Chương 3- Nghiên cứu hệ truyền động điện chính của máy xúc ЭKГ-10 bằng phương pháp mô phỏng
3.4. Xác định hệ số tối ưu của bộ điều chỉnh
3.4.5. Xác định tham số của bộ điều chỉnh dòng điện phần ứng
Cấu trúc kinh điển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ là cấu trúc nhiều vòng phân cấp: khâu điều chỉnh điện áp máy phát và khâu điều chỉnh dòng điện phần ứng. Sau khi tìm đ−ợc giá trị tối −u cho bộ điều chỉnh điện áp kích từ của máy phát, mục tiêu tiếp theo là mô phỏng hệ thống điều chỉnh dòng điện phần ứng và tốc độ quay cho động cơ một chiều để tìm ra các thông số tối −u của các bộ điều chỉnh phía động cơ.
1. Sơ đồ cấu trúc:
CL 1 K T s+
1 Ru
1
F ktF
K T s+
1
u 1
T s+ × 1
J
×
× 1 ×
Ru
×
1 s
×
Hình 3-22. Sơ đồ cấu trúc 2.Sơ đồ cấu trúc mô phỏng Matlab:
Hình 3-23. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng Matlab.
Sau khi chạy ch−ơng trình mô phỏng, kết quả nh− sau:
-Đặc tính dòng phần ứng:
Hình 3-24. Đặc tính mô phỏng quá trình chạy tối −u dòng điện phần ứng - Đặc tính tốc độ:
Hình 3-25. Đặc tính mô phỏng quá trình chạy tối −u tốc độ động cơ
Hình 3-26. Kết quả chạy mô phỏng tối −u bộ điều chỉnh dòng điện phần ứng.
Sau khi chạy chương trình để tìm tham số cho bộ điều chỉnh dòng điện phần ứng và tốc độ động cơ, kết quả đ−ợc hệ số KP = 0,1046, hệ số KI = 0,017, KD= 0,0021.
3. Khảo sát hệ thống ứng với các giá trị điện áp UđF = 3V, 6V, 9V và 12V.
Kết quả thực hiện mô phỏng ở phần trên đáp ứng với giá trị UđF = 12V, nh−ng để có thể khảo sát sự làm việc của hệ thống trong các điều kiện khác nhau thì
cần phải xét trong các tr−ờng hợp giá trị UđF khác nhau. Nếu ứng với các hệ số tối
−u tìm đ−ợc của các bộ điều chỉnh PI và PID đáp ứng cho hệ làm việc ổn định với thời gian quá độ và độ chính xác cho phép, có thể coi các hệ số đó là đạt yêu cầu, nếu không thì cần phải hiệu chỉnh lại các hệ số của các bộ điều chỉnh để hệ thống làm việc đạt năng suất cao nhất.
D−ới đây là kết quả mô phỏng điện áp máy phát, dòng điện phần ứng và tốc
độ động cơ trong các trường hợp UđF có giá trị 3V, 6V, 9V và 12V.
Hình 3-27. Đặc tính điện áp máy phát ứng với tr−ờng hợp UđMF =3V, 6V, 9V, 12V
Hình 3-28. Đặc tính tốc độ động cơ
ứng với tr−ờng hợp UđMF =3V, 6V, 9V, 12V
Hình 3-29. Đặc tính dòng điện phần ứng động cơ
ứng với tr−ờng hợp UđMF =3V, 6V, 9V, 12V.
Trong đó:
* NhËn xÐt chung:
ứng với hệ số của bộ PID tìm đ−ợc KP = 0,1046, hệ số KI = 0,017, KD= 0,0021 khi khảo sát với các tín hiệu UđMF lần l−ợt 12V, 9V, 6V, 3V ta thấy thời gian quá độ của đường đặc tính điện áp máy phát và tốc độ động cơ ứng với giá trị UđMF
=9V, 6V, 3V tương đối lớn, như vậy sẽ ảnh hưởng đến thời gian ổn định của hệ thống. Do đó cần điều chỉnh lại các hệ số của bộ bộ điều chỉnh điện áp máy phát và bộ điều chỉnh dòng phần ứng sao cho hệ đáp ứng các yêu cầu ổn định với các cấp
®iÒu khiÓn.
Qua việc chạy lại ch−ơng trình mô phỏng, có điều chỉnh các hệ số tối −u của bộ PI, PD đã tìm đ−ợc ở phần trên, cụ thể:
- Hệ số bộ PI: KP = 15,1971 và KI = 0,97.
- Hệ số bộ PID: KP = 0,1046 ; KI = 0,08 và KD = 0,0021.
Kết quả nhận đ−ợc sau khi điều chỉnh lại hệ số ứng với các tín hiệu đặt khác nhau đã đáp ứng đ−ợc yêu cầu điều chỉnh:
Khi U®MF= 9V Khi U®MF= 12V
Khi U®MF= 3V Khi U®MF= 6V
Hình 3-30. Đặc tính điện áp máy phát ứng với tr−ờng hợp UđMF =3V, 6V, 9V, 12V
Hình 3-31. Đặc tính tốc độ động cơ
ứng với tr−ờng hợp UđMF =3V, 6V, 9V, 12V
Hình 3-32. Đặc tính dòng điện động cơ
ứng với tr−ờng hợp UđMF =3V, 6V, 9V, 12V
Bảng kết quả ứng với hệ số của bộ PI và PID đáp ứng cho 4 cấp điều khiển.
Bảng 3-1. Bảng kết quả ứng với hệ số PI và PID đáp ứng cho 4 cấp điều khiển MC (Nm) UđMF(V) Góc mở α UMF(V) Iu(A) ω(rad/s)
3 1,385 748,9 770 84,93 6 1,432 561,8 770 63,71 9 1,478 374 770 42,42 MC = MC®m
12 1,525 186,8 770 21,19 Qua bảng kết quả này và các đường đặc tính mô phỏng, có thể thấy với các hệ số của bộ PI và PID đã đ−ợc điều chỉnh đáp ứng đ−ợc với yêu cầu của hệ tự động
điều chỉnh với 4 cấp tốc độ.
3.5.6. Xác định tham số của bộ điều chỉnh từ thông kích từ động cơ.
Điều chỉnh từ thông động cơ thực chất đó là việc thay đổi điện áp đặt vào bộ biến đổi của mạch kích từ động cơ nhằm tăng tốc độ động cơ v−ợt tốc độ không tải lý tưởng khi máy xúc làm việc trong chế độ không tải hoặc nhẹ tải. Tuy nhiên việc giảm từ thông( hay tăng tốc độ của động cơ) không thể là vô cấp vì không thể tăng tốc độ động cơ đến ∞. Do vậy phần này thực hiện khảo sát hệ thống truyền động của cơ cấu nâng khi thay đổi từ thông động cơ ứng với các trường hợp UđĐC.
1. Tìm tham số tối −u của sơ bộ điều chỉnh điện áp kích từ động cơ.
Nh− đã nói ở trên việc thay đổi từ thông động cơ chính là việc thay đổi giá trị
điện áp kích từ động cơ, do đó cần có một bộ điều chỉnh để ổn định điện áp tương ứng với các cấp điều chỉnh khác nhau.
a. Sơ đồ cấu trúc:
dkD 1 K
T s+ 1
kt ktD
K T s+
Hình 3-33. Sơ đồ cấu trúc.
b.Sơ đồ cấu trúc Matlab:
Hình 3-34. Sơ đồ cấu trúc Matlab tìm tối −u cho bộ điều chỉnh từ thông kích từ động cơ
Chạy ch−ơng trình mô phỏng tìm tối −u ta đ−ợc kết quả sau:
- Tham số tối −u của bộ PI tìm đ−ợc qua chạy ch−ơng trình mô phỏng:
Hình 3-35. Kết quả chạy mô phỏng tìm tối −u
Hình 3-36. Kết quả chạy mô phỏng điện áp kích từ động cơ
ứng với hệ số tối −u.
Từ kết quả nhận đ−ợc khi chạy mô phỏng với các hệ số của bộ PI: KP = 2,5609 và KI
= 0,0015 nhận được đường đặc tính điện áp kích từ của động cơ đạt yêu cầu điều chỉnh.
2. ảnh hưởng của hệ số hồi tiếp theo áp của mạch kích từ động cơ đến tốc độ động cơ:
Hệ số hồi tiếp âm theo áp có ảnh hưởng lớn đến chất lượng đầu ra của hệ thống, nếu hệ số hồi tiếp phù hợp sẽ làm tăng hiệu quả làm việc của hệ thống trong miền công tác, vì vậy việc lựa chọn đ−ợc hệ số hồi tiếp phù hợp khá quan trọng.
Cấu trúc của bộ hồi tiếp âm theo áp của máy xúc gồm các điện trở đoạn có thể thay đổi đ−ợc giá trị nên việc điều chỉnh hệ số hồi tiếp là hoàn toàn thực hiện
đ−ợc, do đó trong phần này thực hiện việc khảo sát để lựa chọn hệ số hồi tiếp hợp lý của mạch kích thích của động cơ.
Thực hiện chạy mô phỏng hệ thống với các thông số đã cho khi tìm tối −u để khảo sát đường đặc tính quá độ tốc độ và một số các hệ số hồi tiếp âm theo áp của mạch kích thích động cơ khác nhau với UđDC=12V và UdMF=12V ta có kết quả mô
pháng nh− sau:
-Khi α = 0,001563
Hình 3-37. Kết quả chạy mô phỏng ứng với hệ số PID vừa tìm đ−ợc
Từ kết quả cho thấy ứng với hệ số hồi tiếp này khi UđĐ=12V và UđF=12V tốc độ
động cơ lên tới 112,3rad/s trong khi tốc độ định mức của động cơ là 84rad/s, do vậy
nên hệ số hồi tiếp này không đảm bảo cho động cơ hoạt động tốt. Do vậy có thể thay
đổi hệ số này sao cho phù hợp.
- Khi chạy ch−ơng trình với hệ số hồi tiếp α = 0,000267, α = 0,0018 và α = 0,002 ta đ−ợc kết quả nh− sau:
+ α = 0,000267
Hình 3-38. Kết quả chạy mô phỏng ứng với hệ số α = 0,000267 +α = 0,0018:
Hình 3-39. Kết quả chạy mô phỏng ứng với hệ số α = 0,0018 + α = 0,002
Hình 3-40. Kết quả chạy mô phỏng ứng với hệ số α = 0,002 Kết quả ứng với các hệ số hồi tiếp khác nhau có giá trị tốc độ nh− sau.
Bảng 3-2. Kết quả ứng với các hệ số hồi tiếp khác nhau.
Tốc độ động cơ (rad/s)
Hệ số α UđĐ = 3V UđĐ = 6V UđĐ = 9V UđĐ = 12V
0,001563 27,3 55 83,5 112,3
0,002 23,5 60 100 134 0,0018 26 57,5 92,5 125,5
0,000267 20,7 42 63 85
Qua bảng kết quả có thể thấy đ−ợc rằng với hệ số α = 0,00267 là hợp lý do vậy có thể chọn hệ số hồi tiếp cho kích từ động cơ là α = 0,000267.
2. Mô phỏng hệ tìm ra giới hạn điều chỉnh từ thông động cơ:
Nh− đã nói ở phần trên, khi giảm từ thông để điều chỉnh tốc độ động cơ thì
không thể điều chỉnh vô cấp mà chỉ giảm tối đa là 40% so với từ thông định mức, khi đó tốc độ sẽ tăng gấp 2 lần định mức. Trong phần này sẽ mô phỏng với các tín hiệu UđĐC lần l−ợt là 12V, sau đó giảm xuống 9V, 6V, 3V với điều kiện UđMF = const = 12V.
a. Sơ đồ cấu trúc:
CL 1 K T s+
1 Ru
1
F ktF
K T s+
1
u 1
T s+ × 1
J
× 1 ×
Ru
×
1 s
×
1
kt ktD
K
T s+ ×
CLD 1 K T s+
Hình 3-41. Sơ đồ cấu trúc.
b. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng Matlab:
Hình 3-42. Sơ đồ cấu trúc Matlab.
Sau khi chạy ch−ơng trình mô phỏng Matlab, kết quả nhận đ−ợc thể hiện trên
đường đặc tính như sau:
Hình 3-43. Kết quả mô phỏng tìm giới hạn
điều chỉnh từ thông động cơ
Qua các đường đặc tính nhận được khi mô phỏng có kết quả như sau.
Bảng 3-3. Bảng kết quả tốc độ động cơ
Tốc độ động cơ (rad/s)
U®F(V) U®§ = 3V U®§ = 6V U®§ = 9V U®§ = 12V
12 165,7 165,7 112,1 85,73 Từ bảng kết quả
+ Khi Uđ giảm từ 12V xuống 9V tốc độ đã tăng hơn giá trị định mức và có giá trị khoảng ω = 112,1 rad/s.
+ Khi tiếp tục giảm Uđ xuống còn 6V thì tốc độ tăng lên ω = 165,7 rad/s.
+ Giảm tiếp Uđ xuống 3V thì tốc độ vẫn giữ ở 165,7 rad/s.
Nh− vậy việc giảm từ thông để tăng tốc độ chỉ đáp ứng đ−ợc khi giảm điện áp UđĐ vào bộ biến đổi mạch kích từ động cơ từ 12 xuống 9V và từ 12V xuống 6V, còn khi giảm từ 12V xuống 3V tốc độ động cơ vẫn giữ ở giá trị nh− khi bị giảm xuống 6V. Do đó Uđ chỉ đ−ợc giảm xuống hai cấp 9V và 6V.
3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh từ thông động cơ ứng với trường hợp điện áp UđMF = 12V, 9V, 6V và 3V.
Thực hiện việc điều chỉnh bằng cách khảo sát hệ với giá trị UđMF lần l−ợt 12V, 9V, 6V, 3V. Khi hệ hoạt động với các giá trị điện áp đó đến thời điểm ổn định bắt đầu giảm từ thông bằng cách giảm UđDC từ 12V xuống 9V, 6V. Khi đó trên đồ thị thể hiện ba đường đặc tính khi giữ UđDC = 12V, sau đó giảm xuống 9V và 6V.
-Sơ đồ cấu trúc mô phỏng Matlab:
Hình 3-44. Sơ đồ cấu trúc Matlab
mô phỏng điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.
Sau khi chạy chương trình mô phỏng, kết quả thể hiện trên đường đặc tính nh− sau:
-Khi U®MF =12V
Hình 3-45. Kết quả mô phỏng ứng với UđMF =12V - Khi U®MF =9V
Hình 3-46. Kết quả mô phỏng ứng với UđMF =9V -Khi U®MF =6V
Hình 3-47. Kết quả mô phỏng ứng với UđMF =6V
-Khi U®MF =3V
Hình 3-48. Kết quả mô phỏng ứng với UđMF =3V.
Trong đó:
* Nhận xét: khi thực hiện việc điều chỉnh từ thông mạch kích từ của động cơ ứng với các tr−ờng hợp giá trị UđMF lần l−ợt là 12V, 9V, 6V, 3V ta thấy việc điều chỉnh là hoàn toàn hợp lý, tốc độ điều chỉnh tối đa đáp ứng đ−ợc yêu cầu kỹ thuật.
3.4.7. Điều chỉnh thời gian đi số hợp lý.
Thời gian đi số là một vấn đề quan trọng trong quá trình hoạt động của máy xúc, nếu thời gian đi số quá lớn thì việc đ−a hệ thống vào làm việc ổn định sẽ mất nhiều thời gian, còn nếu quá nhỏ sẽ làm cho hệ thống không đáp ứng kịp khi chuyển số, điều đó phụ thuộc vào người lái, vì vậy cần tìm ra khoảng thời gian chuyển số hợp lý để hệ thống thoả mãn yêu cầu điều khiển. Do vậy trong phần này thực hiện khảo sát sự làm việc của hệ truyền động cơ cấu nâng trong khoảng thời gian đi số:
0,5s, 1s, 1,5s, 2s.
Sơ đồ cấu trúc Matlab:
Hình 3-49. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng Matlab thời gian đi số.
Kết quả:
Hình 3-50. Kết quả mô phỏng điện áp máy phát
Hình 3-51. Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ
Hình 3-52. Kết quả mô phỏng dòng điện phần ứng Trong đó:
Nhận xét: Qua khảo sát các đường đặc tính về điện áp máy phát, dòng điện phần ứng và tốc độ động cơ ứng với các khoảng thời gian đi số 0,5, 1s, 1.5s và 2s ta có thể thấy rằng:
- ứng với thời gian 0,5s: thời gian chuyển số này tương đối nhanh, việc chuyển tốc độ êm dịu.
- ứng với thời gian là 1s: độ êm dịu khi chuyển số đáp ứng tốt.
- ứng với thời gian là 1,5s: các đoạn chuyển tốc độ đã thể hiện rõ trên đặc tính, thời gian quá độ của từng số lớn hơn so với khi chuyển số 1s, độ êm dịu không cao bằng khi thực hiện với thời gian 1s.
- ứng với thời gian là 2s: thời gian hệ thống quá độ trong vùng điều chỉnh các số tương đối lớn, độ êm dịu không cao.
Nhìn chung theo kết quả mô phỏng ta có thể nhận thấy hệ hoạt động tốt trong vùng chuyển số, cùng với việc điều chỉnh tốc độ thì thời gian chuyển số đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của máy xúc, điều đó phụ thuộc vào người
điều khiển. Tuy nhiên để hệ đáp ứng hiệu quả, tiết kiệm đ−ợc thời gian, đảm bảo
đ−ợc độ êm dịu và hợp lý thì nên chọn thời gian chuyển số là 1s.
3.4.8. Mô phỏng hệ thống khi xảy ra quá tải nặng.
Như đã trình bày ở chương 1, hoạt động của máy xúc có thể chia làm 2 vùng.
Vùng 1 là vùng công tác của động cơ nên khi đó chỉ có hồi tiếp âm theo áp hoạt
động nhằm tăng độ cứng của đặc tính cơ. Vùng 2 là vùng khi xảy ra quá tải lớn, dòng điện phần ứng tăng quá cao sẽ gây cháy động cơ, do vậy người ta sẽ thực hiện việc hạn chế dòng bằng cách sử dụng hồi tiếp âm theo dòng và trong vùng này hồi tiếp âm theo áp sẽ không hoạt động.
Trong mục này khảo sát hệ thống khi đang làm việc với tải định mức, đột ngột tăng tải đến giá trị MC =2,3 MCđm =15500(Nm).
-Sơ đồ cấu trúc mô phỏng Matlab:
Hình 3-53. Sơ đồ cấu trúc Matlab mô phỏng hệ trong trường hợp quá tải Chạy ch−ơng trình mô phỏng hệ khi xảy ra quá tải nặng, kết quả nh− sau:
Hình 3-54. Kết quả mô phỏng tốc độ động khi xảy ra quá tải