Khảo sát, tính toán và tổng hợp cơ cấu hiệu chỉnh hệ thống ĐKTĐ bám góc trong công nghiệp dùng hệ truyền động một chiều

ĐẠI HỌC KINH DOANH VÀ CÔNG NGHỆ HÀ-NỘI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ***************** ĐỒ ÁN MÔN HỌC: “LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG” ĐỀ BÀI: Khảo sát, tính tốn tổng hợp cấu hiệu chỉnh hệ thống ĐKTĐ bám góc cơng nghiệp dùng hệ truyền động chiều Sinh viên thực hiện: Hoàng Xuân Nhật Huy Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật điện -điện tử Lớp học:DD2305 Khóa học: K23 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Bích Ngày hoàn thành:3/7/2021 NĂM HỌC 2020 – 2021 R1 S2 B NỘI DUNG NHIỆM VỤ ĐỒR1ÁN: S1 Cho hệ thống ĐKTĐ bám góc cơng nghiệp dùng hệ truyền động điện αy chiều (hệ ban đầu tức hệ chưa có hiệu chỉnh) có sơ đồ R2 nguyên lý dạng đơn giản sau: XXT S2 S3 R3 XXP Trên hình vẽ: CBSLG - cảm biến sai lệch góc hệ thống xen-xin biến áp (HTXXBA) gồm XXP (xen-xin phát) XXT (xen-xin thu) KĐĐT - khuếch đại điện tử (khuếch đại sơ tín hệu sai lệch) KĐMĐ - khuếch đại máy điện (khuếch đại công suất) ĐCCH - động chấp hành (động chiều) ; ĐT - cấu đổi tốc (hộp số) ĐTĐK - đối tượng điều khiển (máy móc, thiết bị,) cần điều khiển góc quay Giá trị tham số phần tử hệ cho bảng sau: Tên phần tử CB KĐĐT Ký hiệu tham số KCB KKĐĐT Giá trị,thứ nguyên 2.2 250 KĐMĐ KKĐMĐ 2.2 TKT 0.008 TNM 0.02 ĐCCH ĐT KĐC TĐC KĐT=1/i 12.3 0.2 0.01 Hãy tiến hành phân tích, khảo sát tổng hợp cấu hiệu chỉnh nối tiếp (hoặc song song phản hồi) để hệ thống ĐKTĐ ổn định có tiêu chất lượng sau: - Sai số bám góc 0.25 với tốc độ bám cực đại Vmax[o/s] = 28 ∆V [ o / s ] ≤ - Các tiêu trình độ: δmax< 20 [ %] ; tqđ ≤ 1.35 [sec] ; n < 1.5 Ngày giao Đồ án: / / 2021 Ngày hoàn thành nộp ĐÁ: / 2021 Giáo viên môn học: TS Nguyễn Ngọc Bích MỤC LỤC / LỜI MỞ ĐẦU Lý thuyết điều khiển tự động môn học then chốt để phát triển kỹ thuật, công nghệ đại Hiểu nắm kiến thức sở xây dựng hệ thống điều khiển tự động yêu cầu cần thiết thiếu chương trình học tập sinh viên trường đại học kỹ thuật nói chung sinh viên khoa Điện-Điện tử đại học Kinh Doanh Và Cơng Nghệ Hà Nội nói riêng Sinh viên trường học tập làm quen môn học thơng qua giáo trình “Lý thuyết điều khiển tự động” TS Nguyễn Ngọc Bích Sinh viên làm tập lớn mơn học thơng qua giáo trình Mục đích tập lớn nhằm giúp cho sinh viên hệ thống hóa củng cố kiến thức học tập nghiên cứu, nắm phương pháp tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển tự động biết cách sử dụng tài liệu tra cứu biểu đồ có liên quan Bằng kiến thức có hạn em, q trình làm khơng thể tránh khỏi lỗi sai sót mặt nội dung lẫn hình thức Mong thầy góp ý để em tránh sai lầm lần sau Em xin chân thành cảm ơn! NỘI DUNG Phân tích,khảo sát hệ thống ban đầu dựa vào sơ đồ nguyên lý cho: Tìm hiểu,phân tích chức phần tử tự động có mặt hệ thống ĐKTĐ cho thuyết minh nguyên lý làm việc hệ thống I Yêu cầu a Xây dựng sơ đồ cấu trúc b Xác địn hàm số truyền hệ thống hở hệ thống kín c Xác định tính ổn định hệ thống ban đầu (tính tồn mơ matlab) d Đánh giá chất lượng hệ thống ban đầu matlab e Tính tốn cấu hiệu chỉnh nối tiếp mô matlab,đánh giá chất lượng hệ thống sau hiệu chỉnh Các thông số cho trước phần tử hệ thống sau: Tên phần tử CB KĐĐT Ký hiệu, tham số KCB KKĐĐT KKĐMĐ TKT TNM KĐC TĐC KĐT=1/i K2 K4 K5 T1 T2 K6 T3 K7 2.2 250 2,2 0,008 0,02 12,3 0,2 0,01 Thứ nguyên Giá trị KĐMĐ ĐCCH ĐT Tổng hợp hệ thống sử dụng cấu hiệu chỉnh nối tiếp để thỏa mãn tiêu sau: - Các tiêu trình độ: ẟmax < 20% - Thời gian độ tqd ≤ 1,35s - Số dao động n < 1.5 - Tốc độ bám cực đại: Vmax = 28 - Sai số bám góc ∆V ≤ 0,25 1.1 Chức phần tử tự động • CBSLG-Cảm biến sai lệch góc : Cảm biến sai lệch góc hệ thống xen-xin biến áp(HTXXBA) gồm XXP (xenxin phát) XXT (xen-xin thu) cấu đo lường sai lệch góc dùng để đo sai lệch góc hai trục khí nằm cách xa nhau, khơng có liên hệ khí với biến đổi thành giá trị điện áp xoay chiều có trị số pha phụ thuộc vào trị số dấu sai lệch góc • KĐĐT-Khuếch đại điện tử Khuếch đại điện tử (khuếch đại sơ tín hiệu sai lệch) có nhiệm vụ sau tiếp nhận lượng vào Uxx từ CBSLG,qua KDDT khuếch đại tín hiệu đầu vào biến đổi tín hiệu đầu Iđk • KĐMĐ-Khuếch đại máy điện Khuếch đại máy điện có chức nhận dịng Iđk khuếch đại tín hiệu cơng suất • ĐCCH- động chấp hành: Động chấp hành dùng để tạo tín hiệu điều khiển tác động trực tiếp lên đối tượng điều khiển • ĐT-Động đổi tốc: Biến đổi góc quay thành góc quay tương ứng đối tượng điều khiển • ĐTĐK-đối tượng điều khiển (máy móc, thiết bị, …) cần điều khiển góc quay: Là máy móc, thiết bị kĩ thuật cần điểu khiển có chứa tín hiệu y(t) Đối tượng điều khiển thường chịu tác động nhiễu f(t) 1.2 Nguyên lý làm việc hệ thống: Nguyên lý làm việc hệ thống bám điện dùng xenxin Hệ thống xenxin dùng xenxin phát xenxin thu làm việc chế độ biến áp để đo sai lệch trục phát (trục vào) trục thu (trục - trục đối tượng điều khiển) biến đổi thành điện áp hệ thống xenxin U xx, điện áp đưa qua khuếch đại diện tử KĐĐT, tín hiệu khuếch đại sơ bộ, tạo thành dòng điện điều khiển chạy cuộn dây điều khiển khuếch đại máy điện KĐMĐ Bộ KĐMĐ đóng vai trị khuếch đại cơng suất tín hiệu điện áp điều khiển động chấp hành chiều ĐCCH làm việc Động chấp hành quay, αx(t) qua đổi tốc ĐT, làm đối tượng điều khiển ĐTĐK quay, đồng thời qua trục phản hồi khí, rơto xenxin thu quay, làm cho sai lệch góc giảm dần αy(t) Hệ thống làm việc chế độ bám chế độ khử sai lệch: Chế độ bám: Khi góc quay rôto xenxin phát (trục vào) α( t) liên KĐĐT tục thay đổi, ln có sai lệch góc ε , hệ thống ln làm việc, góc quay ĐTĐK β thay đổi liên tục, bám theo thay đổi trục điều khiển α 2.1 Sơ đồ khối, sơ đồ chức hệ thống: Δα Sơ đồ khối * Sơ đồ khối: αx(t) Phản hồi trực tiếp Hệ thống XX BA CCSS KĐMĐ ĐCMC Đổi tốc ĐCCH CC BĐ αy Thiết bị, máy móc αy Thiết bị, máy móc αy(t) KĐ SB 2.2 Sơ đồ chức hệ thống: Δα * Sơ đồ chức năng: CCSS ĐL&BĐ KĐCS Dựa vào số liệu cho phần tử có mặt hệ thống để lập sơ đồ cấu trúc biểu thức hàm truyền mạch hở hệ thống hệ ban đầu Wbđ(s): 3.1 Sơ đồ cấu trúc: 3.2 Biểu thức hàm truyền Wbđ(s): (s) = === 2,2 ===250 = = K7 = = Wbđ(s) = =2,2 x 250 x x x Wbđ(s) = Dựa vào biểu thức hàm truyền Wbđ(s) để xây dựng đáp ứng tần số lo-ga (biểu đồ Bode) hệ ban đầu Lbđ -Từ biểu thức hàm truyền Wbđ(s) ta thấy: hệ có hệ số khuếch đại K =148,83 khâu tích phân, ba khâu qn tính có số thời gian T1=0,008[sec],T2=0,02[sec],T3=0,2[sec] - Tiếp theo, ta xác định tần số gập, ứng với số thời gian khâu động học có hệ cho đặt lên trục tần số g1 =125 [1/s]; g3 ==[1/s] ωg2== -Do T3 >T2>T1 nên ω g3> N=148.83; %khai bao tu so ham truyen >> D=conv([0.008 1],conv([0.02 1],conv([0.2 1],[1 0]))); mau so ham truyen %khai bao >>W= tf(N,D)% Xac dinh bieu thuc ham truyen 10 >> grid on % Dua luoi chia len he toa loga ve dap ung >> bode(W) % Lenh ve bieu Bode cua he Chạy chương trình xuất hình máy tính biểu đồ Bode hệ thống Dùng tiêu chuẩn ổn định Hurwitz để khảo sát tính ổn định hệ cho ban đầu Tiêu chuẩn cho phép xác định tính ổn định hệ thống điều khiển dựa vào phương trình đặc trưng cỉa hệ Phương trình đặc trưng lại suy từ phương trình vi phân biểu thức hàm truyền mô tả động học hệ thống ĐKTĐ Wk=== Ta có phương trình đặc trưng D(s) hệ thống:/ D(s) = a0sn + a1sn-1 + … + an-1s + an = (3,2.10-5).s4 + (5,76.10-3).s3 + 0,228.s2 +s+148,83 11 Vì hệ bậc ,nên ta có 8.điều kiện ổn định sau : tất hệ số phải dương (ai>0 dấu )(điều kiện cần),và cần thỏa mãn bất đẳng thức : a1a2a3 > a0a32+a12a4 (điều kiện đủ) Vậy ta xét: Điều kiện cần: • a0=(3,2.10-5)>0 -3 • a1=(5,76.10 ) >0 • a2=0,228 >0 • a3=1 >0 • a4=67,65 →thỏa mãn điều kiện cần Điều kiện đủ : a1a2a3 > a0a32+a12a4 =(5,76.10-3) 0,228.1> (3,2.10-5).1+(5,76.10-3)2 148,83 ↔1,313.10-3> 4,937.10- (vô lý) → không thỏa mãn điều kiện đủ → hệ không ổn định II Xây dựng đáp ứng biên độ lô-ga mong muốn Lmm(ω) Để xác định khả ứng dụng thực tế kỹ thuật hệ thống ĐCTĐ Hệ thống phải thoả mãn tiêu chuẩn định q trình làm việc Các tiêu xác định trạng thái cân trạng thái độ Định nghĩa: Đáp ứng biên độ lô-ga mong muốn Lmm(ω) đáp ứng xây dựng từ yêu cầu tiêu chất lượng trạng thái tĩnh (hoặc cân bằng) trạng thái động(hoặc trạng thái độ ) trình thiết kế hệ thống ĐKTĐ - Các tiêu trình độ: 12 + Sai số bám góc: ∆V ≤ 0,25 với tốc độ bám cực đại = 28 + Độ điều chỉnh : δmax < 20% + Thời gian độ : tqđ ≤ 1.35[sec] +Số dao động trạng thái độ : n < 1.5 Dựa theo tiêu chất lượng mà hệ thống ĐKTĐ cần thoả mãn để tính tốn tham số đáp ứng biên độ lơ-ga mong muốn Lmm(ω) • Tần số thấp (0÷ω1) V =1, ∆V=0.25, Vmax=28 [rad/sec] → Km= ==112 Đoạn tần số thấp có độ nghiêng -20 [db/dk],còn độ cao xác định,khi đoạn (hoặc đoạn kéo dài ) ln qua điểm có tọa độ ω =1 [1/s]; L = 20lgk=20lg(112)=40,98 • Tần số trung (ω2 ÷ ω3) Để hệ thống có độ dự trữ ổn định vừa phải, độ nghiêng tối ưu đoạn phải -20[db/dk] Các tiêu chất lượng trình độ : độ dao động,thời gian độ tqđ,độ điều khiển cực đại v.v… liên quan chặt chẽ đén giá trị tần số cắt ωc độ dài đoạn trung tần Chọn tqđ =1,35 δmax = 20% n=1 Theo biểu đồ phụ thuộc tiêu chất lượng,ta tính Pmax=1,167 Chọn K0 =2,7 → ωc=ωn= ==6,28[rad/s] ω3 = ωc =3.6,28 =18,84 [rad/s] ; = 2,09 [rad/s] ã Tn s cao (4 ữ ∞) Đoạn tần số cao không ảnh hưởng đến lượng trình điều khiển Vì đoạn xây dựng tùy ý có độ nghiêng nằm khoảng 40 [db/dk] ÷ -60[db/dk] 13 14 Xây dựng đáp ứng biên độ lô-ga mong muốn Lmm(ω)trên giấy có hệ tọa độ lơ-ga Chọn phương án hiệu chỉnh hệ thống tính tốn tham số cấu hiệu chỉnh bảo đảm hệ có tiêu chất lượng đề III Phân tích ưu nhược điểm phương án hiệu chỉnh hệ thống (nối tiếp, song song, hỗn hợp ) để chọn phương án hiệu chỉnh hệ thống cho * Phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp: - Ưu điểm: phương pháp hiệu chỉnh đơn giản (xét cấu trúc mạch hiệu chỉnh, mạch thực tế hóa, phương pháp tính tốn, thiết kế) tạo hiệu ứng cao chất lượng hệ thống điều khiển trạng thái cân trạng thái độ - Nhược điểm: làm yếu tín hiệu điều khiển mạch (vì tín hiệu mạch phải tham gia hình thành tín hiệu phụ mạch vi phân, tích phân), điều tương đương với giảm hệ số khuếch đại chung hệ điều khiển, giảm độ xác * Phương pháp hiệu chỉnh song song phản hồi - Ưu điểm: phương pháp hiệu quả, sử dụng cho hệ thống cơng suất bất kỳ, có khả loại trừ ảnh hưởng tính chất xấu (như tính phi tuyến, tính quán tính) khâu, bị ảnh hưởng tác động nhiễu thay đổi tham số phần tử hệ điều khiển - Nhược điểm: sơ đồ mắc nối cấu hiệu chỉnh phức tạp so với hiệu chỉnh nối tiếp, cần phải sử dụng phần tử phối hợp (như cảm biến đo lường) nên cồng kềnh mạch phản hồi xảy tượng tải * Phương pháp hiệu chỉnh kiểu hỗn hợp - Ưu điểm: có tất ưu điển cấu hiệu chỉnh nói trên, khắc phục hết nhược điểm chúng - Nhược điểm: lắp đặt phức tạp, giá thành cao, cần có mạch phản hồi phù hợp với hệ thống tránh cố tải Dựa vào ưu, nhược điểm phương án hiệu chỉnh Ta nên chọn phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp cho hệ thống điều khiển bám góc dùng cơng nghiệp dùng hệ truyền động chiều 15 2.Dựa phương án chọn lựa để tiến hành tính tốn, xác định tham số CCHC dạng mạng cực thụ động RC Ta có biên độ hiệu chỉnh Lmm (ω) = Lbđ (ω) + Lnt (ω) => Lnt (ω) = Lmm (ω) - Lbđ (ω) (1) Từ đồ thị của Lmm (ω) Lbđ (ω) ta xây dựng trên, sử dụng phương pháp trừ đồ thị cho theo công thức ( ) Ta dịch chuyển đồ thị Lnt (ω) xuống trục tần số , nhận được Lnt (ω) có dạng hình vẽ Dựa vào đồ thị Lnt (ω) ta chọn CCHC dạng mạng cực thụ động RC sau: Khâu hiệu chỉnh có hàm truyền : Khc (s) = Chọn R1 = 500 , R2 = 200 , C1 = 1000 µF, C2 = 500 µF T1 = R1 C1 = 0,5 (s) T2 = R2 C2 = 0,1 (s) T1 T2 =T3 T4 T3 = 0,06 (s) ; ; T3 + T4 = T1 + T2 ( + ) T4 = 0,79 (s) Hàm truyền CCHC : Khc (s) = CCHC có : 16 - Hai khâu vi phân K1(s) = 0,5 s +1; Hai khâu tích phân K2 (s) = 0,1 s + 1; K3 (s) = 0,06 s +1 K4 (s) = 0,79 s + IV Phân tích, mơ khảo sát chất lượng hệ thống ĐKTĐ sau hiệu chỉnh Sơ đồ cấu trúc Xây dựng đáp ứng pha tần số lôga φmm(ω), matlab * Phần mềm matlab: MATLAB phần mềm cung cấp mơi trường tính tốn số lập trình, cơng ty mathworks thiết kế MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực thuật toán, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác Matlab có nhiều cơng cụ chương trình chạy mơi trường matlab giải nhiều tốn phân tích, tính tốn, mô nghiên cứu nhiều ngành kỹ thuật Đối với lĩnh vực điều khiển tự động để khảo sát tính tốn, thiết kế hệ thống ĐKTĐ Matlab, tiến hành theo phương pháp: -Lập trình Matlab -Mơ hệ thống ĐKTĐ để khảo sát trình độ xảy hệ thống Hàm truyền hệ hở hệ thống HCTĐ sau chỉnh : 17 Wh(s) = Khc(s) Wbđ(s) = = CCHC có : Wh(jw) = Đặc tính φmm(ω) tính theo cơng thức : φmm(ω) = φbđ(ω) + φhc(ω) Trong đó: bđ (ω) = -artg ( 0,008ω ) - 900 - artg ( 0,02ω ) - artg ( 0,2ω ) hc (ω) = artg [ Khc (jω) = ] = artg (0,5ω ) + artg ( 0,06ω ) – artg ( 0,1ω ) – artg ( 0,79ω ) Kết luận tính ổn định, xác định độ dự trữ ổn định theo biên độ pha hệ thống Dựa đặc tính L(ω) φ(ω) hệ hở Do số điểm chuyển dương số điểm chuyển âm đặc tính φ(ω) khoảng L(ω) > Vậy ta kết luận hệ thống ĐCTĐ sau hiệu chỉnh ổn định -Độ trữ ổn định theo tiên chuẩn tần số lôga : Độ dự trữ ổn định theo biên độ : -10,8dB Độ dự trữ ổn định theo biên độ : 690 Viết chương trình Matlab có biểu đồ bode so sánh độ dự trữ ổn định xác định mục Trên sổ làm việc Matlab ta tiến hành lập trình theo tham số hàm truyền hệ thống Các câu lệnh : >> n1= 148.83; 18 >>d1=conv([1 0],[0.008 1]); >>n2=1; >>d2=conv([0.02 1],[0.2 1]); >>n3=conv([0.5 1],[0.06 1]); >>d3=conv([0.1 1],[0.79 1]); >> [N1,D1]=series(n1,d1,n2,d2); >> [N2,D2]=series(n3,d3,N1,D1); >> w=tf(N2,D2) >> bode(w) >> grid on Ta nhận đồ thị đáp ứng tần số lôga sau : 19 Dùng simulink để vẽ đáp ứng độ đáng giá chất lượng cảu hệ thống Mô hệ thống ĐKTĐ dùng công cụ Simulink chạy môi trường Matlab 2010a Để mô hệ thống ta thực theo bước sau: *Khởi động Matlab, mở công cụ mô Simulink New - Simulink model - mở thư viện mô : Library Browser *Lấy khối dùng để mơ phỏng: -Tạo khối tín hiệu vào Sources, lấy khối Step -Khối thực phép toán Math, chọn khối tổng Sum khối khuếch đại Gain -Khối hiển thị quan sát Sinks lấy Scope -Tạo phần tử liên tục Continous, lấy Transfer Fcn Thành lập để mô hệ thống theo sơ đồ sau đây: Khi nối khối 20 *Tuyến tính hố tín hiệu đầu ra, vào : chọn đường nối đầu tín hiệu vào tín hiệu chọn Nhấn chuột phải chọn Linear Analysis chọn Input Point , Output Point *Chạy mô phỏng: Analysis – Control Design – Linear analysis tool - mục Plot Result chọn New Step để vẽ đáp ứng độ Ta hình sau : Đáp ứng độ h(t) 21 22 KẾT LUẬN: -Hệ thống hiệu chỉnh đạt tiêu đề cách tương đối -Ban đầu hệ thống có đáp ứng độ đường biên giới ổn định, hay nói cách khác hệ chưa ổn định Sau hiệu chỉnh hệ thống ổn định với độ dự trữ ổn định tương đối đạt theo yêu cầu đặt Qua thấy tầm quan trọng CCHC hệ thống điều chỉnh tự động Là cấu thiếu hệ thống ĐKTĐ Để nâng cao chất lượng hệ thống ĐKTĐ -Phương pháp khảo sát, tính tốn hệ thống sử dụng cho bài: đặc tính biên độ, pha tần số; đặc tính biên độ, pha tần số mong muốn; đặc tính q độ; tiêu chuẩn Hurwitz Để hồn thành theo yêu cầu -Các kĩ kinh nghiệm thu được: bắt kiến thức học, nâng cao kĩ sử dụng word, matlab, vẽ đồ thị đáp ứng Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Ngọc Bích tận tình giảng dạy, giúp đỡ q trình học tập lớp để em hồn thành tốt tập lớn lần ! 23 ... phù hợp với hệ thống tránh cố tải Dựa vào ưu, nhược điểm phương án hiệu chỉnh Ta nên chọn phương pháp hiệu chỉnh nối tiếp cho hệ thống điều khiển bám góc dùng cơng nghiệp dùng hệ truyền động chiều. .. CCHC hệ thống điều chỉnh tự động Là cấu thiếu hệ thống ĐKTĐ Để nâng cao chất lượng hệ thống ĐKTĐ -Phương pháp khảo sát, tính tốn hệ thống sử dụng cho bài: đặc tính biên độ, pha tần số; đặc tính. ..R1 S2 B NỘI DUNG NHIỆM VỤ ĐỒR1ÁN: S1 Cho hệ thống ĐKTĐ bám góc cơng nghiệp dùng hệ truyền động điện αy chiều (hệ ban đầu tức hệ chưa có hiệu chỉnh) có sơ đồ R2 nguyên lý dạng đơn giản sau: