiệu đầu Việc khai báo dải cho tín hiệu thực tương tự hình Khi việc khai báo kết thúc, ta lưu trình vừa khai báo lại chương trình phần điều khiển tự động đưa cho ta cấu trúc vòng lặp PID Khi cần sử dụng ta cần giọi lệnh PID thực Trong trình hoạt động hệ thống, có sai lệch cần điều chỉnh thông số hệ, điều khiển làm việc hệ thống cho phép thực thay đổi lại thông số PID cho phù hợp
3.3 Thiết kế sơ đồ chức tổng quát
Khi thiết kế hệ thống thực phần cứng xây dựng PLC s7-200 có khối sau: Khối nguồn, Khối đo (là mạch đọc tín hiệu tốc độ động cơ), Khới khuếch đại tín hiệu đầu cấu chấp hành điều khiển nhiên liệu, Khới chuyển đổi tín hiệu A/D, Khối chuyển đổi tín hiệu D/A, Khối tín hiệu vào/ra số I/O, Khối xử lý trung tâm CPU, Khối giao diện máy tính RS485, Khối giao diện truyền thơng
4 Kết luận
Bài báo giới thiệu cách thiết kế điều tốc điện tử cho đối tượng động Diesel lai chân vịt sử dụng tàu Hải Quân Bộ điều tốc sử dụng điều khiển PID với tham số tính tốn cụ thể dựa tiêu chuẩn module tối ưu kết hợp với phương pháp thực nghiệm Kết triển khai gồm: Thiết kế tổng quát, sơ đồ thực hiện, kết thực nghiệm áp dụng điều khiển tàu thủy, phân tích hạn chế cịn tồn phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển đồng thời tối ưu hóa tham số cho điều khiển nhằm đáp ứng tiêu điều tốc tiệm cận đến điều tốc hãng nước MTU, MAN Caterpillar vv trình bày chi tiết báo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tài liệu hãng MTU, “Operating Instructions Diesel Engine”, MTU Friedrichshafen GmbH, 2012 [2] Iwai Tomohiro, Ohtoshi Kohta, Fukumori Eijietal, “Development of An Electronic Governor for
The Power Generator System”, International Off-Highway and Powerplant Congress and Exposition, Milwaukee WI USA, 1990:180-189
[3] Li Haoju, Chen Hongwei, “Modeling and Simulation of Power Supply Unit in Electric Propulsion
Ship”, Marine Electronic Technology.2009 (11):18-22
[4] Hopka, M., Upadhyay, D., Guezennec, “Identification of a mean value model of a modern diesel
engine for control design”, ASME International Mechanical Engineering Congress, Washington, D C 2003
[5] Le Luo, “The Control and Modeling of Diesel Generator Set in Electric Propulsion Ship”, Information Technology and Computer Science, 2011, 2, 31-37