Thiết kế bộ điều khiển pid thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ MỸ DUNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2010 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hoàng Mai Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hồng Anh Phản biện 2: TS. Trần Đình Khôi Quốc Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 15 tháng 01 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Cho ñến nay ñộng cơ ñiện một chiều ñóng một vai trò quan trọng trong nghành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ ñiện một chiều ñược ứng dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp cơ khí, ở các nhà máy cán thép,nhà máy xi măng, tàu ñiện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp ñiện tử với ñộ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ ñiều khiển tốc ñộ. Đối với các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, do cấu trúc ñơn giản và bền vững nên các bộ ñiều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, ñạo hàm) ñược dùng phổ biến trong các hệ ñiều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K P , T I , T D của bộ ñiều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ ñiều khiển PID chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển. thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của ñối tượng cần ñiều khiển. Hơn nữa, bộ ñiều khiển này chỉ chính xác trong giai ñoạn tuyến tính còn trong giai ñoạn phi tuyến thì các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển không thực hiện ñược. Mục tiêu của ñiều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển tự ñộng. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng ñiều khiển khác nhau, với các yêu cầu và ñặc tính phức tạp khác nhau. Do ñó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển cụ thể cho từng ñối tượng. Mục ñích cuối cùng là tìm kiếm các bộ ñiều khiển cho các hệ truyền ñộng ñiện ngày càng ñạt ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, mức chi 4 phí thấp, và hiệu quả ñạt ñược là cao nhất, ñáp ứng các yêu cầu tự ñộng hoá truyền ñộng ñiện và trong các dây chuyền sản xuất. Những năm gần ñây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ngành ñiện tử học ñiều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo ñiều kiện thuận lợi, vừa ñặt ra vấn ñề ñòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ ñiều khiển, ñáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ ñiều khiển tốc ñộ cho ñộng cơ ñiện một chiều dựa trên các lý thuyết ñiều khiển hiện ñại là một vấn ñề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống. Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp ñược nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng rất nhiều ñó là phương pháp ñiều khiển thích nghi.Trong luận văn tác giả sử dụng phuơng pháp ñiều khiển thích nghi và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống ñiều khiển, ñây là công cụ khá ñắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền ñộng ñộng cơ một chiều. Động cơ ñiện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền ñộng ñiện ñòi hỏi chất lượng cao. Chính vì vậy mà hệ thống ñiều khiển cho các hệ truyền ñộng này cũng phải ñáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Và nói chung, phần lớn các hệ thống truyền ñộng trong thực tế ñều có cấu trúc và tham số không cố ñịnh hoặc không thể biết trước. Đối với ñộng cơ ñiện một chiều, các thông số thường bị thay ñổi làm ảnh hưởng chất lượng ñiều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy ñiện bị bão hòa làm ñiện cảm mạch phần ứng L u của ñộng cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng R u của máy ñiện thay ñổi theo nhiệt ñộ làm việc, do ñó 5 hằng số thời gian mạch phần ứng T u = L u /R u cũng sẽ thay ñổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ thông Φ có thể bị thay ñổi dẫn ñến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay ñổi. Khi xét ñến tải của các hệ truyền ñộng thì mô men quán tính của tải thường bị thay ñổi, làm cho mômen quán tính của hệ qui ñổi về trục của ñộng cơ thay ñổi. Nếu bằng các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển thì chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ ñiều khiển ñạt ñược chất lượng cao. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ñang là hướng nghiên cứu ñược rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiển. Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay ñổi làm ñề tài nghiên cứu với mong muốn ñạt ñược ñáp ứng ngõ ra và các ñặc tính của hệ thống ñiều khiển thỏa mãn các yêu cầu ñã ñề ra. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay ñổi. Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều. 3. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nghiên cứu ñề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2 phương pháp sau: 6 - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn ñề về ứng dụng ñiều khiển thích nghi, các mô hình ñộng cơ ñiện một chiều, các hàm tối ưu trong Matlab và các tính toán hỗ trợ các hàm tối ưu. - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu trong phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng, mô phỏng kiểm 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ñề tài Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều khiển mới khắc phục ñược một số nhược ñiểm của các phương pháp ĐK kinh ñiển, từ ñó mở ra một tiềm năng áp dụng cài ñặt vào các thiết bị ñiều khiển trong công nghiệp làm nâng cao hơn nữa chất lượng ñiều khiển cho ñộng cơ ñiện một chiều. 5. Cấu trúc luận văn Ngoài chương mở ñầu, trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau: Mở ñầu Chương 1. Tổng quan về ñộng cơ ñiện một chiều Mô tả toán học ñộng cơ ñiện một chiều Mô tả toán học mạch ñộng lực. Chương 2.Tổng hợp bộ ñiều khiển ñộng cơ diện một chiều. Các phương pháp xác ñịnh bộ ñiều khiển PID Cấu trúc ñiều khiển ñộng cơ ñiện một chiều Chương 3. Điều khiển thích nghi. Giới thiệu tổng quan về lý thuyết ñiều khiển thích nghi. Các phương pháp thiết kế luật thích nghi. Chương 4. Tổng hợp bộ ñiều khiển PID thích nghi . Thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cỏ ñiện một chiều với tham số mômen quán tính không xác ñịnh. 7 Lựa chọn hàm Lyapunov dự kiến, xác ñịnh thuật toán ñiều khiển, xây dựng luật thích nghi ñể chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển và phân tích sự ổn ñịnh của hệ thống ñiều khiển. Dựa vào kết quả thiết kế bộ ñiều khiển ở chương 4, áp dụng ñể mô phỏng hệ thống ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều trên phần mềm Matlab. So sánh và bàn luận về các ñặc tính của 2 bộ ñiều khiển: PID kinh ñiển và thích nghi. Chương 5. Kết quả mô phỏng Kết luận và kiến nghị 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất ñộng cơ một chiều từ vài W ñến hàng MW. Đây là loại ñộng cơ ña dạng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ ñiện một chiều cũng dễ dàng ñáp ứng với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ mômen – tốc ñộ. Trong Động cơ ñiện một chiều, bộ biến ñổi ñiện chính là các mạch chỉnh lưu ñiều khiển. Chỉnh lưu ñược dùng làm nguồn ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng ñộng cơ. Chỉnh lưu ở ñây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha. 1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều 1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều 1.1.3. Điều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều 1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều Mômen ñiện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phấn ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức ñiện ñộng: ωω π Φ=Φ= k a Np E . 2 ' (1.2) Trong ñó: ω - tốc ñộ góc của rôto. Trong chế ñộ xác lập, có thể tính ñược tốc ñộ qua phương trình cân bằng ñiện áp phần ứng: 9 Φ − = k IRU u ω (1.3) Trong ñó: Ru - ñiện trở mạch phần ứng của ñộng cơ. 1.2.2. Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều 1.2.2.1. Mô tả chung 1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi KΦ = const = C u U(p) = R u .I(p).(1+pT u ) +C u .ω(p) (1.13) C u .I(p) - M c (p) = Jp.ω(p) (1.14) u u pT R +1 1 u C Jp 1 u C U -E I ω M C - Hình 1.4: Sơ ñồ cấu trúc khi từ thông không ñổi 1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN 1.4. MÔ PHỎNG Từ ñáp ứng tốc ñộ trên 2 ñồ thị, ta rút ra rằng cùng với một giá trị ñiện áp ñặt, khi phụ tải thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ thay ñổi theo. Mô hình mô phỏng ñộng cơ ñiện một chiều 10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trên cơ sở khảo sát các ñặc tính vòng hở ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập, hệ T-Đ, ta rút ra ñược kết luận sau: Ưu ñiểm nổi bật của hệ T-Đ là ñộ tác ñộng nhanh cao, không gây ồn và dễ tự ñộng hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch ñại công suất rất cao, ñiều ñó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh nhiều vòng ñể nâng cao chất lượng các ñặc tính tĩnh và các ñặc tính ñộng của hệ thống.