Luận văn thạc sĩ nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ BÍCH NGA NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG TRONG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS VÕ QUANG LẠP PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Thị Bích Nga học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số - BQP Xin cam đoan: Đề tài “ Nâng cao chất lượng hệ chuyển động nhiều động ứng dụng chuyển động trục cán” hướng dẫn PGS - TS Võ Quang Lạp cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo ghi danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu khác mà không ghi danh mục Tôi xin cam đoan tất nội dung luân văn đề cương yêu cầu giáo viên hướng dẫn Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy PGS - TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyền động nhiều động ứng dụng chuyển động trục cán” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Võ Quang Lạp tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Khoa sau đại học, thầy giáo, cô giáo khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập q trình nghiên cứu thực luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình quan tâm động viên, giúp đỡ suốt trình học tập Tác giả Nguyễn Thị Bích Nga iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN 1.1 Ứng dụng hệ truyền động nhiều động máy sản xuất 1.2 Đặc tính phụ tải hệ truyền động nhiều động 1.2.1 Đặc tính phụ tải máy gia công kim loại 1.2.2 Đặc tính phụ tải chuyển động trục cán dây chuyền cán liên tục .3 1.3 Phân tích chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động cán nóng thơ 1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động điện chiều (F - Đ) 1.3.2 Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động điện chiều (T - Đ) 10 1.3.3 Hệ thống truyền động vecto biến tần – động không đồng (BT - Đ KĐB) 11 1.4 Kết luận chương 12 CHƯƠNG II: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ .13 2.1 Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô 13 2.2 Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB cho hệ truyền động dây chuyền cán thô 14 2.2.1 Mô tả động KĐB ba pha dạng đại lượng vector không gian 14 2.2.2 Các phương pháp biến đổi đại lượng điện động KĐB từ hệ tọa độ vectơ không gian (a,b,c) hệ tọa độ khác 16 v 2.2.3 Sự biến đổi lượng mômen điện từ 16 2.2.4 Xây dựng mơ hình tốn học cho động không đồng 18 2.2.5 Cơ sở để định hướng từ thông hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 21 2.2.6 Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB 25 2.2.7 Mô hệ truyền động 28 2.3 Kết luận chương 31 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LỰC CĂNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ .32 3.1 Đặt vấn đề 32 3.2 Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với RT dùng PID tuyến tính .32 3.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng 32 3.2.2 Tởng hợp mạch vịng 33 3.2.3 Mô hệ ổn định lực căng 34 3.3 Nâng cao chất lượng hệ điều khiển ổn định lực căng hệ điều khiển chuyển động dây chuyền cán thô 38 3.3.1 Tổng hợp hệ thống sử dụng điều khiển mờ thích nghi 39 3.3.2 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song 47 3.4 Kết luận chương 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC I 71 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TỪ HỆ TỌA ĐỘ CỦA VECTƠ KHÔNG GIAN(a,b,c) VỀ CÁC HỆ TỌA ĐỘ KHÁC 71 PHỤ LỤC 81 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ 81 PHỤ LỤC 86 TÍNH TOÁN CÁC THỚNG SỚ 86 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8a Hình 2.8b Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 viii Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình P1.1 Hình P1.2 Hình P1.3 Hình P1.4 Hình P2.1 Hình P2.2 Hình P2.3 u1q = L1ω1i1d + (R1 + pL1 )i1q + kr (ω1ψ 2d − Lmω1i1d + pψ 2q − pLmi1q ) = ω1 (L1 − kr Lm )i1d + [R1 + p(L1 − kr Lm )] i1q + krω1ψ 2d + kr pψ 2q Từ ta có: u1d − kr u2d = Rn i1d + pLn i1d −ω1Lni1q − T2 kr ψ 2d − kr ω.ψ 2q 79 −k u 1q u r 2q Trong đó: Ln = L1 − kr Lm Nếu dây quấn rotor quy đởi dây quấn stator thì: L1 = Lm + L1t L2 = Lm + L2t Ln = L1t + (1 − kr )Lm Trong L1t L2t hệ số tự cảm tản dây quấn stator rotor Vậy ⇒L =L n1t  Ln = L1t + kr L2t Như vậy: Rn Ln điện trở điện kháng ngắn mạch động L Rn Kết hợp (P1-27) (P1-28) với ý u2d = u2q = ta hệ phương trình: = (R + pL ).i u 1d n = ω L i u 1q 1n 1d = − Lm i1d + (1+T2 p)ψ 2d −ωs T2 ψ 2q = − Lm i1q +ωs T2 ψ 2d + (1+T2 p)ψ 2q Viết dạng ma trận là: 80 u   u1q pL −ω n     0 −L Hệ phương trình (P1-30) cho ta thấy mối quan hệ giữa từ thông rotor với điện áp dịng điện stator Điều có ý nghĩa quan trọng việc phân tích hệ thống điều chỉnh từ thơng theo dịng điện stator 81 PHỤ LỤC TỞNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DỊNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ P2.1 Tởng hợp điều chỉnh dịng điện Trong mạch vòng điều khiển dòng điện, tín hiệu Et thực chất tín hiệu phản hồi phi tuyến Nhưng coi tác động nhiễu theo quy luật xác định để thiết kế điều chỉnh dịng điện có khả loại trừ ảnh hưởng tín hiệu Et đến dòng điện động WL(p) Hình P2.1: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Từ sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dịng điện (hình P2.1), ta xác định hàm truyền hệ kín là: ku (p) = Wi + ku R - Theo tiêu chuẩn modun tối ưu ta có: (p) = W 0Tu Trong đó: τ ∑ số thời gian điều chỉnh Từ sơ đồ cấu trúc hình 3.12 ta có: WoTu = Ri.Ku W1(P) WL(P) ⇒ hàm truyền điều chỉnh dòng điện : W R (p) = 0TU i ku W1 (p).WL (p) 82 Ta chọnτ ∑ = TL = Ti, hàm truyền điều chỉnh dịng điện có dạng gần sau: Rn (1 + Tn p)(1 + TL R (p) = 2Kuτ ∑ p(1 i Trong đó: k p1 = Như điều chỉnh dịng điện Ri (p) có dạng khâu PI (tỷ lệ tích phân) P2.2 Tổng hợp điều chỉnh tốc độ P2.2.1 Tún tính hố phương trình mơmen Từ phương trình mơmen: ( M = kr ψ 2d i1q −ψ 2q i1d ) Nếu bỏ qua q trình q độ mạch vịng dịng điện từ thơng rotor ψ ψ 2d  =  = ψ q *  ψ 2d  ψ   L i*  m * = q 1d   0 Khi kể dến trình q độ mạch vịng dịng điện ta đặt: i 1d i 1q  2d = ψ * d + ∆ψ 2d ∆i1d ∆i1d  2q = ψ * q + ∆ψ 2q Ta nhận thấy thành phần ∆ψ2d ∆ψ 2q thành phần ∆i1q gây Với điều chỉnh dịng điện chọn thành phần ∆i1q sẽ dao động tắt dần với chu kỳ 2T Theo sơ đồ cấu trúc động không đồng bộ, thành phần từ thơng liên hệ với dịng điện qua khâu chu kỳ có hàm truyền là: W2 (p) = 83 ∆i1d Do T2 >> T nên thành phần ∆i1q qua khâu sẽ bị suy ∆ψ 2q sẽ có giá trị nhỏ giảm đáng kể Vì thành phần ∆ψ2d sau: Phương trình nơ men viết ( ) M = kr ψ 2*d i1q + kr ∆ψ 2d i1q − ∆ψ 2q i1d = M ' + ∆M Trong đó: M ' = kr ψ 2*d i1q = km i1q ∆M = kr (∆ψ 2d i1q − ∆ψ 2q i1d ) km = kr ψ 2*d Thành phần ∆M nhỏ tắt dần nên xem ảnh hưởng nhiễu Từ ta có M ≈ M' = km.i1q Từ đây, xây dựng sơ đồ cấu trúc tuyến tính mạch vòng tốc độ ở hình P2.2 P2.2.2 Tởng hợp điều chỉnh tốc độ ω* Rω(p) WF(p) Hình P2.2: Sơ đồ cấ u trúc mạch vịng điều chỉnh tớc đợ Trong sơ đồ cấu trúc ta thấy thành phần i1d khơng tham gia vào trực tiếp Nó đóng vai trị dịng điện để tạo từ thơng động ảnh hưởng đến hệ số km + km: Hệ số khuếch đại động + J : Mômen quán tính quy đổi trục động + WF =KF/(1+TFP): Hàm số truyền khâu lấy tín hiệu phản hồi tốc độ Theo sơ đồ cấu trúc (hình P2.2) ta có hàm truyền hệ kín: Wω (p) = Rω Wi (p) km Jp + R W (p) km W (p) (P2.4) ω i Jp F 84 với Wi (p) hàm truyền hệ kín mạch vòng điều chỉnh dòng điện xác định sau: Ta thay (P2-3) vào (P2-1) ta có : (p) = Wi = 1+TL p 1+ 2T p(1+ T i Từ sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh tốc độ (hình P2.2), đơn giản hố thành sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ (như hình P2.3) hàm truyền đối tượng điều khiển sẽ có dạng (P2-6) ω* (p) = W W DT i Đặt kω = km ; suy * Dùng tiêu chuẩn modun tối ưu: Từ sơ đồ cấu trúc hình P2.3 ta có hàm số truyền hệ hở hệ kín mạch vòng phản hồi tốc độ: W0TU(p) = Rω.WDT(p) WF(p) Suy ra: W DT 85 Trong đó: WOTU (p) Rω (p) = WDT (p).WF (P2-8) Vậy hàm truyền điều chỉnh tốc độ Rω(p) khâu P (Tỷ lệ) * Dùng phương pháp modun đối xứng: Hàm chuẩn theo phương pháp môdun đối xứng có dạng : W 0DX Suy hàm truyền điều chỉnh tốc độ theo phương pháp môdun đối xứng là: W Rω (p) = DX (4τ ∑ p +1)Tp[(Tω = truyền Rω(p) có dạng khâu PI (tỷ lệ - tích phân) P3.1 Các thông số cho trước Pđm Uđm nđm Iđm Lư Rư Ti Tω Tφ ηđm GD P3.2 Tính tốn thơng số Tốc độ góc định mức: ω®m = 2.π.n 60 = ®m 2.π.1500 = 157rad / s 60 Mômen định mức: M ®m = kφ®m I ®m = 1, 2178.4,3 = 5, 2365Nm Trong đó: kφ Hằng số thời gian phần ứng: T = L R Hàm truyền động cơ: W§ (p) = 87 Hàm truyền PWM: PWM Trong đó: K PWM = 220 = 22 10 Hàm truyền điều chỉnh dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu mơdul: R i (p ) = Trong đó: Tsi = Ti +Tv +Tđk =2,5 +3,3 + 0,1 =5,9ms =5,9.10-3s Ki: Hệ số khuếch đại cảm biến dòng điện U ®k = K i I ®m ⇒ R i (p ) =  R i (p ) = 0, 322   Hàm truyền điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu môdul: R ω (p) Ta có: Hệ số khuếch đại cảm biến tốc độ: Kω = = 0,0318 157 Ta có: Tω = 1ms Tsω = Tω + 2.Tsi = 1+ 2.5,9 = 12,8ms T c R ω (p ) = = j.R kφ2 88 Hàm truyền điều chỉnh vị trí Rφ theo tiêu chuẩn môdul: R ϕ (p ) = l=100cm r=0,32cm l= T.r = 2.π.r.n Ta có: ⇒ n =  T= r = 2.π.n = 100 π(rad) T.Kϕ = UT® Hệ số khuếch đại cảm biến vị trí: ⇒Kϕ = Kr: hệ số khuếch đại truyền lực T= ⇒K R ϕ (p ) = R ϕ (p ) = 1, 656 (1 + 0, 0256p ) ... thời nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động Với cách đặt vấn đề nên đề tài luận văn chọn là: ? ?Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động ứng dụng chuyển động trục cán ”... dung luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan hệ truyền động nhiều động ứng dụng chuyển động trục cán Chương 2: Tổng hợp hệ truyền động nhiều động ứng dụng cho truyền động dây chuyền cán. .. dùng hệ truyền động chất lượng cao thỏa mãn yêu cầu máy sản xuất Hệ thống điều khiển chuyển động trục cán kim loại thuộc hệ điều khiển chuyển động 1.2 Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều