THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU QUAY SÔNG HÀN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN LIÊN MÔN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU QUAY SÔNG HÀN Người hướng dẫn: TS NGUYỄN HOÀNG MAI BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC ĐỒ ÁN PBL4 STT Họ Tên Hồ Trọng Tài Nguyễn Ngọc Duy Trần Phước Đức Phan Tuấn Anh Lê Quý Văn Công việc thực thuyết mình, lập trình, mơ phỏng, … Công việc thực vẽ Ghi MỤC LỤC Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Tính cần thiết Mục đính chung .5 Cấu trức chung hệ thống Đặc tính phần tử .7 Các phương pháp điều khiển phần tử Phần 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN - ĐỘNG LỰC 11 Tính toán tải đối tượng 11 Chọn động .11 Chọn điều khiển PLC 15 Chọn cảm biến .17 Thiết kế chỉnh lưu 18 Tính chọn điện trở hãm 20 Thiết kế hệ thống bảo vệ 21 7.1 Tính chọn aptomat tổng 21 7.2 Tính chọn aptomat cho động 21 7.3 Tính chọn contactor cho động 21 Thiết kế mạch điện hệ thống 22 8.1 Mạch điều khiển 22 8.2 Mạch trung gian 23 8.3 Mạch động lực 23 Phần 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24 Bộ điều khiển tuyến tính PID .24 Bộ điều khiển phi tuyến: FLC, ANN 24 Thiết kế phần cảm biến 25 Thiết kế điều khiển 26 Phần 4: MÔ PHỎNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CẦU QUAY SÔNG HÀN 27 Bộ điều khiển PID 27 Bộ điều khiển mờ - pid (FLC - PID) 29 Bộ điều khiển ANN 32 Bộ điều khiển ANN - PID 36 Phần 5: ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 37 Phần 6: TỔNG KẾT 38 Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Tính cần thiết Hệ thống điều khiển và giám sát cầu sông hàn thực tất chức thu thập, điều khiển giám sát liệu tồn hệ thớng cầu xoay Việc điều khiển giám sát thực từ xa từ máy tính thuộc trạm vận hành tích hợp hệ thống điều khiển trạm biến áp liên quan Tất thông tin cần thiết liên quan tới cách thức hoạt động, tính tồn vẹn thiết bị điều khiển, chức điều khiển chức báo động sẵn sàng hệ thống vận hành Hệ thống hiệu suất cao cung cấp loạt tính để kiểm sốt cơng suất hoạt động phản kháng, đảm bảo ổn định đồng thời không chịu phụ thuộc vào hãng sản xuất thiết bị phần cứng Hệ thống có tính mơ-đun hóa khả mở rộng, cho phép tùy chỉnh chức điều khiển nhà máy cung cấp chức cần thiết để đáp ứng nhu cầu tính đa dạng cao yêu cầu cho phép quản lý vận hành kỹ thuật cho hệ thống cầu xoay chỗ Mục đính chung Thơng qua dự án liên mơn nhằm giúp người đạt củng cố số kỹ định cho sau này: - Rèn luyện kỹ làm việc nhóm, giao tiếp, thuyết trình, - Rèn luyện tính tư - logic, phân chia quản lý cơng việc tính chủ động để vận dụng cho cơng việc sau - tích lũy kinh nghiệm kiến thức thiết kế lập trình hệ thống - Đạt tất yêu cầu môn học Cấu trức chung hệ thống 3.1 Đối tượng điều khiển Thiết kế hệ truyền động chiều, trung tâm hệ động điện chiều DC Đối với hệ thống cầu xoay, ta sử dụng động với vai trò động kéo động cịn lại hoạt động chế độ hãm Nguồn lượng cung cấp cho hệ truyền động nguồn điện xoay chiều 380/220V thông qua xử lý cơng suất chỉnh lưu có điều khiển đưa điện áp chiều điều khiển cấp cho động 3.2 Bộ điều khiển Sử dụng điều khiển - Điều khiển mờ Điều khiển ANN Điều khiển FLC-PID Điều khiển ANN-PID Điều khiển FLC-ANN-PID Điều khiển ANN-FLC-PID Phần 2: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN - ĐỘNG LỰC Phân tích yêu cầu công nghệ, yêu cầu tải 3.3 Giới thiệu hệ thống (hình vẽ hệ thống – ví dụ) Hệ thống gồm có: - Tải hệ thống cầu xoay 1200 tấn… Nguồn xoay chiều pha 220/380V Động điện chiều kích từ độc lập Bộ điều khiển Bộ chỉnh lưu … Các cảm biến: … 3.4 Yêu cầu công nghệ tải: - Lựa chọn động điện phải dựa yêu cầu yêu cầu kỹ thuật, độ tin cậy q trình làm việc tính kinh tế hệ thống truyền động điện Các tiêu chuẩn mà động phải đáp ứng như:  Động phải có đủ cơng suất kéo  Tốc độ phù hợp đáp ứng phạm vi điều chỉnh tốc độ (tùy theo phương pháp điều chỉnh thích hợp)  Thỏa mãn yêu cầu mở máy hãm điện  Thích hợp với điều kiện làm việc (nhiệt độ, độ ẩm, bụi bặm,…) Tính chọn cơng suất động Đồ thị tốc độ mong muốn phụ tải: Từ đồ thị tốc độ mong muốn phụ tải, để tìm tốc độ động cơ, với vận tốc truyền cáp điểm, nên ta có: M RM  L RL R  M  L  L  L  12L RM 0.5 Lúc ta có đồ thị tốc độ mong muốn động cơ: Để xác định Momen kéo cầu, ta áp dụng phương trình biến thiên động lượng theo thời gian: dp  M dt d L J  M k  M ms dt d L  Mk  J   mgRL dt Từ biểu thức này, ta xác định đồ thị mong muốn Momen kéo cầu: 10 4.2 Bộ điều khiển ANN Mạng Nơron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) mơ hình xử lý thơng tin mô dựa hoạt động hệ thống thần kinh sinh vật, bao gồm số lượng lớn Nơron gắn kết để xử lý thông tin ANN giống não người, học kinh nghiệm (thơng qua huấn luyện), có khả lưu giữ kinh nghiệm hiểu biết (tri thức) sử dụng tri thức việc dự đốn liệu chưa biết (unseen data) Kiến trúc chung mạng nơron nhân tạo (ANN) gồm thành phần là: Input Layer, Hidden Layer và Output Layer Thiết kế phần cảm biến Đo tần số Đo dòng điện (Biến dòng) Đo tốc độ (Đo trực tiếp, đo gián tiếp) 22 Thiết kế điều khiển 6.1 Điều khiển mờ Điều khiển tốc độ động theo phản hồi vị trí dịng điện Kéo Vị trí cầu (góc) Hãm N V L N V L N C V C C V C V C V C C V C L C N C C N C Tải trọng (dòng điện) 23 Phần 4: MÔ PHỎNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CẦU QUAY SÔNG HÀN Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát sử dụng rộng rãi các hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất hệ thống-trong kiểu điều khiển giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù hệ thống Mơ hình mô Matlab điều khiển PID:  Tốc độ đặt động cơ: 24  Đáp ứng tốc độ:  Sai lệch tốc độ 25 Bộ điều khiển mờ - pid (FLC - PID)  Đầu vào mờ: E, DE  E: RN, N, V, L, RL  DE: RN, N, V, L, RL  Đầu ra: Giá trị Kp đưa vào điều khiển PID  Giá trị Kp tính tốn dựa điều khiển mờ, gồm giá trị kp1, kp2, kp3, kp4, kp5  Giá trị Ki, Kd chọn theo phương pháp điều chỉnh Ziegler – Nichols DE E RN N V L RL RN Kp1 Kp1 Kp2 Kp2 Kp3 N Kp1 Kp2 Kp2 Kp3 Kp3 V Kp2 Kp3 Kp3 Kp4 Kp5 L Kp2 Kp3 Kp4 Kp5 Kp5 RL Kp3 Kp3 Kp4 Kp5 Kp5 Mơ hình mơ Matlab: a) Mơ hình chung 26 b) Mơ hình điều khiển Fuzzy - PID c) Mơ hình động 27 d) Kết phản hồi tốc độ: e) Kết sai lệch tốc độ: 28 Bộ điều khiển ANN - Mơ hình ANN: a) Lựa chọn cấu trúc mơ hình: - Lệnh tạo nơron phần mềm Matlab: net=newff(ngovao,ngora,2,{'tansig' 'purelin'},'trainrp'); Trong đó: 29  ‘ngovao’, ‘ngora’ tương ứng với ma trận liệu đầu vào đầu lấy từ Điều khiển PID  Hàm tác động lớp ẩn: Tan-sigmoid (tansig)  Lớp ra: Hàm tuyến tính (purelin)  Thuật tốn huấn luyện mạng ‘trainrp’  Số nơ ron lớp ẩn là: b) Dữ liệu đầu vào - Dữ liệu đầu vào ma trận giá trị sai lệch đầu vào điều khiển PID: Ma trận liệu đầu vào lấy 9069 giá trị c) Huấn luyện mạng - Thuật toán huấn luyện mạng là: ‘trainrp’ - “trainrp” chức huấn luyện mạng cập nhật giá trị trọng số độ lệch theo thuật toán lan truyền ngược có khả phục hồi (RPROP) - Các lệnh cấu hình cho huấn luyện mạng: 30 net.trainParam.epochs =20000; % số lần huấn luyện tối đa net.trainParam.goal =0.000001; % giá trị mse mong muốn net.trainParam.lr =0.0001; % hệ số học d) Q trình huấn luyện mơ hình ANN e) Đồ thị hàm mục tiêu 31 32 f) Biểu đồ hồi quy giá trị dự báo thực tế g) Kết thực nghiệm - Kết thực nghiệm từ quan sát đồ thị (Scope) cho thấy mơ hình ANN có nơ ron lớp ẩn thõa mãn yêu cầu đặt - Mơ hình ANN tối ưu 33 Bộ điều khiển ANN - PID 34 Phần 5: ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 35 Phần 6: TỔNG KẾT 36 ... điều khiển và giám sát cầu sông hàn thực tất chức thu thập, điều khiển giám sát liệu tồn hệ thớng cầu xoay Việc điều khiển giám sát thực từ xa từ máy tính thuộc trạm vận hành tích... 25 Thiết kế điều khiển 26 Phần 4: MÔ PHỎNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CẦU QUAY SÔNG HÀN 27 Bộ điều khiển PID 27 Bộ điều khiển mờ - pid (FLC - PID)... định mức: 22,4 kW Điện áp định mức phần ứng: 440 VDC Dòng điện định mức phần ứng là: 50 A Tốc độ quay định mức là: 200 vòng/phút Điện áp kích từ định mức: 220 VDC Dịng kích từ định mức: 3,06 A