Thiết kế hệ tự chỉnh trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - NGÔ THÙY LINH THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o - NGÔ THÙY LINH THIẾT KẾ HỆ TỰ CHỈNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 KHOA CHUYÊN MÔN CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG PHỊNG ĐÀO TẠO Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Ngô Thùy Linh Ngày sinh: 01 tháng 08 năm 1990 Học viên lớp cao học K16 - Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp, Đại học Thái Nguyên Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn thân thực hiện, chưa sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học tương tự công bố, trừ thông tin tham khảo trích dẫn Thái nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Ngơ Thùy Linh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm sâu sắc nhà trường, khoa, trung tâm, phịng ban chức năng, thầy giáo bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Bộ phận quản lý Đào tạo Sau đại học – Phòng Đào tạo, 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, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tận tình hướng dẫn trình tác giả thực luận văn Mặc dù cố gắng, nhiên trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận văn cịn thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! NGƯỜI THỰC HIỆN Ngơ Thùy Linh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1 Mơ hình động điện chiều 1.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Dạng sai phân 1.2.3 Dạng rời rạc .7 1.3 Hàm nhạy hàm bù nhạy 1.4 Các quy luật điều chỉnh 1.4.1 Quy luật điều chỉnh P 1.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 11 1.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 12 1.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 13 1.5 Quy trình chỉnh định tham số PID .14 1.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm .14 1.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm .14 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ CHỈNH THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 18 2.1 Tổng quan hệ điều chỉnh tự động 18 2.1.1 Tiềm năng, ý nghĩa khoa học hệ điều chỉnh tự động 18 2.1.2 Khái niệm hệ điều chỉnh tự động .19 2.1.3 Nhiệm vụ lý thuyết điều chỉnh tự động 20 2.1.4 Các nguyên tắc điều chỉnh tự động 22 2.1.5 Phân loại hệ thống điều chỉnh tự động .24 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 2.2 Giới thiệu điều khiển tự chỉnh 26 2.2.1 Sơ đồ khối điều khiển tự chỉnh bản: .26 2.2.2 Chức khối điều khiển tự chỉnh: 26 2.3 Giới thiệu phương pháp tự chỉnh tham số .27 2.3.1 Xác định thông số hệ thống .27 2.3.2 Lựa chọn phương pháp tự chỉnh tham số .28 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ CHỈNH ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .32 3.1 Các dạng biểu diễn khác điều khiển PID 32 3.2 Trọng số giá trị đặt .33 3.3 Giới hạn số đạo hàm 34 3.4 Nhận dạng trình 35 3.4.1 Mơ hình hai tham số 35 3.4.2 Mơ hình ba tham số 36 3.4.3 Mơ hình bốn tham số .38 3.5 Bộ điều khiển PID tự chỉnh 38 CHƯƠNG MÔ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 41 4.1 Mơ hình mơ .41 4.2 Chỉnh định tay 49 4.3 Đáp ứng độ tự chỉnh 53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập b) Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.2: Mạch vịng điều khiển kinh điển Hình 1.3: Mơ hình mơ với điều khiển PID kinh điển Hình 1.4: Đáp ứng điều khiển kiểu P 10 Hình 1.5: Đáp ứng điều khiển kiểu P với độ lợi lớn .11 Hình 1.6: Đáp ứng điều khiển kiểu PI 12 Hình 1.7: Đáp ứng điều khiển kiểu PD 13 Hình 1.8: Đáp ứng điều khiển kiểu PID 14 Hình 1.9: Đáp ứng điều khiển kiểu P 16 Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển tự chỉnh 26 Hình 2.2: Phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy 29 Hình 3.1 Các dạng PID.(a) không tương tác, (b) tương tác 33 Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển phản hồi .34 Hình 3.3: Phương pháp hình học xác định mơ hình hai thơng số từ đáp ứng q độ 36 Hình 3.4: Phương pháp hình học xác định mơ hình ba thơng số từ đáp ứng q độ 38 Hình 4.1: Mơ hình Simulink hệ thống điều khiển tốc độ động 41 chiều tự chỉnh .41 Hình 4.2: Cấu trúc điều khiển ISA-PID tự chỉnh 41 Hình 4.3: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s lần hiệu chỉnh lần thứ 49 Hình 4.4: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω lần hiệu chỉnh lần thứ 50 Hình 4.5: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s lần hiệu chỉnh lần thứ hai 51 Hình 4.6: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω lần hiệu chỉnh lần thứ hai 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi Hình 4.7: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s lần hiệu chỉnh lần thứ ba 52 Hình 4.8: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω lần hiệu chỉnh lần thứ ba .53 Hình 4.9: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s điều khiển PID tự chỉnh 54 Hình 4.10: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω điều khiển PID tự chỉnh 54 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 43 % * a FOPDT model through the areas method % * one point of the frequency response through the method of the % % relay - sythesis of the PID parameters using % * KT method % * IMC method % * First and second ZN method % - it's still a work in progress!! ;-) % % Author: William Spinelli (wspinell@elet.polimi.it) % Copyright 2004 W.Spinelli % $Revision: 1.0 $ $Date: 2004/02/27 12:00:00 $ switch flag, % Initialization case 0, [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes(Ts); % Outputs case 3, [sys] = mdlOutputs(t,x,u,Ts,As); % Unused flags case { 1, 2, 4, } sys = []; otherwise Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 44 error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); end % end pid_superv %========================================================== =================== % mdlInitializeSizes % Return the sizes, initial conditions, and sample times for the S-function %========================================================== =================== function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes(Ts) global Y_AUTOTUNING Y_AUTOTUNING = []; % store the step (or relay) response used for tuning % initialized to an empty vector % set up S-function sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs sizes.NumInputs = 2; = 1; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; % at least one sample time is needed sys = simsizes(sizes); x0 = []; str = []; ts = [Ts 0]; Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 45 % end mdlInitializeSizes %========================================================== =================== % mdlOutputs % Return the block outputs %========================================================== =================== function [sys] = mdlOutputs(t,x,u,Ts,As) % sys(1) : auto/manual switch % sys(2) : autotuning (0 : autotuning in progress; : normal operation) % u(1) : new sample of the step response global PIDPARAMETERS global IDENTIFICATION_METHOD global TUNING_STRUCTURE global TUNING_METHOD global TUNING_PARAM global AUTOTUNE global AUTOMAN global Y_AUTOTUNING step_steadyThr = 0.05; % threshold on derivative to consider the % step response to a stedy state relay_steadyThr = 0.05; % threshold on peaks percentual difference to % consider the relay response to steady state if AUTOTUNE Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 46 % store the new sample of the step response Y_AUTOTUNING = [Y_AUTOTUNING; u(1)]; y = Y_AUTOTUNING; if strcmp(IDENTIFICATION_METHOD,'STEP') % check if the step response has reached a steady state (i e check if % the last 10% of the step response is ``flat'' enough) N = fix(length(y)/10); % last 10% of the step response if N > 15 % the step response must be made at least by 150 samples deltay = abs(y(end)-y(1)); yw = y(end-N:end); % mean value of the derivative in the window lower than a fraction % of the maximum value of the derivative idok = (max(yw)-min(yw)) < step_steadyThr*(max(y)-min(y)); else idok = 0; end if idok model = idareas(y,1,Ts); end elseif strcmp(IDENTIFICATION_METHOD,'RELAY') % IDENTIFICATION WITH THE RELAY METHOD dy = diff(y); Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 47 ind = find(dy(1:end-1)>0 & dy(2:end)=4 & length(ind)=10 % force the stop of the relay identification idok = 1; else idok = 0; end if idok model.A = max(y)-min(y); model.T = Ts*(ind(end)-ind(end-1)); end end % autotuning required if idok Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 48 % selection of the regulator structure regStruct = pid_structure(model,TUNING_STRUCTURE); % synthesis of the PID parameters try [K,Ti,Td,N,b] = pid_tuning(model,TUNING_METHOD,TUNING_PARAM,regStruct,As); % update PID parameters PIDPARAMETERS = [K Ti Td N b]; catch % no change in the parameters end AUTOTUNE = 0; end % put the PID in manual mode during autotuning and propagate the % ``autotuning running'' signal sys = [AUTOMAN 1]; else % empty the step response vector Y_AUTOTUNING = []; % put the PID in auto mode during autotuning and propagate the % ``autotuning not running'' signal sys = [AUTOMAN 0]; end % end mdlOutputs Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 49 4.2 Chỉnh định tay Sau số lần hiệu chỉnh, đầu hệ thống điều khiển tốc độ động chiều bám theo tín hiệu đặt với tham số sau điều khiển PID: K = 0.065; Ti = 0.05; Td = 0.03; N = 5; b = 1.0; c=0 Đáp ứng độ tốc độ ω thay đổi từ - 50Rad/s có dạng hình 4.3 Các đáp ứng q độ với giá trị đặt khác tốc độ góc ω′ cho hình 4.4 Toc goc cua dong co 80 70 60 A 50 40 30 20 10 Gia tri dat Gia tri thuc 98 99 100 101 102 103 Time (s) 104 105 106 Hình 4.3: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s lần hiệu chỉnh lần thứ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 50 Toc goc cua dong co 150 A 100 50 Gia tri dat Gia tri thuc -50 100 110 120 130 140 150 Time (s) 160 170 180 190 200 Hình 4.4: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω lần hiệu chỉnh lần thứ Các đáp ứng độ tốc độ ω thay đổi từ - 150Rad/s hình 4.3 4.4 có độ q điều chỉnh lớn Hiệu chỉnh lại tham số điều khiển PID lần thứ hai sau: K = 0.065 Ti = 0.05 Td = 0.01 N=5 b = 1.0 c=0 Các đáp ứng độ tốc độ ω thay đổi từ - 50Rad/s với giá trị đặt khác tốc độ góc ω thể hiển hình 4.5 4.6 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 51 Toc goc cua dong co 80 70 60 50 A 40 30 20 10 Gia tri dat Gia tri thuc 98 99 100 101 102 Time (s) 103 104 105 106 Hình 4.5: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s lần hiệu chỉnh lần thứ hai Toc goc cua dong co 150 A 100 50 Gia tri dat Gia tri thuc -50 100 110 120 130 140 150 Time (s) 160 170 180 190 200 Hình 4.6: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω lần hiệu chỉnh lần thứ hai Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 52 Mặc dù đáp ứng độ cho thấy tốc độ thực bám theo tốc độ đặt sai lệch tĩnh tốc độ đặt ω = 150 Rad/s Vì vậy, tham số điều khiển PID chỉnh lại lần thứ ba sau: K = 0.065 Ti = 0.1 Td = 0.01 N=5 b = 1.0 c=0 Khi đó, đáp ứng độ tốc độ ω thay đổi từ - 50Rad/s với giá trị đặt khác tốc độ góc ω thể hiển hình 4.7 4.8 Toc goc cua dong co 80 70 60 50 A 40 30 20 10 Gia tri dat Gia tri thuc 98 99 100 101 102 Time (s) 103 104 105 106 Hình 4.7: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s lần hiệu chỉnh lần thứ ba Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 53 Toc goc cua dong co 150 A 100 50 Gia tri dat Gia tri thuc -50 100 110 120 130 140 150 Time (s) 160 170 180 190 200 Hình 4.8: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω lần hiệu chỉnh lần thứ ba Các đáp ứng độ hình cho thấy đầu bám theo giá trị đặt với thời gian độ, độ điều chỉnh sai lệch tĩnh chấp nhận 4.3 Đáp ứng độ tự chỉnh Tiếp theo, tham số PID tự động chỉnh định theo phương pháp Kappa-tau Sau thuật toán tự chỉnh thực xong ta có tham số PID sau: K = 0.052062 Ti = 0.11664 Td = 0.029195 N=5 b = 0.92527 c=0 Các đáp ứng độ tốc độ ω thay đổi từ - 50Rad/s với giá trị đặt khác tốc độ góc ω thể hình 4.9 4.10 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 54 Toc goc cua dong co 80 70 60 50 A 40 30 20 10 Gia tri dat Gia tri thuc 98 99 100 101 102 Time (s) 103 104 105 106 Hình 4.9: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy ω từ - 50Rad/s điều khiển PID tự chỉnh Toc goc cua dong co 150 A 100 50 Gia tri dat Gia tri thuc -50 100 110 120 130 140 150 Time (s) 160 170 180 190 200 Hình 4.10: Đáp ứng độ với hàm bước nhảy khác ω điều khiển PID tự chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 55 Các đáp ứng độ hình cho thấy hệ thống điều khiển với điều khiển PID tự chỉnh đạt chất lượng điều khiển tốt, đầu bám theo giá trị đặt với thời gian độ, độ điều chỉnh sai lệch tĩnh đạt yêu cầu đề Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong luận văn tác giả thực xây dựng hệ tự chỉnh cho hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều Các đáp ứng độ cho thấy hệ thống điều khiển với điều khiển PID tự chỉnh đạt chất lượng điều khiển tốt, đầu bám theo giá trị đặt với thời gian độ, độ điều chỉnh sai lệch tĩnh đạt yêu cầu đề Hệ tự chỉnh giúp nâng cao chất lượng điều khiển áp dụng vào hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều sử dụng vi xử lý TMS320F28069 Luận văn sở cho đề tài khác điều khiển tốc độ động chiều với mạch vịng điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- K.J Astrom and T Hagglund PID Controllers: Theory, Design, and Tuning International Society for Measurement and Control, 1995 [2]- William Spinelli, AutotunerPID Toolkit, The Mathworks, 2009 [3]- Truyền động điện – Nhà xuất khoa học kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền; [4]- Truyền động điện thông minh- Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả: Nguyễn Phùng Quang; [5]- Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi; [6]- Cơ sở truyền động điện - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn; [7]- Matlab & Simulink – Dành cho kỹ sư điều khiển tự động - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Nguyễn Phùng Quang [8]- Điện tử công suất - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Nguyễn Bính [9]- Điện tử cơng suất – Tập - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh [10]- Điện tử công suất – Tập - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh [11]- Giáo trình điện tử cơng nghiệp - Nhà xuất Giáo dục: Tác giả Vũ Quang Hồi [12]- Máy điện mạch điều khiển - Nhà xuất Thống kê: Trần Thế San, Nguyễn Trọng Thắng [13]- Giáo trình máy điện - Nhà xuất Giáo dục: Đặng Văn Đào, Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh [14]- Điều khiển số máy điện - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật: Tác giả Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành [15]- Piccolo Microcontrollers - www.ti.com Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... PHƯƠNG PHÁP TỰ CHỈNH THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 18 2.1 Tổng quan hệ điều chỉnh tự động 18 2.1.1 Tiềm năng, ý nghĩa khoa học hệ điều chỉnh tự động 18... hệ thống điều khiển số động chiều Chương 2: Nghiên cứu phương pháp tự chỉnh tham số hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều Chương 3: Xây dựng thuật toán tự chỉnh áp dụng cho hệ thống điều khiển. .. dựng đề tài: " Thiết kế hệ tự chỉnh hệ thống điều khiển số tốc độ động chiều" Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài thiế t kế ̣ tự chin ̉ h ̣ thố ng điều khiển số tốc độ động chiều Để đạt mục