Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng các bộ điều khiển cổ điển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Đinh Tiến Huy Giáo viên hướng dẫn : GS.TSKH Thân Ngọc Hồn HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG o0o - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU BẰNG CÁC BỘ ĐIỂU KHIỂN CỔ ĐIỂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Đinh Tiến Huy Giáo viên hướng dẫn : GS.TSKH Thân Ngọc Hồn HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG o0o - NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Đinh Tiến Huy – MSV : 1612102011 Lớp : ĐC2001 Ngành : Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều điều khiển cổ điển NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp -Tìm hiểu điều khiển động chiều điều khiển cổ điển Các tài liệu, số liệu cần thiết Địa điểm thực tập tốt nghiệp CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Thân Ngọc Hoàn Học hàm, học vị : GS.TSKH Cơ quan công tác : Trường Đại Học quản lý cơng nghệ Hải Phịng Nội dung hướng dẫn : Tìm hiểu điều khiển động chiều điều khiển cổ điển Đề tài tốt nghiệp giao ngày 12 tháng 10 năm 2020 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 31 tháng 12 năm 2020 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Giảng viên hướng dẫn Đinh Tiến Huy GS.TSKH Thân Ngọc Hồn Hải Phịng, ngày tháng TRƯỞNG KHOA năm 2020 Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc -PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giáo viên: GS.TSKH Thân Ngọc Hồn Đơn vị cơng tác: Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng Họ tên sinh viên: Đinh Tiến Huy Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Có tinh thần tự chủ, cố gắng học tập đọc tài liệu tham khảo để hoàn thành đồ án đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/ khóa luận( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu ) Nội dung đáp ứng yêu cầu đồ án tốt nghiệp Nếu ý từ đầu kết Do trình học sinh viên chưa nắm chất vấn đề điều khiển động chiều điều khiển PI,PID nên làm đồ án lúng túng, kết chưa thật mong đợi Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Đồng ý cho sinh viên bảo vệ, sinh viên cần cố gắng nhiều q trình cơng tác sau Được bảo vệ x Khơng bảo vệ Điểm hướng dẫn 8,5 Hải Phịng, ngày 24 tháng 12 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn ( ký ghi rõ họ tên) GS.TSKH Thân Ngọc Hồn Cộng hịa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc - PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giảng viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Khơng bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phịng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên chấm phản biện ( ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, phát triển kỹ thuật điều khiển truyền động điện cho dây chuyền sản xuất công nghiệp đạt nhiều thành tựu to lớn Cùng với phát triển phương pháp điều khiển động nghiên cứu phát triển ngày tối ưu Bên cạnh việc sâu tìm hiểu giải pháp điều khiển cho động chiều nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Đã có nhiều tài liệu viết điều khiển động chiều Trong nhiều phương pháp nghiên cứu ứng dụng thực tế chế tạo thành sản phẩm thương mại sử dụng tốt công nghiệp Tuy nhiên phương pháp điều khiển ứng dụng phương pháp truyền thống, dựa phương pháp điều khiển sử dụng phần tử bán dẫn thông dụng điều khiển góc mở cho van bán dẫn Trong năm gần có số cơng trình nghiên cứu sử dụng vi điều khiển ứng dụng điều khiển cổ điển Đã giúp tối thiểu hóa mạch điều khiển hệ truyền động nâng cao tính linh hoạt điều khiển tự động truyền động điện Việc điều khiển số động chiều quan trọng Nên em giao đề tài: "Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều điều khiển cổ điển." Trong thời gian nghiên cứu đề tài em nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hồn thầy cô môn điện tự động công nghiệp Do thời gian có hạn lực thân hạn chế đồ án em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thông cảm bảo thầy cô để em hoàn thiện đồ án Em xin dành lời chân thành cảm ơn quý thầy cô! Sinh viên thực Đinh Tiến Huy _1_ MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .4 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Ưu điểm động điện chiều 1.2 Cấu tạo động điện chiều 1.3 Nguyên lí hoạt động động điện chiều 10 1.4 Các đặc tính động điện chiều .11 1.4.1 Đặc tính động kích từ đôc lập song song .11 1.4.2 Đặc tính động kích từ nối tiếp 13 1.4.3 Đặc tính động kích từ hỗn hợp 16 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Các yêu cầu điều khiển tốc độ động chiều 20 2.2.1 Điều khiển tốc độ thay đổi điện áp 20 2.2.2 Điều khiển tốc độ cách thay đổi từ thông ϕ 24 2.2.3 Điều khiển tốc độ phương pháp thay đổi điện chở phụ R f mạch phần ứng .26 2.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều .27 2.3.1 Hệ truyền động Máy phát – Động (F – Đ) 29 2.3.2 Hệ truyền động Van tiristor – Động (T – Đ) 32 2.3.3 Hệ truyền động Xung áp – Động (XA – Đ) 37 _2_ 2.3.3.1 Nguyên lý băm xung chiều .37 2.3.3.2 Các phương pháp điều chỉnh điện áp 39 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN 43 3.1 Mở đầu 43 3.2 Mơ hình tốn học động 44 3.3 Thiết kế điều khiển 51 3.3.1 Bộ điều khiển P-I 51 3.3.2 Bộ điều khiển I-P 51 3.3.3 Bộ điều khiển PID 52 3.3.4 Phương pháp chăm sóc ZIEGLER-NICHOLS 53 3.3.5 Bộ điều khiển FUZZY 53 3.4 Kết mô 53 Kết luận 60 _3_ Từ (hình 1) cách áp dụng KVL, nhận phương trình vịng phần ứng như: _47_ Ở đây: V = điện áp áp dụng I = dòng điện phần ứng E = trở lại emf L = điện cảm phần ứng R = điện trở phần ứng Chúng ta có, Đây: K b = số emf θ = dịch chuyển góc w= tốc độ góc Từ phương trình (1) (2), nhận được: Đối với hoạt động bình thường, phương trình mơ-men xoắn cho bởi: _48_ Đây: T = mômen động TL = tải mơ-men xoắn J = qn tính rơto B = hệ số ma sát Chúng ta có, T = K t I thay TL = (4) Các phép biến đổi Laplace cho (3) (5) cho: Từ hàm (6) (7), nhận hàm truyền Động DC như: _49_ Và có: Hình 2: Sơ đồ khối động DC (Bảng 1): thông số động DC Tham số Giá trị Điện trở phần ứng (R) 0.6Ω Điện cảm phần ứng (L) 0.012H Emf số (K b ) 0.55(volt/(rad/sec)) Mômen không đổi (K t ) 0.55(N-m/ampere) Mơmen qn tính (J) 0.0465 (kg-m^2/rad) Hệ số ma sát (B) 0.004 (N-m/(rad/sec)) _50_ 3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Bộ điều khiển P-I: Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ chứa hai phụ âm độ lợi tỷ lệ độ lợi tích phân Điều điều khiển đưa vào đường dẫn vịng kín hệ thống Lợi tức tỷ lệ thiết lập hệ thống ổn định để cải thiện phản ứng thời Một phần thiếu để giảm sai số trạng thái ổn định Bằng cách áp dụng Ziegler- Phương pháp Nichols tính tốn giá trị lãi tỷ lệ tích phân Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển P-I Bộ điều khiển định nghĩa là: Đây: K p = Tỷ lệ thuận K I = Tích phân 3.3.2 Bộ điều khiển I-P: Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân dạng nâng cao điều khiển tích phân tỷ lệ Trong điều khiển này, phần tích phân nằm đường dẫn truyền tiếp phần tỷ lệ nằm đường dẫn phản hồi Nhược điểm điều khiển P-I vượt đỉnh cao Để giảm độ vọt lố đỉnh đáng kể sử dụng điều khiển I-P _51_ Hình 4: Sơ đồ khối điều khiển I-P 3.3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID: Bộ điều khiển PID chủ yếu điều khiển sử dụng thời gian thực ứng dụng Vì điều khiển có lợi P- I điều khiển I-P Bộ điều khiển đưa vào nguồn cấp liệu đường dẫn hệ thống vịng kín hình Hình 5: sơ đồ khối điều khiển PID Bộ điều khiển PID đươc định nghĩa là: Đây: 𝑇𝑖 = thời gian hành động tích hợp 𝑇𝑑 = thời gian hành động phái sinh _52_ 3.3.4 PHƯƠNG PHÁP CHĂM SÓC ZIEGLER-NICHOLS: Việc điều chỉnh điều khiển thích hợp cần thiết để cải thiện hiệu suất hệ thống Có nhiều phương pháp để thiết kế điều khiển Phương pháp đơn giản phương pháp tốt để thiết kế điều khiển Bằng cách thiết lập Ti = ∞ Td = sử dụng tỷ lệ tăng kiểm soát, giá trị mức tăng tăng từ đến a giá trị quan trọng (𝐾𝑐𝑟 ) mà đầu trưng bày dao động (hệ thống không bị phá hủy) Ở giá trị thu này, lưu ý giảm giá trị chu kì dao động (Pcr ) (Bảng 2): giá trị độ lợi điều khiển 3.3.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY: Điều khiển logic mờ thuật toán điều khiển dựa chiến lược kiểm sốt ngơn ngữ, đúc kết từ chuyên gia kiến thức thành chiến lược điều khiển tự động Một khối sơ đồ cho hệ thống điều khiển mờ cho hình Hình 6: sơ đồ khối điều khiển mờ _53_ Điều có hai lỗi tốc độ đầu vào thay đổi lỗi tốc độ đầu Đầu vào có bảy chức thành viên đầu có bảy chức thành viên Hình 7: biến lỗi tốc độ Hình 8: thay đổi biến lỗi tốc độ Hình 9: biến đầu Có 49 luật mờ hệ thống Chúng xác định như: _54_ (Bảng 3): quy tắc mờ Đây: NB = âm lớn NM = phương tiện âm NS = âm nhỏ ZE = không PS = dương nhỏ PM = phương tiện tích cực PB = tích cực lớn (Hình 10): Mơ hình liên kết mô điều khiển logic mờ _55_ 3.4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG (Hình 11): Mơ hình mơ cho điều khiển P-I (Hình 12): Mơ hình mơ cho điều khiển I-P (Hình 13): Mơ hình mơ cho điều khiển PID Hình cho thấy phản ứng hệ thống điều khiển khác P-I, I-P, PID mờ _56_ (Hình 14): Tốc độ vs thời gian Bảng (4): so sánh điều khiển Loại điều khiển P-I I-P PID PUZZY % Vượt 26.6 16.6 0 Thời gian giải (giây) 0.6 0.55 0.45 0.25 _57_ _58_ _59_ KẾT LUẬN Sau thời gian tháng làm đồ án với hướng dẫn tận tình thầy giáo: GS.TSKH Thân Ngọc Hồn Em hoàn thành đề tài giao “Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động chiều điều khiển cổ điển” Quá trình thực đồ án giúp em củng cố lại kiến thức mà học Ngồi qua q trình tìm hiểu thực tế bên để hoàn thành đồ án giúp em có thêm kiến thức thực tế quý báu Do kiến thức hạn chế nên em cịn có thiếu sót định Vì vậy, em mong góp ý, bổ sung thầy cô giáo để đồ án em hồn thiện Bộ điều khiển P-I có độ vọt lố cao độ lắng cao thời gian Trong điều khiển I-P độ vọt lố giảm bớt Nhưng thời gian lắng cao Bộ điều khiển PID loại bỏ tình trạng vọt lố hồn tồn, thời gian giải không giảm đáng kể Bộ điều khiển mờ giúp loại bỏ hoàn toàn việc chạy tốc độ thời gian lắng giảm Do điều khiển mờ hoạt động tốt số tất điều khiển Một mơ hình tốn học hệ thống cân bóng phát triển định luật vật lý điện Các giá trị tham số điều khiển (Kp , Ki Kd ) có cách sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công từ mô mô hình thực tế để hệ thống phản hồi tốt Từ kết thử nghiệm, thấy tham số điều khiển mang lại phản hồi tốt hệ thống là: K p = 3, K i = K d = Em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, ngày 24 tháng 12 năm 2020 Sinh viên Đinh Tiến Huy _60_ TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển tự động hệ thống Truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Nguyễn Bính (1996), Điện tử cơng suất NXB Khoa Học Kỹ Thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2008), Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học kỹ thuật Yasser Ali Almatheel, Ahmed Abdelrahman “Điều khiển tốc độ động DC sử dụng logic mờ Bộ điều khiển ” Hội nghị quốc tế 2017 Giao tiếp, Điều khiển, Máy tính Kỹ thuật Điện tử (ICCCCEE), Khartoum, Sudan McGraw-Hill, Kỹ sư Điện tử Sổ tay, 2005 Cho biết Ali Bhatti, Amil Daraz “So sánh P-I Bộ điều khiển I-P cách sử dụng Ziegler-Nichols Phương pháp điều chỉnh để điều khiển tốc độ động DC ” Natick, Hướng dẫn sử dụng hộp công cụ lôgic mờ, 1995 - Năm 1999 Tiến sĩ Maan, M Shaker- Yaareb, M.B Ismeal Al khashab, Thiết kế Triển khai Mờ Hệ thống logic điều khiển tốc độ động DC, Iraq J Kỹ thuật điện điện tử, Tập số , Năm 2010 F Ahmed, A Tobshy, A Mahfouz, M Ibrahim "SỐ PI điều khiển IP vịng kín cho động DC ổ đĩa "Hội nghị chuyển đổi công suất-Nagaoka 1997., Kỷ yếu Tập IEEE, 1997 10.S Singh, Tiến sĩ Pandey, Dipraj "Thiết kế PI Bộ điều khiển để giảm thiểu lỗi tốc độ D.C Động Servo "Tạp chí Khoa học Quốc tế & Nghiên cứu Công nghệ, tập năm 2012 11.S Khuntia, K Mohanty, S Panda, C Ardil A nghiên cứu so sánh PI, IP, mờ mờ thần kinh điều khiển để điều khiển tốc độ truyền động động DC Tạp chí Khoa học Hệ thống Điện Quốc tế Kỹ thuật, tập 1, 2009 12.Wang, Y G Shao, H H (1999) Điều chỉnh PID cho cải thiện hiệu suất, Giao dịch IEEE Công nghệ Hệ thống Điều khiển, vol 7, trang 457-465 13.Website www.ebook.edu.vn _61_ ... suất hệ _42_ Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN 3.1 MỞ ĐẦU Động DC sử dụng nhiều ngành cơng nghiệp qua AC động đặc tính tốc độ tuyệt... chỉnh tốc độ động chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”) Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện... PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU & MỘT SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU TIÊU BIỂU 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Các yêu cầu điều khiển tốc độ động chiều