Thiết kế chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu mras áp dụng cho bài toán phân chia công suất hai động cơ một chiều nối cứng trục chung tải

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN ĐÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CƠNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Mã số:60520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Văn Đào Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975 Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CƠNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” thầy giáo TS Nguyễn Duy Cƣơng hƣớng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tôi xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Đào Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng đƣợc hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo TS Nguyễn Duy Cƣơng, luận văn với đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CƠNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI” đƣợc hồn thành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Duy Cƣơng tận tình dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Cơng ty cổ phần tự động hóa Hồng Liên tạo điều kiện sở vật chất giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu, làm thực nghiệm Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Đào Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII LỜI NÓI ĐẦU X CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC 1.1 Bài toán thực tế: 1.1.1 Giải pháp truyền thống 1.1.2 Giải pháp đề xuất 1.2 Mơ hình hệ thống 1.2.1 Giới thiệu: 1.2.2 Xây dựng mơ hình tốn hệ thống 1.3 Tham số hệ thống 13 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU MRAS 2-15 2.1 GIỚI THIỆU 2-15 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp gián tiếp 2-15 2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu 2-15 2.2 Thiết kế điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 2-19 2.3 Phƣơng pháp ổn định Lyapunov 2-29 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN 39 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 39 3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện động 40 3.3 Bộ điều chỉnh dịng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRAS 45 3.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 54 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM 62 4.1 Giới thiệu: 62 4.2 Các mạch điện thực 63 4.3 Thực nghiệm mô hình 67 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tên tiếng anh LFFC Learning Feed Forward Control MRAS Model Adaptive Hệ thống thích nghi theo Reference mơ hình mẫu System Proportional PID Tên tiếng việt - Integral Derivative - Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm Bộ điều khiển tự chỉnh STR Self Tuning Regulator FEL Learning Feedback Error ILC Interative learning control AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều PWM Pulse – width modulation Điều chế độ rộng xung AD Analog digital Bộ biến đổi tƣơng tự -số MLP Multilayer perceptron LC Learning Control Số hóa Trung tâm Học liệu Điều khiển học sai lệch phản hồi Điều khiển học theo trình lặp Bộ điều khiển học http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Phụ tải sử dụng 01 động Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động Hình 1-3: Hai động có phần ứng kích từ nối tiếp Hình 1-4: Hai động với hai điều khiển riêng rẽ Hình 1-5: Giải pháp truyền thống Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất Hình 1-7: Mơ hình hệ thống Hình 1-8: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 10 Hình 1-9: Mơ hình động chiều kích từ độc lập 12 Hình 1-10: Mơ hình 02 động chiều nối cứng trục, chung tải 13 Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số 2-16 Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu 2-17 Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp 2-18 Hình 2-4: Mơ hình đối tƣợng mơ hình mẫu 2-21 Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới thay đổi đáp ứng đầu 2-22 Hình 2-6: Đáp ứng đầu đối tƣợng thay đổi tham số bp 2-23 Hình 2-7: Sai lệch hai đáp ứng (e) thay đổi tham số bp 2-23 Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb 2-24 Hình 2-9: Đáp ứng đầu đối tƣợng điều khiển mơ hình mẫu theo luật MIT 2-24 Hình 2-10: Sai lệch đầu đối tƣợng mơ hình mẫu 2-25 Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT 2-25 Hình 2-12: Sơ đồ mơ chỉnh định thông số Ka Kb 2-27 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2-13: Đáp ứng đầu sai lệch đầu đối tƣợng mơ hình mẫu .227 Hình 2-14: Các hệ số Ka Kb 2-28 Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi 2-28 Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov .236 Hình 2-17: Đáp ứng sai lệch e đối tƣợng mơ hình mẫu 2-37 Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb 2-37 Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển 40 Hình 3-2: Tổng hợp mạch vịng dịng điện 41 Hình 3-3: Sơ đồ mơ điều khiển dịng điện 44 Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện 44 Hình 3-5: Sơ đồ mơ điều khiển dịng thích nghi cho động 51 Hình 3-6: Đáp ứng dịng điện đầu sai lệch động so với dòng điện mẫu 51 Hình 3-7: Các tham số điều khiển 52 Hình 3-8: Đáp ứng dòng điện đầu sai lệch động so với dịng điện mẫu thơng số phần ứng thay đổi 53 Hình 3-9: Các tham số điều khiển thông số phần ứng thay đổi 53 Hình 3-10: Cấu trúc mạch vịng tốc độ 55 Hình 3-11: Sơ đồ mơ mạch vịng tốc độ 57 Hình 3-12: Đáp ứng đầu mạch vòng tốc độ 58 Hình 3-13: Tốc độ động dƣới điều kiện định mức 59 Hình 3-14: Đáp ứng sai lệch dòng điện hai động 59 Hình 3-15: Tham số điều khiển 60 Hình 4-1: Mơ hình đối tƣợng 62 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-2: Tổng thể hệ thống 63 Hình 4-4: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực 64 Hình 4-4: Mặt trƣớc tủ điều khiển 65 Hình 4-5: 06 Thyristor mạch chỉnh lƣu cầu pha 65 Hình 4-5: Mạch khuếch đại truyền xung 65 Hình 4-5: Mạch điều khiển pha xung 66 Hình 4-5: Mạch điều khiển 66 Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm 67 Hình 4-10: Điện áp đồng điện áp cƣa 68 Hình 4-11: Điện áp điều khiển điện áp cƣa 68 Hình 4-12: Điện áp cƣa đầu khâu so sánh 69 Hình 4-13: Điện áp cƣa đầu khâu sửa xung 69 Hình 4-14: Xung chùm 70 Hình 4-15: Nhân xung chùm 70 Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor 71 Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ động 71 Hình 4-17: Dịng điện động 72 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NĨI ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa gắn liền với tri thức nay, việc ứng dụng tiến khoa học kỹ thuật hệ thống điều khiển, từ việc điều khiển động công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ngã tƣ dây truyền, hệ thống nhà máy, xí nghiệp đƣợc đặc biệt quan tâm Cùng với trợ giúp máy tính, trí tuệ nhân tạo, hệ thống điều khiển ngày trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức khả tự động hóa ngày cao Do đó, yêu cầu cán kỹ thuật phải có trình độ ngày cao, đồng thời phải có khả nắm bắt công nghệ tốt Tuy nhiên, hệ thống đƣợc sử dụng lại yêu cầu ngƣời cán kỹ thuật phải có khả nắm bắt cải tiến công nghệ cho hệ thống Việc sử dụng động cơng suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu tải gặp nhiều khó khăn Có thể khó đắt để thiết kế, chế tạo động công suất lớn Vận hành động công suất lớn đồng nghĩa với việc kèm với thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển động chiều, nghịch lƣu động xoay chiều) công suất lớn Tƣơng tự nhƣ đặt vấn đề việc thiết kế, chế tạo động công suất lớn, khẳng định khó đắt để thiết kế chế tạo biến đổi công suất lớn tƣơng xứng Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”, tác giả đƣa giải pháp khắc phục khó khăn, hạn chế thay sử dụng động cơng suất lớn ta sử dụng 02 động có tổng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu: Sau phát triển thuật toán mô kiểm chứng hệ thống Matlab/Simulink, tác giả xây dựng mạch điện thực chức tồn hệ thống, áp dụng mơ hình hai động chiều nối cứng trục, chung tải Phịng thí nghiệm Điện – Điện tử, thuộc Khoa Điện tử, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Ngun Hình 4-1: Mơ hình đối tƣợng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-2: Tổng thể hệ thống 4.2 Các mạch điện thực Bộ biến đổi đƣợc sử dụng gồm mạch chỉnh lƣu cầu pha không đảo chiều [8], lấy điện từ nguồn pha 380V, sau chỉnh lƣu cấp điện cho hai động điện chiều kích từ độc lập Mạch điều khiển pha xung tạo xung chùm kích cho Thyristor góc mở khác phụ thuộc vào điện áp đầu mạch điều khiển Đầu mạch pha xung đƣợc khuếch đại truyền tới Thyristor qua mạch khuếch đại truyền xung Mạch điều khiển lấy tín hiệu phản hồi tốc độ từ máy phát tốc gắn trục động cơ, hai tín hiệu phản hồi dịng, lấy từ máy biến Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ dòng điện đặt đầu vào khối chỉnh lƣu Sau xử lý, tín hiệu đầu đƣợc đƣa tới mạch pha xung để điều khiển góc mở Thyristor theo yêu cầu Bên cạnh đó, hệ thống cịn nguồn chiều cấp điện cho cuộn kích từ hai động Hình 4-3: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-4: Mặt trƣớc tủ điều khiển Hình 4-5: 06 Thyristor mạch chỉnh lƣu cầu pha Hình 4-6: Mạch khuếch đại truyền xung Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-7: Mạch điều khiển pha xung Hình 4-8: Mạch điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.3 Thực nghiệm mơ hình Hình 4-9: Tiến hành thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-10: Điện áp đồng điện áp cƣa Hình 4-11: Điện áp điều khiển điện áp cƣa Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-12: Điện áp cƣa đầu khâu so sánh Hình 4-13: Điện áp cƣa đầu khâu sửa xung Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-14: Xung chùm Hình 4-15: Nhân xung chùm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-16: Xung cấp cho Thyristor Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ động (Đường màu vàng: tốc độ đặt Đường màu xanh: tốc độ động cơ) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-18: Dòng điện động (Đường vàng: dòng động Master Đường xanh: dòng động Slave) KẾT LUẬN: : Hệ thống làm việc ổn định Tốc độ động ổn định theo tốc độ đặt, kể có tải Dịng điện động ln bám theo dịng điện động với sai lệch nhỏ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Kết đạt đƣợc: Luận văn trình bày giải pháp thực kết hợp hai hay nhiều động nối cứng trục làm việc để tạo công suất lớn theo yêu cầu đồng thời cho phép động đóng góp phần cơng suất riêng theo mong muốn Ý tƣởng giải pháp đơn giản, coi dịng động dịng mẫu, dòng động khác làm việc bám theo dòng mẫu với hệ số mong muốn lớn hay nhỏ 1, điều thực phân chia tải cho động Với ý tƣởng giải pháp nêu, thí dụ ta ghép động thứ có cơng suất định mức 2000 Kw, tốc độ định mức 1500 vòng/phút, động thứ hai 2000 Kw, 1500 vòng/phút, với động thứ ba 1000 Kw, 1500 vịng/phút thành động tƣơng đƣơng có thơng số 5000 Kw, 1500 vịng/phút Ngun lý hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu đƣợc áp dụng để thiết kế điều khiển Mạch điện tử thực chức điều khiển thích nghi tƣơng tự đƣợc xây dựng dựa theo cơng thức tốn dƣới dạng biểu thức tích phân Kết mơ phỏng, thực nghiệm nhƣ chí phí để thực chứng minh giải pháp nên đƣợc xem xét, đánh giá cách nghiêm túc để mở triển vọng áp dụng vào thực tế sản xuất Đóng góp luận văn: - Thiết kế điều khiển thích nghi trực tiếp, gián mơ hình mẫu - Đề xuất cấu trúc điều khiển phù hợp Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Dựa sở cấu trúc điều khiển, biểu thức toán học tác giả tiến hành thiết kế mạch điện tử thực chức điều khiển thích nghi Hạn chế đề tài: Thiết kế đề xuất thể nhiều ƣu điểm nhƣ nêu, nhiên bên cạnh cịn thể nhƣợc điểm sau: - Với thiết kế chƣa đề cập tính chất phụ tải - Thuật ngữ chia tải chƣa đƣợc rõ ta sử dụng sensor dòng điện nhƣ - Nghiên cứu dừng lại việc chia tải cho động điện chiều - Chỉ dừng lại thiết kế, mô phỏng, mơ hình thử nghiệm, cần áp dụng vào thực tế sản xuất Đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Để giúp cho tốn đƣợc hồn thiện hơn, nghiên cứu tới cần quan tâm vấn đề sau: - Thuật ngữ chia tải rõ ta sử dụng sensor đo mô men trục động thay sử dụng sensor dịng điện nhƣ Tuy nhiên sensor đo mơ men có giá thành cao, việc lắp ráp khó khăn - Bài tốn chia tải cho động xoay chiều nối cứng trục, làm việc đồng thời - Quan tâm đến tính chất phụ tải Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Áp dụng vào thực tế sản xuất với động công suất lớn khoảng 2500 Kw Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Duy Cương (2014), Đề tài Khoa học Công nghệ cấp Bộ: “Cân tải cho 02 động làm việc song song, nối cứng trục” [2] Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyên Thương Ngô (1999), Lý thuyết điều khiển tự động đại, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ (1998), Máy điên T1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2008), Truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [7] Võ Minh Chính, Nguyễn Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] PGS.TS Võ Quang Lạp, TS Trần Xuân Minh, Giáo trình Kĩ thuật biến đổi, ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên [9] Astrom K.J., Wittenmark B., Adaptive Control [10] Job van Amerongen (2004), Inteligent Control, Part 1: Model Reference Adaptive Control, University of Twente Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... thuật Công nghi? ??p Thái Nguyên Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC,... việc thiết kế, chế tạo động cơng suất lớn, khẳng định khó đắt để thiết kế chế tạo biến đổi công suất lớn tƣơng xứng Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH MẪU (MRAS) ... (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN PHÂN CHIA CƠNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”, tác giả đƣa giải pháp khắc phục khó khăn, hạn chế thay sử dụng động cơng suất lớn ta sử dụng 02 động