Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BBĐ động cơ một chiều (CL DC)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4 1.1. Động cơ điện một chiều 4 1.1.1 Cấu tạo 4 1.1.1.1 Phần tĩnh(stato) 4 1.1.1.2. Phần quay(rôto) 6 1.1.2. Đặc tính cơ điện của động cơ kích từ độc lập 7 1.1.3. Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều 8 1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 10 1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phầnứng: 10 1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông: 11 1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 13 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 15 2.1. Mô hình toán học của hệ thống điều khiển tự động 15 2.1.1. Mô tả hệ điều khiển tự động bằng phương trình vi phân. 15 2.1.2. Mô tả hệ điều khiển tự động bằng hàm truyền đạt. 17 2.1.2.1. Khái niệm. 17 2.1.2.2. Phép biến đổi laplace 17 2.1.3. Mô tả hệ điều khiển tự động bằng hệ phương trình trạng thái. 19 2.1.3.1. Khái niệm hệ phương trình trạng thái. 19 2.1.3.2. Phương pháp xây dựng hệ phương trình trạng thái. 20 2.2. Mô tả toán học của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp lý thuyết. 21 2.2.1. Mô tả động cơ điện một chiều bằng phương pháp vi phân. 21 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: 21 2.2.2. Mô hình toán học động cơ điện 1 chiều trong miền ảnh Laplace. 22 2.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu 23 2.4 Mô tả toán học phần tử đo lường dòng điện và tốc độ. 25 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG 26 3.1. Bộ điều khiển PID. 26 3.1.1. Khâu tỷ lệ P. 26 3.1.2. Khâu tích phân I. 26 3.1.3. Khâu vi phân D. 26 3.2 Luật điều khiển PID 27 3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất. 28 3.4 Thiết kế bộ điều khiển tầng 31 3.4.1. Thiết kế vòng trong (thiết kế bộ điều khiển ). 31 3.4.2. Thiết kế vòng ngoài(thiết kế bộ điều khiển ). 36 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHẦN MỀM MATLABSIMULINK 38 4.1. Giới thiệu chung về phần mềm matlabsimulink 38 4.2. Mô phỏng tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện 39 4.3. Mô phỏng tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 39 KẾT LUẬN 41 LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta trong những năm gần đây có sự tăng trưởng vượt bậc về kinh tế, cùng với đó là những yêu cầu và sự đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là lĩnh vực tự động hóa các quá trình sản xuất đã có bước phát triển mới, tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức. Cần thực hiện quá trình tự động hóa trong các nhà máy xí nghiệp để giảm được chi phí tiền bạc và thời gian cũng như công sức của những người vẫn hành đứng máy thì cần đặt ra các phương pháp điều chỉnh tự động mà cần tối thiểu đến sự tham gia của con người. Điều chỉnh tự động mà trong đó điều chỉnh tốc độ động cơ là phổ biến hiện nay trong bất kỳ một xí nghiệp nào mà động cơ điều chỉnh ở đây mà em thiết kế là động cơ một chiều. Động cơ một chiều mặc dù có nhiều nhược điểmnhưng nó có một ưu điểm nổi bật so với động cơ xoay chiều đó chính là dễ điều khiển. cho nên trong các nhà máy xí nghiệp thì động cơ điện một chiều còn được sử dụng rộng rãi. Với những kiến thức đã tiếp thu được trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh, sự giúp đỡ rất lớn từ các thầy cô giáo trong bộ môn điều khiển và tự động hóa, đặc biệt là thầy giáo Trần Duy Trinh đã giúp em thực hiện đồ án môn học Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển với đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Chỉnh Tốc Độ Cho Hệ Truyền Động Bộ Biến Đổi Động Cơ Một Chiều (CL_DC). Bản đồ án gồm các nội dung như sau: Chương I: Mô tả cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ. Chương II: Mô tả toán học và tính toán các tham số của các phần tử trong hệ thống truyền động. Chương III: Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện theo phương pháp tối ưu modul,kết hợp tối ưu đối xứng . Chương IV: Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng phần mềm Matlab_Simulink. Trong quá trình thực hiện, bản thân không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn Vinh, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thiết kế CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều vẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0).. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tôc độ tốt , có nhiều ưu điểm hơn so với một số loại động cơ khác. Không những cấu tạo đơn giản mà còn đạt chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, vì vậy nhiều ngành công nghiệp sửdụng.

Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP Vinh, ngày … tháng … năm 2017 Giảng viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Động điện chiều HÌNH 1.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.1 Cấu tạo 1.1.1.1 Phần tĩnh(stato) 1.1.1.2 Phần quay(rôto) HÌNH 1-3 SƠ ĐỒ CÁCH QUẤN DÂY 1.1.2 Đặc tính điện động kích từ độc lập .7 1.1.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 11 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phầnứng: 11 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông: .12 1.2.3 Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng 14 CHƯƠNG MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN .15 2.1 Mơ hình toán học hệ thống điều khiển tự động .15 2.1.1 Mô tả hệ điều khiển tự động phương trình vi phân 16 2.1.2 Mô tả hệ điều khiển tự động hàm truyền đạt 18 2.1.2.1 Khái niệm 18 2.1.2.2 Phép biến đổi laplace 18 2.1.3 Mô tả hệ điều khiển tự động hệ phương trình trạng thái 20 2.1.3.1 Khái niệm hệ phương trình trạng thái 20 2.1.3.2 Phương pháp xây dựng hệ phương trình trạng thái .22 2.2 Mơ tả tốn học động điện chiều kích từ độc lập phương pháp lý thuyết 23 GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh 2.2.2 Mơ hình tốn học động điện chiều miền ảnh Laplace .24 2.3 Mơ tả tốn học chỉnh lưu 26 2.4 Mơ tả tốn học phần tử đo lường dòng điện tốc độ 28 CHƯƠNG TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG .28 3.1 Bộ điều khiển PID .28 3.1.1 Khâu tỷ lệ P 28 3.1.2 Khâu tích phân I .28 3.1.3 Khâu vi phân D 29 3.2 Luật điều khiển PID .29 3.3 Thiết kế điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ 31 3.4 Thiết kế điều khiển tầng 33 3.4.1 Thiết kế vòng (thiết kế điều khiển ) 34 3.4.2 Thiết kế vịng ngồi(thiết kế điều khiển ) 39 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 41 4.1 Giới thiệu chung phần mềm matlab-simulink 41 4.2 Mơ tổng hợp mạch vịng điều khiển dịng điện 42 4.3 Mơ tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 42 KẾT LUẬN 44 GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta năm gần có tăng trưởng vượt bậc kinh tế, với yêu cầu đòi hỏi sản xuất hội nhập vào kinh tế giới việc áp dụng tiến khoa học kỹ thuật mà đặc biệt lĩnh vực tự động hóa q trình sản xuất có bước phát triển mới, tạo sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành kinh tế tri thức Cần thực q trình tự động hóa nhà máy xí nghiệp để giảm chi phí tiền bạc thời gian công sức người hành đứng máy cần đặt phương pháp điều chỉnh tự động mà cần tối thiểu đến tham gia người Điều chỉnh tự động mà điều chỉnh tốc độ động phổ biến xí nghiệp mà động điều chỉnh mà em thiết kế động chiều Động chiều có nhiều nhược điểmnhưng có ưu điểm bật so với động xoay chiều dễ điều khiển nhà máy xí nghiệp động điện chiều cịn sử dụng rộng rãi Với kiến thức tiếp thu trình học tập Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh, giúp đỡ lớn từ thầy cô giáo môn điều khiển tự động hóa, đặc biệt thầy giáo Trần Duy Trinh giúp em thực đồ án môn học Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển với đề tài: "Thiết Kế Bộ Điều Chỉnh Tốc Độ Cho Hệ Truyền Động Bộ Biến Đổi Động Cơ Một Chiều (CL_DC) Bản đồ án gồm nội dung sau: Chương I: Mô tả cấu trúc hệ thống điều khiển động Chương II: Mơ tả tốn học tính tốn tham số phần tử hệ thống truyền động Chương III: Thiết kế điều chỉnh dòng điện theo phương pháp tối ưu modul,kết hợp tối ưu đối xứng Chương IV: Mô hệ thống điều khiển phần mềm Matlab_Simulink Trong trình thực hiện, thân khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận đóng góp thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thiết kế GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Ngày nay, dòng điện xoay chiều sử dụng rộng rãi động điện chiều tồn Trong công nghiệp, động điện chiều sử dụng nơi yêu cầu mở máy lớn yêu cầu điều chỉnh tốc độ phẳng phạm vi rộng Vì động điện chiều có đặc tính làm việc tốt mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, chí từ tốc độ 0) Động điện chiều có đặc tính điều chỉnh tơc độ tốt , có nhiều ưu điểm so với số loại động khác Không cấu tạo đơn giản mà đạt chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt, nhiều ngành cơng nghiệp sửdụng 1.1 Động điện chiều Động điện chiều chia làm hai phần là: Phần tĩnh (stato) Phần quay (rơto) stat o Cực từ Dây quấn cực từ Dây quấn cực từ phụ Cực từ phụ Lõi sắt Gơng từ Dây quấn phần ứng Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo 1.1.1.1 Phần tĩnh(stato) Đây phần đứng yên động cơ, bao gồm phận sau: GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển a Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Cực từ chính: Bu lơng Vỏ máy Lõi sắt cực từ Hình 1.2 Cực từ - Cực từ chính:là phận sinh từ trường,gồm lõi sắt cực từ dây quấn kích từ + Lõi sắt cực từ làm thép kĩ thuật điện dày (0,5 –1)mm ép lại tánchặt + Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện Trong máy công suất nhỏ, cực từ nam châm vĩnh cửu Trong máy cơng suất trung bình lớn, cực từ nam châm điện Cực từphụ: - Cực từ phụ:đặt cực từ dung để cải thiện điều kiện làm việc máy điện đổi chiều b + Lõi thép cực từ phụ khối ghép thép tùy theo chế độ làmviệc Xung quanh cực từ phụ đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ nối với dây quấn phần ứng c Gôngtừ: Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏmáy d Các phậnkhác: Nắp động cơ: để bảo vệ động khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người sử dụng - Cơ cấu chổi than: để đưa dịng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặt lên cổ góp.Hộp chổi than cố đị nh giá đỡ chổi than cách điện vớigiá GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh 1.1.1.2 Phần quay(rôto) Phần quay (rôto) bao gồm phận sau: a Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dịng điện xốy gây lên Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong máy điện lớn, trục lõi sắt có đặt giárơto b Dây quấn phầnứng: C Hình 1-3 Sơ đồ cách quấn dây Là phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua - Dây quấn phần ứng thường làm đồng có bọc cáchđiện Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện trịn Trong máy điện cơng suất vừa lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữnhật c Cổ góp: Miếng đệm mica Ê cu Ống lõi Mi ca PHIẾN ĐỔI CHIỀU CỔ GÓP Hình 1- Cấu tạo cổ góp GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển - Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Cổ góp dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành mộtchiều - Cổ góp có nhiều phiến đồng có nhọn, cách điện với lớp mica dày 0,4—1,2 mm hợp thành trụ tròn Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép lại.Giữa vành góp có cao để làm đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng Các phận khác: - Cánh quạt: quạt gió làm mát động - Trục động cơ: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi 1.1.2 Đặc tính điện động kích từ độc lập Uư Rf E I RKT CKT IKT UKT Hình 1.5 Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập + Phương trình đặc tính cơ: Trongđó: - M + Uư : điện áp phần ứng ( V) + E: sức điện động phần ứng ( V ) + Rư : điện trở mạch phần ứng (Ω) + Rf : điện trở phụ mạch phần ứng (Ω) + Iư : dòng điện mạch phần ứng (A) + ø: từ thông qua cực từ (Wb) + M: mơ men điện động + ω:tốc độ góc động GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh + k: Hệ số cấu tạo đọng Từ trình đặc tính ta có thơng số ảnh hưởng : + Anh hưởng điện trở phần ứng: để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Rf lớn tốc độ động giảm, đồng thời dịng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch giảm + Anh hưởng điện áp phần ứng: giảm điện áp mơmen ngắn mạch giảm, dịng điện ngắn mạch giảm tốc độ động giảm ứng với phụ tải định +Anh hưởng từ thông: thay đổi từ thông cách thay đổi dịng điện Ikt động Khi giảm từ thơng vận tốc động tăng 1.1.3 Nguyên lý hoạt động động điện chiều - Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độclập GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U kt , dây kích từ sinh từ thông Φ max tức phải giảm điện trở mạch kích từ R kt đến nhỏ Cũng cần đảm bảo không xảy đứt mạch kích thích Φ = 0, M = 0, động khơng quay được, E ư= theo biểu thức U=Eư = Rư.Iư dòng điện lớn làm cháy động Nếu mômen động điện sinh lớn mômen cản rôto bắt đầu quay suất điện động Eư tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay Do suất hiệntăng lên Eư , dòng điện Iư giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm Động điện chiều có hai nguồn lượng: - Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh từ thơng kíchtừ - Nguồn phần ứng dưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp phần ứng - Khi cho điện áp chiều vào hai chổi than dây quấn phần ứng có điện Các dẫn cho dòng điện nằm từ trường chiụ lực tác dụng làm rôto quay Chiều lực từ xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiếu góp chiều dịng điện giữ ngun làm cho lực từ tác động không thay đổi GVHD: Trần Duy Trinh Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân cộng lại với để tính tốn đầu điều khiển PID Định nghĩa u(t) đầu điều khiển, biểu thức cuối thuật toán PID sau: u(t) = [e(t) + + ] Chuyển sang miền ảnh Laplace: G(p) = = (1 + + ) thơng số điều chỉnh là: +) Độ lợi tỉ lệ: Nếu sai lệch tĩnh e(t) lớn thơng qua thành phần tỉ lệ, tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn +) Độ lợi tích phân: Nếu sai lệch tĩnh e(t) chưa thơng qua thành phần tích phân,PID cịn tạo tín hiệu điều chỉnh +) Độ lợi vi phân: Nếu thay đổi sai lệch tĩnh e(t) lớn thơng qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp u(t) nhanh => Tóm Lại: Thuật tốn PID mở rộng thuật toán PI thêm thành phần vi phân nhằm cải thiện đặc tính động học hệ thống Thành phần vi phân tỷ lệ với thay đổi sai lệch điều khiển quan sát e(t) Bản chất tác động vi phân đoán trước chiều hướng tốc độ thay đổi biến điều khiển GVHD: Trần Duy Trinh 30 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh đưa đáp ứng thích hợp Do vậy, thành phần vi phân làm tăng tốc đáp ứng hệ kín với thay đổi giá trị đặt tác động nhiễu tải Tuy nhiên, khả đáp ứng nhanh nên tác động vi phân nhạy cảm với nhiễu đo Thành phân tích phân có ảnh hưởng phạm vi tần số thấp hay nói cách khác chiếm ưu hệ thống trạng thái xác lập Thành phần vi phân lại có tác động chủ yếu tần số cao tức có ảnh hưởng tới q trình q độ 3.3 Thiết kế điều khiển PID theo phương pháp Ziegler – Nichols thứ w e R(p) - u y S(p) Hình 3.1: sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín Phương pháp xác định tham số sử dụng mơ hình xấp xỉ bậc có trễ cho đối tượng trình bày cịn có tên phương pháp thứ ZieglerNichols thứ Nó có nhiệm vụ xác định tham số k p , TI , TD cho diều khiển PID sở đối tượng mô tả xấp xỉ hàm truyền đạt dạng: h(t) 40% ω (t ) e(t) (u)t PID )t(y S(s) (-) t Hình 3.2 Nhiệm vụ điều khiển PID GVHD: Trần Duy Trinh 31 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Sao cho hệ thống nhanh chóng chế độ xác lập chế độ điều chỉnh Δh max không vượt giới hạn cho phép, khoảng 40% so với h ∞ = lim h(t) : Δh max ≤ 0,4 h∞ Ba tham số L (hằng số thời gian trễ), k (hệ số khuếch đại), T (hằng số thời gian qn tính) mơ hình xấp xỉ xác định gần từ đồ thị hàm độ h(t) đối tượng Nếu đối tượng có hàm q độ dạng hình 3.10a mơ tả từ đồ thị hàm h(t) ta đọc ngay: - L khoảng thời gian đầu h(t) chưa có phản ứng với kích thích 1(t) đầu vào h(t) - k giá trị giới hạn h ∞ = lim t →∞ - Gọi A điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trục hồnh có hồnh độ L Khi T khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến h(t) A đạt giá trị k Trường hợp hàm độ h(t) khơng có dạng lý tưởng hình 3.10a, song có dạng gần giống hình chữ S khâu quán tính bậc bậc n hình 3.10b mơ tả, tham số k, L, T mơ hình xác định xấp xỉ sau: h(t) - k giá trị giới hạn h ∞ = lim t →∞ - Kẻ đường tiếp tuyến h(t) điểm uốn Khi L hoành độ giao điểm tiếp tuyến với trục hoành - T khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến từ giá trị tới giá trị k h(t) h(t) k k a) b) t t GVHD: Trần T Trinh L Duy 32 L T Hình 3.3 Xác định mơ hình xấp xỉ đối tượng Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Như ta thấy điều kiện để áp dụng phương pháp xác định mơ hình bậc có trễ đối tượng đối tượng phải ổn định, khơng có dao động hàm q độ phải có dạng hình chữ S Sau có tham số cho mơ hình xấp xỉ đối tượng, Ziegler-Nichols đề nghị sử dụng tham số k p , TI , TD sau cho điều khiển: - Nếu sử dụng điều khiển khuếch đại R(s)= k P chọn k P =   T kL 0,9T 10 - Nếu sử dụng PI vối R(s) = k P 1 +  chọn k P = T1 = L kL  T1s  - Nếu sử dụng PID có R(s) = k P = (1 + T1s + TD s ) chọn: kP = 1,2T L ; TI = 2L; TD = kL 3.4 Thiết kế điều khiển tầng Thiết kế hệ thống điều khiển tầng: - vòng trong:bộ điều khiển dòng - vòng ngoài:bộ điều khiền tốc Với sơ đồ khối hệ thống: E Mc kb τcls + (p) - - β γ GVHD: Trần Duy Trinh 33 K Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh 3.4.1 Thiết kế vòng (thiết kế điều khiển ) Chức mạch vòng dòng điện hệ thống truyền động điện chiều xoay chiều trực tiếp gián tiếp xác đinh mơmen kéo động ngồi cịn có chức bảo vệ điều chỉnh gia tốc Ta xem suất điện động E nhiễu nên ta bỏ qua nhiễu E Sơ đồ khối: (p) - kb τcls + β Ta có hàm truyền đối tượng là: G dt (p) = kb 1/ Tu τcls + Tu s + Theo phương pháp Ziegler – Nichols áp dụng cho đối tượng có dạng: S(p) = k p e − Ls + T(s) k 1/ T b u Mà đối tượng : G dt (p) = τ s + T s + cl u Lúc đối tượng không phù hợp với đối tượng phương pháp Ziegler – Nichols nên ta thay phương pháp Ziegler – Nichols phương pháp tối ưu môdunl để tổng hợp điều chỉnh dòng điện phương pháp tối ưu đối xứng để tổng hợp điều chỉnh tốc độ a) Phương pháp tối ưu môdul GVHD: Trần Duy Trinh 34 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Một yêu cầu chất lượng hệ thống điều khiển kín mơ tả hàm truyền đạt G(s): G(s) = S(s)R(s) + S(s)R(s) hệ thống có đáp ứng y(t) giống tín hiệu lệnh đưa đầu vào ω( t ) điểm tần số thời gian độ để y(t) bám vào ω( t ) ngắn tốt Nói cách khác, điều khiển lý tưởng R(s) cần phải mang đến cho hệ thống khả G (jω ) = với ω Nhưng thực tế, nhiều lý mà yêu cầu R(s) thỏa mãn yêu cầu khó đáp ứng, chẳng hạn hệ thống thực ln chứa chất quán tính, tính “cưỡng lại lệnh” tác động từ ngồi vào Song “tính xấu” hệ thống lại giảm bớt cách tự nhiên chế độ làm việc có tần số lớn, nên người ta thường thỏa mãn với điều khiển R(s) mang lại cho hệ thống tính chất dải tần số rộng lân cận Bộ điều khiển R(s) thỏa mãn: G (jω ) ≈ dải tần số thấp có độ rộng lớn gọi điều khiển tối ưu độ lớn Hình 3.13 ví dụ minh họa cho nguyên tắc điều khiển tối ưu độ lớn Bộ điều khiển R(s) cần phải chọn cho miền tần số biểu đồ Bode hàm truyền hệ kín G(s) thỏa mãn : L ( ω ) = 20lg G ( jω ) = lớn Dải tần số lớn, chất lượng hệ kín theo nghĩa G (jω ) ≈ cao Một điều cần nói thêm tên gọi tối ưu độ lớn sử dụng khơng mang ý nghĩa chặt chẽ mặt tốn học cho toán tối ưu, tức khơng có phiếm hàm đánh giá chất lượng sử dụng khơng xác định cụ thể với điều khiển R(s) phiếm hàm có giá trị lớn hay L(ω) khơng Thuần túy, tên gọi mang tính chất định tính dải tần số ω mà G(s) thỏa mãn G (jω ) ≈ rộng tốt -20 -40 GVHD: Trần Duy Trinh ωc 35 10ωc 10ωc Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Việc tra cứu phải thiết kế điều khiển tối ưu độ lớn tổng kết lại sau: k - Nếu đối tượng có hàm truyền đạt S(s) = (1 + T s )(1 + T s ) (1 + T s ) với tất n số thời gian T1 , T2 , Tn đủ nhỏ ta chọn điều khiển I có tham số xác định: R(s) = TI s n TI = 2kT = 2k ∑ Tk k =1 k - Nếu hàm truyền đạt S(s) = (1 + T s )(1 + T s ) (1 + T s ) đối tượng có n số thời gian T1 lớn vượt trội, lại số khác T2 , Tn đủ nhỏ T n I chọn điều khiển PI với tham số: TI = T1 ; TR = k = 2kT = 2k ∑ Tk ; p k =2 kp = T1 n 2k ∑ Tk k =2 k - Nếu S(s) cho S(s) = (1 + T s )(1 + T s ) (1 + T s ) đối tượng có số n thời gian T1 , T2 lớn vượt trội, lại số khác T3 , T4 , Tn đủ nhỏ GVHD: Trần Duy Trinh 36 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh TT ta chọn điều khiển PID với tham số: T1 + T2 = TI ; TD = T + T ; kp = T1 + T2 n 2k ∑ Tk k =3 b: Phương pháp tối ưu đối xứng Phương pháp thích hợp cho lớp đối tượng có thành phần tích phân S(s) = K đt To s(1 + TΣ s) Trong đó: - Hằng số thời gian tổng: TΣ = ∑1 Ti + τ − ∑1 Tj n m - Chọn cấu trúc điều khiển là: R(s) = K p (1 + T1s) T1s Khi thơng số điều khiển tính theo biểu thức sau: Tính Kp: K p = T0 2K đt TΣ Tính TI : TI = 4TΣ Mô để xác định chất lượng điều khiển Thiết kế phương pháp độ điều chỉnh lớn, lớn 45% để khắc phục ta thiết kế thêm lọc với hàm truyền đạt lọc sau: R loc (s) = Với TL = 4TΣ + TL s Với lọc giảm độ điều chỉnh nhỏ 10% thời gian độ khơng đổi Ngồi ra, phương pháp tối ưu đối xứng ta thiết kế điều khiển cách bù số thời gian lớn đối tượng Với thơng số T1> T2> T3>…….>Tn xấp xỉ đối tượng dạng: S(s) = K đt To s(1 + T1s)(1 + TΣ s) GVHD: Trần Duy Trinh 37 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Trong đó: - Hằng số thời gian tổng: TΣ = ∑2 Ti + τ − ∑1 Tj n m - Chọn cấu trúc điều khiển là: R(s) = K p (1 + T1s)(1 + TD s) T1s Khi thơng số điều khiển sau: Chọn TD = T1 Chọn TI = 4TΣ T Tính chọn Kp theo cơng thức: K p = 2K T đt Σ Mô để xác định chất lượng điều khiển c: Áp dụng phương pháp tối ưu modul để tổng hợp điều chỉnh dòng điện Khi bỏ qua nhiễu phụ tải ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện sau u*i(s) β (-) R i (s) kb τs + β Đơn giản hóa sơ đồ Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: FOmi = 1 + τσ p + τ σ p Mặt khác: FOMi (p) = R i (p).Soi FOMi ⇒ R i (p) = + R i (p).Soi Soi − FOMi Soi GVHD: Trần Duy Trinh 38 1/ R d Tu s + Id(s) Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Suy ra: 1 + τ σ p + 2τ σ p R i (p) = k b β / R u (1 − ) (1 + pTSI )(1 + pTu ) + 2τ σ p + 2τ σ p Chọn τσ = Tsi = Tcl Vậy ta có hàm truyền điều chỉnh dòng điện là: R i (p) = + pTu R u Tu pTu + = ( ) 2p.k b β.Tcl / R u 2k b β.Tcl pTu Thay R u = 3(Ω);Tu = 0, 01(s); k b = 50; β = 0,39;Tcl = 0, 0017 vào điều khiển ta R i (p) = 0, 0046p + 0, 46 0, 01p 3.4.2 Thiết kế vịng ngồi(thiết kế điều khiển ) - Hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống mà đại lượng điều chỉnh tốc độ góc động điện, thường gặp thực tế kỹ thuật Hệ thống điều chỉnh tốc độ hình thành từ hệ thống điều chỉnh dịng điện Các hệ thống đảo chiều không đảo chiều Do yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp vô sai cấp Nhiễu điều chỉnh hệ mômen tải Mc - Tùy theo yêu cầu công nghệ mà điều chỉnh tốc độ R ω tổng hợp theo tín hiệu điều khiển theo nhiễu tải M c Ở ta bỏ qua nhiễu suất điện động E nhiễu tải Mc Ta có sơ đồ khối điều chỉnh tốc độ: kb τcl s + (p) - GVHD: Trần Duy Trinh - 39 K Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Rút gọn sơ đồ ta Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có: FODω = + τσ p + τ σ p + τ σ p + 8τ σ p F OMiω Ta có: R ω (p) = S − F S oω OMi ω + 4τ σ p + 4τσ p + 8τ2 σ p + 8τ3σ p3 ⇒   R u γ + 4τ σ p 1−  2 3 β.kΦ.Tc p.(1 + pTsω )  + 4τσ p + 8τ σ p + 8τ σ p  Chọn τω = τsω = 2τcl = 0, 0033 Từ ta suy ra: R ω (p) = + 4Tsω p R u γ 8T 2sω p β.kΦ.Tc R J u dc Thay Tc = (kΦ) vào điều khiển ta rút R ω (p) = β.J dc + 4Tsω γ.Tsω kΦ 4Tsω Thay β = 0,39; J dc = 2,15; γ = 0, 08;Tsω = 0, 0033; kΦ = 3, 63 vào điều khiển ta có: R ω (p) = 0,39.2,15 + 4.0, 0033p 5, 77p + 437,5 = 2.0, 08.3, 63.0, 0033 0, 0033p 0, 0033p GVHD: Trần Duy Trinh 40 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHẦN MỀM MATLABSIMULINK 4.1 Giới thiệu chung phần mềm matlab-simulink Matlab phần mềm toán học hãng Mathworks để tính tốn số có tính trực quan cao Matlab viết tắt matrix laboratory,matlab làm việc chủ yếu với ma trận Ma trận cỡ m n bảng số chữ nhật gồm m n số xếp thành m hàng n cột Trường hợp m=1 n=1 ma trận trở thành vecto dịng cột;trường hợp m=n=1 ma trận trở thành đại lượng vơ hướng Nói chung matlab làm việc với nhiều kiểu liệu khác Với xâu chữ(chuỗi kí tự) matlab xem dãy ký tự dãy mã số ký tự Matab dùng để giải tốn giải tích số,xử lý tín hiệu số,xử lý đồ họa mà khơng phải lập trình cổ điển Hiện nay, matlab có đến hàng ngàn câu lệnh hàm tiện ích Ngồi hàm cài sẵn ngơn ngữ, matlab cịn có lệnh hàm ứng dụng chuyên biệt phần mềm mở rộng la simulink Simulink dùng để mơ hình hố, mơ phân tích hệ thống động Thơng thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác Simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép hai từ Simulation Link Simulink cho phép mơ tả hệ thống tuyến tính,hệ phi tuyến, mơ hình miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hệ gồm liên tục gián đoạn Điểm nhấn mạnh quan trọng việc mô q trình việc thành lập mơ hình Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức điều khiển, xây dựng mơ hình tốn học theo quan điểm lý thuyết điều khiển từ thành lập nên mơ hình toán GVHD: Trần Duy Trinh 41 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh 4.2 Mơ tổng hợp mạch vịng điều khiển dịng điện Sơ đồ khối mô phỏng: Đưa kết quả: Nhận xét: Khi bắt đầu đóng nguồn điện, dịng điện bắt đầu tăng dần lên sau 0,01s đạt giá trị cực đại 17.5A sau giảm dần ổn định với giá trị dòng điện đặt 17A sau 0.02s độ điều chỉnh nhỏ : ứng đầu hệ thống đạt yêu cầu thiết kế 4.3 Mơ tổng hợp mạch vịng điều khiển tốc độ Sơ đồ khối: GVHD: Trần Duy Trinh 42 Vậy, đáp Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh Đưa kết quả: Đánh giá kết quả: Từ đặc tính mơ tốc độ ta thấy hệ thống ổn định, lượng điều khiển σ%nmax nhỏ, thời gian điều chỉnh 0,12(s) thỏa mãn yêu cầu công nghệ GVHD: Trần Duy Trinh 43 Đồ Án Hệ Thống Điều Khiển Trường ĐHSP Kỹ Thuật Vinh KẾT LUẬN Trong thời gian học tập trường ĐHSP KỸ THUẬT VINH Chúng em phần tiếp thu kiến thức mà thầy cô truyền đạt.Chúng em biết vận dụng kiến thức sở mà thầy cô trang bị cho chúng em để áp dụng vào công việc sau Đề tài thiết kế: “thiết kế điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BBĐ động chiều (CL-DC)” đề tài khó phức tạp Đề tài đòi hỏi sinh viên phải vừa có kinh nghiệm thực tế mà kiến thức lý thuyết Nhưng hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo khoa Điện nên em hồn thành đồ án tốt nghiệp đảm bảo yêu cầu đề tiêu kinh tế Em mong đóng góp, phê bình thầy giáo để đề tài em hoàn thiện hơn,tối ưu hơn.Bởi tài liệu quý giá để mai sai chúng em làm Một lần em chân thành cảm ơn quan tâm giúp đỡ tận tình thầy TRẦN DUY TRINH thầy cô giáo khoa Điện tận tình giúp em hồn thành đồ này! Em xin chân thành cảm ơn! VINH, ngày… tháng… năm 2017 Sinh Viên GVHD: Trần Duy Trinh 44 ... phương pháp điều chỉnh tự động mà cần tối thiểu đến tham gia người Điều chỉnh tự động mà điều chỉnh tốc độ động phổ biến xí nghiệp mà động điều chỉnh mà em thiết kế động chiều Động chiều có nhiều... tự động hóa, đặc biệt thầy giáo Trần Duy Trinh giúp em thực đồ án môn học Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển với đề tài: "Thiết Kế Bộ Điều Chỉnh Tốc Độ Cho Hệ Truyền Động Bộ Biến Đổi Động Cơ Một Chiều. .. kiến thức sở mà thầy cô trang bị cho chúng em để áp dụng vào công việc sau Đề tài thiết kế: ? ?thiết kế điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động BBĐ động chiều (CL- DC)? ?? đề tài khó phức tạp Đề tài địi