.Tốc độ động cơ thay đổi từ non tải đến định mức

Hình 3 .5 Sức điện động máy phát thay đổi từ định mức đến quá tải

Hình 3.27 .Tốc độ động cơ thay đổi từ non tải đến định mức

Hình 3.28. Tốc độ động tốc cơ thay đổi từ định mức đến quá tải

Hình 3.29. Tốc độ động cơ thay đổi từ non tải đến quá tải

Hình 3.31. Dịng điện phần ứng khi thay đổi từ non tải đến quá tải

Hình 3.32. Dịng điện phần ứng khi thay đổi từ định mức đến quá tải

Hình 3.33. Sức điện động máy phát từ quá tải đến non tải

Hình 3.35. Sức điện động máy phát từ non tải đến q tải

Hình 3.36. Dịng kích từ máy phát thay đổi từ quá tải đến non tải

Hình 3.37. Dịng kích từ máy phát thay đổi từ định mức đến quá tải

Bảng 3.9. So sánh dịng kích từ máy phát (Ikt) khi thực hiện điều khiển PID và điều khiển lai (điều khiển mờ với PID thích nghi)

Tải Bộ điều khiển Thời gian quá độ (Sec)

Thời gian xác lập (Sec)

Non tải PID

Điều khiển lai

0.1635 1.6

0.1235 1.4

Định mức PID

Điều khiển lai

0.164 1.7

0.1231 1.5

Qua phân tích ghi nhận các thơng số ở bảng 3.9 cho thấy các thông số của dịng kích từ với các trường hợp tải thay đổi khác nhau được hiển thị ở Hình 3.46, hình 3.4, hình 3.48 về thời gian quá độ và thời gian xác lập của bộ điều khiển lai nhanh hơn so với bộ điều khiển bằng PID

Bảng 3.10. So sánh dòng phần ứng (Iu) khi thực hiện điều khiển PID và lai Tải Bộ điều khiển Thời gian xác lập

(Sec)

Độ vọt lố % dòng điện phần ứng

Non tải PID Lai 1.5 2.432519 1.2 2.012821 Định mức PID Lai 1.7 1.326846 1.4 1.026846

Quá tải PID Lai

3 0.012062

2 0.007542

Qua phân tích ghi nhận các thơng số ở bảng 3.10 cho thấy các thơng số của dịng phần ứng với các trường hợp tải thay đổi khác nhau được hiển thị ở Hình 3.40, 3.41, 3.42, 3.43, 3.44, 3.45 về thời gian xác lập nhanh hơn, độ vọt lố % thấp hơn của bộ lai so với bộ điều khiển PID

Bảng 3.11. So sánh các thông số tốc độ của PID kinh điển và Hybrid Tải Bộ điều khiển Thời gian tăng tốc (Sec)

Non tải PID

Hybrid 1.4 1 Định mức PID Hybrid 1.5 1.2

Quá tải PID

Hybrid

2.05 1.9375

Qua phân tích ghi nhận các thơng số ở bảng 3.11 cho thấy các thông số của tốc độ động cơ với các trường hợp tải thay đổi khác nhau được hiển thị ở Hình 3.37, hình 3.38, hình 3.39 ta thấy thời gian tăng tốc của bộ Hybrid nhanh hơn so với bộ điều khiển PID

Nhận xét chung:

Ảnh hưởng của hiệu suất của mơ hình dựa trên sự thay đổi tải khác nhau và tốc độ phản hồi. Tác động của tải khác nhau làm thay đổi các thông số đầu ra trên hệ thống được thể hiện thời gian tăng tốc, thời gian xác lập, thời gian quá độ, độ vọt lố và giá trị tốc độ cao nhất đã được trình bày Bảng 3.9, bảng 3.10, bảng 3.11.

Để hoạt động ổn định và đáp ứng điều khiển nhanh các bộ điều khiển dịng kích từ, dịng phần ứng, điện áp phần ứng đã thực hiện kết hợp điều khiển mờ và PID theo như đề xuất mục 3.3.3.1 kết quả được trình bày và phân tích Bảng 3.9, bảng 3.10, bảng 3.11 khi so sánh bộ điều khiển PID kinh điển với các bộ lai, điều khiển lai, thì tất cả các thơng số thu được kết quả vượt trội.

Cấu trúc điều khiển hiện tại đang thực hiện đơn giản hóa sự ảnh hưởng của các yếu tố: Gàu xúc cắt vào lớp đất đá; Chuyển động của các cơ cấu khác (vào ra tay gàu, quay) gây thay đổi tính chất tải. Trong điều khiển kinh điển để khắc phục những ảnh hưởng đó, nâng cao chất lượng điều khiển cần có sự tính

tốn các khâu bù. Vì vậy thay vì sử dụng các khâu bù NCS đề xuất sử dụng các bộ điều khiển mờ, mờ lai, mục tiêu để nâng cao chất lượng của bộ điều khiển PID kinh điển. Ưu điểm của phương pháp này là thiết kế đơn giản mà không cần quan tâm đến cấu trúc bên trong của đối tượng điều khiển. Từ các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ lai đã cải thiện được một số chỉ tiêu chất lượng so với bộ điều khiển PID kinh điển; đáp ứng của hệ thống có thời gian quá độ và thời gian xác lập phù hợp, độ vọt lố và sai số xác lập khơng đáng kể. Ngồi ra bộ điều khiển cịn có đáp ứng tốt khi các trường hợp tải thay đổi, cũng như sự ổn định dưới sự tác động của nhiễu vào hệ thống. Điều này cho thấy phương pháp điều khiển mờ lai có thể áp dụng tốt cho việc điều khiển máy xúc điện.

Kết luận chương 3:

- Từ mơ hình tốn học xây dựng ở chương 2 đã thực hiện tổng hợp được các bộ điều khiển cho các mạch vịng, và đã tính tốn được các thơng số cụ thể trên máy xúc điện ЭΚΓ 8И để thực hiện mô phỏng trên Matlab / simulink.

- Với các bộ điều khiển PID thu được kết quả mô phỏng cho thấy khả năng điều chỉnh đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển truyền động của máy xúc điện tuy nhiên để đáp ứng tốt hơn nữa trong kỹ thuật điều khiển hiện đại tác giả đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống truyền động điện máy xúc trên cơ sở lý thuyết và thuật toán điều khiển lai

- Trên cơ sở tham số PID tổng hợp và kết quả mô phỏng đã xây dựng các bộ điều chỉnh mờ lai PID, PID tự chỉnh mờ

 Đối với mạch vòng điều khiển dòng điện phần ứng lai (điều khiển mờ và PID)

 Đối với mạch vịng điều khiển dịng điện kích từ điều khiển lai (điều khiển mờ và PID tự chỉnh)

Các bộ điều khiển đề xuất trên được nghiên cứu sinh mô phỏng và khẳng định được ứng dụng vượt trội chất lượng so với bộ PID hiện tại

Thuật toán lai, điều khiển lai đã được nghiên cứu sinh thực hiện trên Matlab Simulink và đã thể hiện rõ các số liệu thu được khi thực hiện mô phỏng là nâng cao hiệu suất trên máy xúc ЭΚΓ 8И

Tuy nhiên để khẳng định nó, nghiên cứu sinh thực hiện ứng dụng trên vi xử lý và trên mơ hình thực tế thu nhỏ được thực hiện ở chương 4

Chương 4

MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1. Mơ hình thực nghiệm

Để thực hiện kiểm chứng các tính tốn và bộ điều khiển đề xuất ở Chương 3, một mơ hình thực nghiệm đã được thiết kế theo cấu trúc điều khiển như 3.1 trình bày sau đây.

4.1.1. Cấu trúc cơ khí của mơ hình thực nghiệm

Hình 4.1. Bản vẽ thiết kế cơ khí

Mơ hình thực nghiệm được thiết kế mơ phỏng hệ thống truyền động nâng hạ gàu như trên Hình 4.1. Trong đó giá treo 05 được sử dụng để mơ phỏng cần gàu. Tải thực nghiệm sẽ được treo vào cáp treo vắt qua puli bố trí ở đầu cần gàu. Động cơ điện một chiều 12 được gắn với tang tời để thực hiện điều khiển nâng, hạ tải trọng của mơ hình. Tồn bộ kết cấu mơ phỏng được bố trí trên một bàn thí nghiệm cùng với hệ thống cung cấp điện và bộ điều khiển.

4.1.2. Thiết bị điện của hệ thống

Để mô phỏng lại hệ truyền động của máy xúc, mơ hình mơ phỏng sử dụng một hệ thống máy phát động cơ với các thông số kỹ thuật như sau:

Động cơ không đồng bộ 3 pha (1HP, 380, n = 1500/phút); Máy phát một chiều kích từ độc lập (P = 200 W, U = 30, I= 7A, n = 2000v/ phút); Động cơ một chiều được thực hiện hãm để thử tải (P = 54W, U = 30V, I = 1.8 A)

Hình 4.2. Hệ thống máy phát - Động cơ

Trong đó động cơ khơng đồng bộ ba pha được sử dụng để lai máy phát điện một chiều kích từ độc lập Hình 4.2. Điện áp đầu ra của máy phát điện một chiều sẽ được cung cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều Hình 4.3. Bằng cách điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát, điện áp đầu ra máy phát có thể thay đổi và đảo chiều.

Hình 4.4. Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây

Để tạo ra điện áp một chiều cho mạch điều chỉnh kích từ và nguồn nuôi cho mạch điều khiển, một máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây 380/30V được bố trí tại chân bàn thí nhiệm như Hình 4.4

4.1.3. Mạch điều khiển kích từ máy phát

Hình 4.5. Bo điều khiển kích từ máy phát dùng IGBT

Bộ biến đổi điện áp một chiều IGBT được điều khiển bởi tín hiệu xung PWM từ bộ điều khiển theo các luật điều khiển được thiết kế. Để có thể nhúng các chương trình điều khiển và tạo ra các tín hiệu điều khiển, Vi xử lý AVR ATMEGA 2560 được sử dụng trong mơ hình hệ thống.

Thơng số kỹ thuật:

 Vi điều khiển ATmega2560

 Điện áp hoạt động 5V

 Điện áp đầu vào (được đề nghị) 712V

 Điện áp đầu vào (giới hạn) 620V

 Số lượng chân I / O 54 (trong đó có 15 chân PWM)

 Số lượng chân Input Analog 16

 Dòng điện DC mỗi I / O 20 mA

 Dòng điện DC với chân 3.3V 50 mA

 Bộ nhớ flash 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

 SRAM 8 KB

 EEPROM 4 KB

 Tốc độ đồng hồ 16 MHz

Hình 4.6. AVR ATmega2560

Giá trị điều khiển cho hệ thống và các kết quả đo lường từ mơ hình mơ phỏng sẽ được giao tiếp thơng qua máy tính kết nối với mạch vi xử lý AVR và hiển thị trên màn hình LCD như Hình 4.7.

Hình 4.7. Card giao tiếp giữa nguồn và máy tính 4.2. Thiết kế bộ điều khiển PID số

Căn cứ kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở chương 3. Nghiên cứu sinh thực hiện nhúng bộ điều khiển tìm được vào Vi điều khiển. Để thực hiện bước này, việc xác định bộ điều khiển PID số cho máy xúc được xây dựng theo các bước sau:

Trong đó:

 R(z) Mong muốn điều khiển

 M(z) Tín hiệu điều khiển

 Cm(z) giá trị thực của đối tượng điều khiển

2 0 1 2 P i d Q z Q z Q M(z) K K T(z 1) K z 1 M(z) E(z) 2(z 1) Tz E(z) z(z 1) Với 0 p K Ti Kd 1 p K Ti Kd 2 Kd Q K ;Q K 2. ;Q 2 T 2 T T Vậy: 2 0 1 2 Q z Q z Q M(z) E(z) z(z 1) Từ đó: 2 2 0 1 2 2 0 1 2 0 1 2 z M(z) zM(z) (Q .z Q z Q ).E(z) Q E(z)z Q E(z)z Q E(z) Q e(k) Q e(k 1) Q e(k 2)

Vậy bộ điều khiển cần thực hiện trong vi điều khiển có phương trình như sau:

0 1 2

m

m(k) m(k 1) Q e(k) Q e(k 1) Q e(k 2) r(k) c (k)

Lưu đồ thuật toán PID số nhúng Vi xử lý AVR ATMEGA 2560 được xây dựng:

Hình 4.10. Lưu đồ ngắt chương trình PID số

4.3. Kết quả đo được từ thực nghiệm

Hình 4.12. Điện áp phần ứng khi khơng tải

Hình 4.13. Dịng điện phần ứng khi khơng tải

Hình 4.14. Tốc độ động cơ khi khơng tải

Hình 4.16. Dịng điện phần ứng khi có tải

Hình 4.17. Tốc độ động cơ khi có tải

Hình 4.12, hình 4.13, hình 4.14 khi hoạt động khơng tải các giá trị điện áp phần ứng luôn dao động từ 22 đến 25 vol, dòng điện dao động từ 0.5 đến 0.6 Ampe, tốc độ dao động từ 500 đến 550 vòng/ phút.

Hình 4.15, hình 4.16, hình 4.17, 4.18 khi hoạt động có tải, thử tải ở các chế độ khác nhau ta thấy các giá trị đo được cũng thay đổi và tùy thuộc vào tải nặng hay nhẹ

Kết luận chương 4.

Dựa trên mơ hình mơ phỏng. NCS đã xây dựng được mơ hình thí nghiệm với cấu trúc đề xuất

Đã sử dụng Card Arduino mega 2560 làm chức năng trung gian nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến và gửi tín hiệu điều khiển cho bộ driver của động cơ và đọc tín hiệu điều khiển giữa máy tính và mơ hình.

Bước đầu thí nghiệm đã đo được điện áp phần ứng, dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ với các chế độ tải khác nhau cho ra kết quả tương ứng như trong phân tích mơ phỏng ở chương 3.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận

Qua 4 chương đã nghiên cứu trong luận án, NCS rút ra một số kết luận sau: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để khảo sát thực tế tại các hệ thống thực trên các máy xúc điện hiện nay tại các mỏ và thực trạng hiện nay của các máy xúc tại các mỏ ở Việt Nam. Tham khảo các cơng trình nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước.

Đã xây dựng mơ hình tốn học đối tượng nghiên cứu hệ thống truyền động điện của máy xúc điện, đã sử dụng công cụ hiện đại Matlab Simulink để khảo sát xây dựng các đặc tính làm việc, các đặc tính động học của máy xúc điện hiện nay để có những đánh giá chất lượng hiệu quả làm việc của chúng

Đề xuất thuật tốn điều khiển hiện đại thơng minh ứng dụng các bộ lai, điều khiển lai cụ thể là:

 Đối với mạch vòng điều khiển dòng điện phần ứng lai (điều khiển mờ và PID)

 Đối với mạch vịng điều khiển dịng điện kích từ điều khiển lai (điều khiển mờ và PID tự chỉnh)

Các bộ điều khiển đề xuất trên được nghiên cứu sinh mô phỏng và khẳng định được ứng dụng vượt trội chất lượng so với bộ PID hiện tại

Đã phát triển và xây dựng được mơ hình thực nghiệm ứng dụng thuật toán điều khiển lai để khẳng định kết quả nghiên cứu lý thuyết, các kết quả chạy trên mơ hình thực nghiệm cho kết luận thuật tốn lai có thể đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng đã đề xuất và mục tiêu đề tài đề ra là nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu quả hiệu suất làm việc trong công nghiệp khai thác mỏ ở việt nam Thuật toán lai, điều khiển lai đã được nghiên cứu sinh thực hiện trên Matlab Simulink và đã thể hiện rõ các số liệu thu được khi thực hiện mô phỏng là nâng cao hiệu suất trên máy xúc ЭΚΓ 8И

Với những tồn tại về mặt kỹ thuật trên các loại máy xúc tại các mỏ lộ thiên ở Việt nam và những vấn đề chưa giải quyết hết được trong luận án. NCS đề xuất một số kiến nghị và hướng nghiên cứu để tiếp tục phát triển:

1. Việc nghiên cứu mơ hình tốn học, ứng dụng Simulink_Matlab để mơ hình hóa hệ thống điều khiển q trình nâng / hạ của gầu vì vậy để đồng bộ hố tất cả các truyền động trên máy xúc bằng bộ điều khiển lai thì mới có khả năng nâng cao được q trình điều khiển và làm cho năng suất khai thác được nâng cao

2. Bộ điều khiển lai đề xuất cho hệ thống điều khiển của hệ thống nâng / hạ gầu thông qua các kết quả mô phỏng là khả thi tuy nhiên việc áp dụng điều khiển này cần phải thí nghiệm trên máy xúc thực tế thì mới có thể thay thế các thiết bị cũ trên các máy xúc hiện tại ….

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Khổng Cao Phong; Lưu Hồng Quân, A suggestion for renovating main

drive system of electric shovel excavators EKG in Vietnam mining industry, ESASGD 2016, 7883, 2016

2. Khổng Cao Phong; Lưu Hồng Qn,Mơ phỏng điều khiển kích từ máy phát

cho hệ truyền động máy xúc EKG bằng chỉnh lưu Thyristor,ERSD 2018,Hà

nội, 07122018, Nhà xuất bản giao thông vận tải

3. Lưu Hồng Quân; Trần Anh Minh; Lê Nam Thời, Study on hybrid controller

error algorithm to maximize speed control parameters of dc motors, eISSN:

25825208, International Research Journal Of Modernization In Engineering Technology And Science Published online: 19/05/2021 1 4. Quan Luu Hong (2021),” Calculate The Parameters Of Excavator Эκγ 8и”,

International Research Journal of Modernization in Engineering Technology and Science, eISSN: 25825208, International Research Journal

Of Modernization In Engineering Technology And Science Published online: 06/06/2021

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1. Nguyễn Bính (2000), Điện tử cơng suất, Nhà xuất bản KHKT Hà Nội. 2. Đặng Ngọc Huy (2009), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển

truyền động điện máy xúc ЭΚΓ10, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường đại

học mỏ địa chất, Hà nội.