Xem mẫu

  1. 1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG NGUY N TH M DUNG THI T K B ĐI U KHI N PID THÍCH NGHI ĐI U KHI N T C Đ Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY Đ I Chuyên ngành : T Đ NG HÓA Mã s : 60.52.60 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng – Năm 2010
  2. 2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Nguy n Hoàng Mai Ph n bi n 1: PGS.TS Nguy n H ng Anh Ph n bi n 2: TS. Tr n Đình Khôi Qu c Lu n văn s ñư c b o v t i H i ñ ng ch m lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 15 tháng 01 năm 2011. Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin- H c li u, Đ i h c Đà N ng. - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
  3. 3 M Đ U 1. Lý do ch n ñ tài Cho ñ n nay ñ ng cơ ñi n m t chi u ñóng m t vai trò quan tr ng trong nghành công nghi p cũng như trong cu c s ng c a chúng ta. Đ ng cơ ñi n m t chi u ñư c ng d ng r t ph bi n trong các nghành công nghi p cơ khí, các nhà máy cán thép,nhà máy xi măng, tàu ñi n ng m và các cánh tay Robot. Đ th c hi n các nhi m v trong công nghi p ñi n t v i ñ chính xác cao, l p ráp trong các dây chuy n s n xu t, yêu c u có b ñi u khi n t c ñ . Đ i v i các phương pháp ñi u khi n kinh ñi n, do c u trúc ñơn gi n và b n v ng nên các b ñi u khi n PID (t l , tích phân, ñ o hàm) ñư c dùng ph bi n trong các h ñi u khi n công nghi p. Ch t lư ng c a h th ng ph thu c vào các tham s KP, TI, TD c a b ñi u khi n PID. Nhưng vì các h s c a b ñi u khi n PID ch ñư c tính toán cho m t ch ñ làm vi c c th c a h th ng, do v y trong quá trình v n hành luôn ph i ch nh ñ nh các h s này cho phù h p v i th c t ñ phát huy t t hi u qu c a b ñi u khi n. thì ta ph i bi t chính xác các thông s và ki u c a ñ i tư ng c n ñi u khi n. Hơn n a, b ñi u khi n này ch chính xác trong giai ño n tuy n tính còn trong giai ño n phi tuy n thì các phương pháp ñi u khi n kinh ñi n không th c hi n ñư c. M c tiêu c a ñi u khi n là nâng cao ch t lư ng các h th ng ñi u khi n t ñ ng. Tuy nhiên, trên th c t có r t nhi u ñ i tư ng ñi u khi n khác nhau, v i các yêu c u và ñ c tính ph c t p khác nhau. Do ñó c n ph i ti n hành nghiên c u, tìm ra các phương pháp ñi u khi n c th cho t ng ñ i tư ng. M c ñích cu i cùng là tìm ki m các b ñi u khi n cho các h truy n ñ ng ñi n ngày càng ñ t ñư c ch t lư ng ñi u ch nh cao, m c chi
  4. 4 phí th p, và hi u qu ñ t ñư c là cao nh t, ñáp ng các yêu c u t ñ ng hoá truy n ñ ng ñi n và trong các dây chuy n s n xu t. Nh ng năm g n ñây, khoa h c k thu t phát tri n r t m nh m , nh t là ngành ñi n t h c ñi u khi n, công ngh vi x lý v a t o ñi u ki n thu n l i, v a ñ t ra v n ñ ñòi h i là ph i nghiên c u hoàn thi n các h ñi u khi n, ñáp ng yêu c u ngày càng cao c a th c t cu c s ng và phù h p v i xu th phát tri n khoa h c công ngh . Vi c nghiên c u xây d ng b ñi u khi n t c ñ cho ñ ng cơ ñi n m t chi u d a trên các lý thuy t ñi u khi n hi n ñ i là m t v n ñ r t c n thi t, trong vi c g n li n gi a nhi m v nghiên c u và th c ti n cu c s ng. Đ ph c v cho công tác nghiên c u, m t phương pháp ñư c nhi u nhà khoa h c trong và ngoài nư c s d ng r t nhi u ñó là phương pháp ñi u khi n thích nghi.Trong lu n văn tác gi s d ng phuơng pháp ñi u khi n thích nghi và ph n m m Matlab Simulink, xây d ng mô hình hoá và mô ph ng h th ng ñi u khi n, ñây là công c khá ñ c l c tr giúp trong vi c nghiên, có kh năng ng d ng vào vi c nghiên c u mô ph ng h truy n ñ ng ñ ng cơ m t chi u. Đ ng cơ ñi n m t chi u thư ng dùng trong các h th ng truy n ñ ng ñi n ñòi h i ch t lư ng cao. Chính vì v y mà h th ng ñi u khi n cho các h truy n ñ ng này cũng ph i ñáp ng nhi u ch tiêu r t ch t ch . Và nói chung, ph n l n các h th ng truy n ñ ng trong th c t ñ u có c u trúc và tham s không c ñ nh ho c không th bi t trư c. Đ i v i ñ ng cơ ñi n m t chi u, các thông s thư ng b thay ñ i làm nh hư ng ch t lư ng ñi u ch nh c th là: Khi m ch t c a máy ñi n b bão hòa làm ñi n c m m ch ph n ng Lu c a ñ ng cơ suy gi m. Đi n tr m ch ph n ng Ru c a máy ñi n thay ñ i theo nhi t ñ làm vi c, do ñó
  5. 5 h ng s th i gian m ch ph n ng Tu = Lu/Ru cũng s thay ñ i trong quá trình làm vi c. V i m ch kích t , t thông Φ có th b thay ñ i d n ñ n h ng s th i gian cơ h c Tc cũng thay ñ i. Khi xét ñ n t i c a các h truy n ñ ng thì mô men quán tính c a t i thư ng b thay ñ i, làm cho mômen quán tính c a h qui ñ i v tr c c a ñ ng cơ thay ñ i. N u b ng các phương pháp ñi u khi n kinh ñi n thì chúng ta g p r t nhi u khó khăn trong vi c tính toán, thi t k b ñi u khi n ñ t ñư c ch t lư ng cao. Do v y vi c nghiên c u và ng d ng phương pháp ñi u khi n thích nghi ñ ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ ñi n m t chi u ñang là hư ng nghiên c u ñư c r t nhi u ngư i quan tâm và là hư ng nghiên c u có nhi u tri n v ng, cũng như có nhi u giá tr ng d ng trong th c ti n. V i các lý do trên, tác gi ñã l a ch n vi c nghiên c u mô hình và thi t k b ñi u khi n thích nghi cho ñ ng cơ ñi n m t chi u có mômen quán tính thay ñ i làm ñ tài nghiên c u v i mong mu n ñ t ñư c ñáp ng ngõ ra và các ñ c tính c a h th ng ñi u khi n th a mãn các yêu c u ñã ñ ra. 2. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u Đ i tư ng nghiên c u là ñ ng cơ ñi n m t chi u có mômen quán tính thay ñ i. Ph m vi nghiên c u c a ñ tài là nghiên c u phương pháp ñi u khi n thích nghi ñ ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ ñi n m t chi u. 3. Phương pháp nghiên c u Đ th c hi n nghiên c u ñ tài khoa h c này, thì c n ph i k t h p 2 phương pháp sau:
  6. 6 - Phương pháp nghiên c u lý thuy t: Nghiên c u các v n ñ v ng d ng ñi u khi n thích nghi, các mô hình ñ ng cơ ñi n m t chi u, các hàm t i ưu trong Matlab và các tính toán h tr các hàm t i ưu. - Phương pháp mô ph ng: S d ng công c tính toán tìm t i ưu trong ph n m m Matlab, t o d li u mô ph ng, mô ph ng ki m 4. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n c a ñ tài K t qu nghiên c u c a ñ tài s góp ph n hoàn thi n m t phương pháp ñi u khi n m i kh c ph c ñư c m t s như c ñi m c a các phương pháp ĐK kinh ñi n, t ñó m ra m t ti m năng áp d ng cài ñ t vào các thi t b ñi u khi n trong công nghi p làm nâng cao hơn n a ch t lư ng ñi u khi n cho ñ ng cơ ñi n m t chi u. 5. C u trúc lu n văn Ngoài chương m ñ u, trong lu n văn còn có các ph n và chương k ti p như sau: M ñ u Chương 1. T ng quan v ñ ng cơ ñi n m t chi u Mô t toán h c ñ ng cơ ñi n m t chi u Mô t toán h c m ch ñ ng l c. Chương 2.T ng h p b ñi u khi n ñ ng cơ di n m t chi u. Các phương pháp xác ñ nh b ñi u khi n PID C u trúc ñi u khi n ñ ng cơ ñi n m t chi u Chương 3. Đi u khi n thích nghi. Gi i thi u t ng quan v lý thuy t ñi u khi n thích nghi. Các phương pháp thi t k lu t thích nghi. Chương 4. T ng h p b ñi u khi n PID thích nghi . Thi t k b ñi u khi n thích nghi cho ñ ng c ñi n m t chi u v i tham s mômen quán tính không xác ñ nh.
  7. 7 L a ch n hàm Lyapunov d ki n, xác ñ nh thu t toán ñi u khi n, xây d ng lu t thích nghi ñ ch nh ñ nh tham s b ñi u khi n và phân tích s n ñ nh c a h th ng ñi u khi n. D a vào k t qu thi t k b ñi u khi n chương 4, áp d ng ñ mô ph ng h th ng ñi u khi n thích nghi cho ñ ng cơ ñi n m t chi u trên ph n m m Matlab. So sánh và bàn lu n v các ñ c tính c a 2 b ñi u khi n: PID kinh ñi n và thích nghi. Chương 5. K t qu mô ph ng K t lu n và ki n ngh
  8. 8 CHƯƠNG 1 T NG QUAN Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U 1.1. KHÁI QUÁT V Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U Hi n nay ñ ng cơ ñi n m t chi u v n ñư c dùng r t ph bi n trong các h th ng truy n ñ ng ñi n ch t lư ng cao, d i công su t ñ ng cơ m t chi u t vài W ñ n hàng MW. Đây là lo i ñ ng cơ ña d ng và linh ho t, có th ñáp ng yêu c u mômen, tăng t c, và hãm v i t i tr ng n ng. Đ ng cơ ñi n m t chi u cũng d dàng ñáp ng v i các truy n ñ ng trong kho ng ñi u khi n t c ñ r ng và ñ o chi u nhanh v i nhi u ñ c tuy n quan h mômen – t c ñ . Trong Đ ng cơ ñi n m t chi u, b bi n ñ i ñi n chính là các m ch ch nh lưu ñi u khi n. Ch nh lưu ñư c dùng làm ngu n ñi u ch nh ñi n áp ph n ng ñ ng cơ. Ch nh lưu ñây s d ng ch nh lưu c u 3 pha. 1.1.1. Nguyên lý c u t o ñ ng cơ ñi n m t chi u 1.1.2. Phân lo i ñ ng cơ ñi n m t chi u 1.1.3. Đi u ch nh t c ñ ñ ng cơ ñi n m t chi u 1.2. MÔ T TOÁN H C Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U KÍCH T Đ C L P 1.2.1. Ch ñ xác l p ñ ng cơ ñi n m t chi u Mômen ñi n t kéo cho ph n ng quay quanh tr c, các dây qu n ph n ng quét qua t thông và trong các dây qu n này c m ng s c ñi n ñ ng: p' N E= Φ.ω = kΦω (1.2) 2πa Trong ñó: ω - t c ñ góc c a rôto. Trong ch ñ xác l p, có th tính ñư c t c ñ qua phương trình cân b ng ñi n áp ph n ng:
  9. 9 U − Ru I ω= (1.3) kΦ Trong ñó: Ru - ñi n tr m ch ph n ng c a ñ ng cơ. 1.2.2. Ch ñ quá ñ c a ñ ng cơ ñi n m t chi u 1.2.2.1. Mô t chung 1.2.2.2. Trư ng h p khi t thông kích t không ñ i KΦ = const = Cu U(p) = Ru.I(p).(1+pTu) +Cu.ω(p) (1.13) Cu.I(p) - Mc(p) = Jp.ω(p) (1.14) Cu -E U 1 Ru I Cu 1 ω 1 + pTu - Jp MC Hình 1.4: Sơ ñ c u trúc khi t thông không ñ i 1.3. MÔ T TOÁN H C CH NH LƯU ĐI U KHI N 1.4. MÔ PH NG T ñáp ng t c ñ trên 2 ñ th , ta rút ra r ng cùng v i m t giá tr ñi n áp ñ t, khi ph t i thay ñ i t c ñ ñ ng cơ thay ñ i theo. Mô hình mô ph ng ñ ng cơ ñi n m t chi u
  10. 10 K T LU N CHƯƠNG 1 Trên cơ s kh o sát các ñ c tính vòng h ñ ng cơ ñi n m t chi u kích t ñ c l p, h T-Đ, ta rút ra ñư c k t lu n sau: Ưu ñi m n i b t c a h T-Đ là ñ tác ñ ng nhanh cao, không gây n và d t ñ ng hoá do các van bán d n có h s khu ch ñ i công su t r t cao, ñi u ñó r t thu n ti n cho vi c thi t l p các h th ng t ñ ng ñi u ch nh nhi u vòng ñ nâng cao ch t lư ng các ñ c tính tĩnh và các ñ c tính ñ ng c a h th ng.
  11. 11 CHƯƠNG 2 T NG H P B ĐI U KHI N Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U DÙNG PID 2.1. THAM S C A Đ NG CƠ Công su t ñ nh m c: Pdm = 3750[W]; Đi n áp ph n ng: Uưdm = 240[V]; Đi n áp kích t : Uktdm = 300[V]; T c ñ ñ nh m c ndm = 1750[vòng/phút]; Đi n tr ph n ng: Rư = 2,581[ ]; Đi n c m ph n ng: Lư = 0,028 [H]; Đi n tr kích t : Rkt = 281,3[ ]; Đi n c m kích t : Lkt = 156[H]; Mô mem quán tính: J = 0,0185; 2.2.1. Khái quát v b ñi u khi n PID 2.2.2. Các phương pháp xác ñ nh tham s b ñi u khi n PID 2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols 2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2.2.2.3. Phương pháp t i ưu modul Phương pháp t i ưu modul là phương pháp l a ch n tham s b ñi u khi n PID cho ñ i tư ng có ñáp ng ñ i v i tín hi u vào là hàm n c có d ng hình ch S [4]. Xét m t h th ng ñi u khi n kín như trên hình 2.7. B ñi u khi n R(s) ñi u khi n cho ñ i tư ng S(s).
  12. 12 Hình 2.7: Sơ ñ kh i h th ng ñi u khi n kín 2.2.2.4. Phương pháp t i ưu ñ i x ng 2.2. T NG H P H TH NG ĐI U KHI N Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U 2.2.1. T ng h p m ch vòng ñi u ch nh dòng ñi n 2.2.2. T ng h p m ch vòng ñi u ch nh t c ñ 2.3. MÔ PH NG H TH NG ĐI U CH NH T C Đ Đ NG CƠ Kh o sát mô hình, t ñó v ñ th ñáp ng dòng ph n ng và t c ñ c a ñ ng cơ trong trư ng h p mômen quán tính thay ñ i. Hình 2.13: Mô hình mô ph ng h th ng v i hai vòng ñi u ch nh
  13. 13 Trư ng h p mômen quán tính t i J1 =0.01(kg.m2): K T LU N CHƯƠNG 2 Khi s d ng các b ñi u khi n trong hai m ch vòng c a h th ng trong trư ng h p mômen quán tính ñ ng cơ không thay ñ i t c ñ ñ ng cơ ñ t ñư c ñ n t c ñ ñ t; h n ch ñư c dòng m máy c a ñ ng cơ. H th ng ñi u khi n ñ ng cơ có hai vòng ñi u ch nh có kh năng n ñ nh
  14. 14 ñư c t c ñ khi t i thay ñ i.Do ñó ta th y các b ñi u khi n ñã ch n ñáp ng ñư c yêu c u khi thi t k . Trong trư ng h p khi mômen quán tính ñ ng cơ thay ñ i thì th i gian ñáp ng t c ñ l n 3s.
  15. 15 CHƯƠNG 3 ĐI U KHI N THÍCH NGHI 3.1. GI I THI U CHUNG 3.2. H TH NG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH M U (MRAS) Mô hình MRAS (Hình 3.1) ñ u tiên ñư c ñ ngh b i Whitaker vào năm 1958 v i hai ý tư ng m i ñư c ñưa ra: trư c h t s th c hi n c a h th ng ñư c xác ñ nh b i m t mô hình, th hai sai s c a b ñi u kh n ñư c hi u ch nh b i sai s c a mô hình m u và h th ng. C u trúc h th ng ñi u khi n hình 3.1 g i là h MRAS song song. Mô hình ym + e Cơ c u Σ hi u ch nh _ r y u B ñi u Đ i tư ng khi n Hình 3.1: Sơ ñ kh i thích nghi theo mô hình m u Mô hình m u ñư c ch n ñ t o ra m t ñáp ng mong mu n ñ i v i tín hi u ñ t, ym, mà ngõ ra c a h th ng, y, ph i bám theo. H th ng có m t vòng h i ti p thông thư ng bao g m ñ i tư ng và b ñi u khi n. Sai l ch bám e là hi u c a ngõ ra h th ng và ngõ ra c a mô hình m u, e =ym – y. B ñi u khi n có thông s thay ñ i d a vào sai s này. H th ng có hai vòng h i ti p: vòng h i ti p trong là vòng h i ti p thông thư ng và vòng
  16. 16 h i ti p ngoài hi u ch nh tham s cho vòng h i ti p bên trong. Vòng h i ti p bên trong ñư c gi thi t là nhanh hơn vòng h i ti p bên ngoài. H th ng thích nghi mô hình m u có th ñư c phân thành hai lo i : tr c ti p và gián ti p. Trong b ñi u khi n lo i tr c ti p (DMRAC:Direct Model Adaptive Control), vec tơ tham s θ c a b ñi u khi n C(θ) ñư c c p nh t tr c ti p b i m t lu t thích nghi, ngư c l i, trong b ñi u khi n gián ti p (IRMAC: Indirect Model Adaptive Control) θ ñư c tính toán t i m i th i ñi m t b ng cách gi i phương trình ñ i s nào ñó có m i quan h c a tham s θ v i s ư c lư ng tr c tuy n các tham s c a h th ng. Mô hình ym + e Σ - B ñi u Đ i tư ng r khi n P (θ * ) → P (θ C ) * C(θ ) y Ư c lư ng θc thông s on- r line c a θ C * Hình 3.2: Sơ ñ kh i c a b thích nghi mô hình m u tr c ti p 3.3. LU T THÍCH NGHI 3.3.1. Phương pháp ñ nh y (lu t MIT) 3.3.2. Gradient và phương pháp bình phương bé nh t d a trên tiêu chí ñánh giá hàm chi phí sai s 3.3.3. Hàm Lyapunov
  17. 17 K T LU N CHƯƠNG 3 Chương này ñã nêu lên m t cách t ng quan v các phương pháp th c thi b ñi u khi n thích nghi theo mô hình m u (MRAC) v i các ñ nh nghĩa và các tiêu chí c a chúng. S thu n l i ho c khó khăn c a các lu t thích nghi cũng ñư c trình bày m t cách ng n g n và c th . Thông qua s phân tích này, trong chương k ti p, vi c thi t k b ñi u khi n thích nghi theo mô hình m u s ñư c d a trên lý thuy t n ñ nh c a Lyapunov (tiêu chu n n ñ nh th hai) nh m ñ t ñư c m t h th ng ñi u khi n n ñ nh và có các tiêu chí v các hàm ñ c tính như mong mu n.
  18. 18 CHƯƠNG 4 THI T K B ĐI U KHI N PID THÍCH NGHI CHO Đ NG CƠ ĐI N M T CHI U CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY Đ I 4.1. B CH NH LƯU 4.2. ĐO LƯ NG T C Đ S d ng máy phát t c m t chi u FT. Đ ñ m b o yêu c u là ñi n áp m t chi u có ch a ít thành ph n xoay chi u t n s cao và t l v i t c ñ ñ ng cơ, không b tr nhi u v giá tr và d u so v i bi n ñ i ñ i lư ng ño, ta s d ng máy phát t c m t chi u có t thông không ñ i trong toàn vùng ñi u ch nh t c ñ . Vì v y ph i h n ch t n th t m ch t b ng vi c s d ng v t li u t có t tr h p và s d ng là thép k thu t ñi n m ng (h n ch t n th t dòng ñi n xoáy). Đ lo i b sóng ñi u hoà t n s cao s d ng b l c l p ñ u ra máy phát t c. Hàm truy n ñ t c a máy phát t c: K ft Wft (s) = Tft p +1 (4.2) Trong ñó: Wdm 209,4395 K ft = = 0,0477 :là h s khuy ch ñ i c a máy phát t c. 10 10 Tft = 0,004 là h ng s th i gian c a máy phát t c. 4.3. BI N DÒNG 4.4. T NG H P M CH VÒNG DÒNG ĐI N
  19. 19 mT _ i*A kr uA 1/ RA iA mM 1 ω RI kMΦ 1 + Tr s 1 + TA s Js _ eA _ kMΦ ki 1 + Ti s Hình 4.1:C u trúc m ch vòng ñi u ch nh dòng ñi n ĐMñl 4.5. T NG H P M CH VÒNG T C Đ * * Uu Iu U ñk Uω Rω U iu Ch nh ω RI lưu ĐMñl1 ĐMñl2 − − Uω U iu C m bi n dòng Phát t c Hình 4.2: C u trúc m ch vòng t c ñ có m ch vòng dòng ñi n ĐMñl 4.6. GI I THU T Hàm truy n ñ t c a vòng h : W (s) b G(s) = (4.8) WT ( s ) s (0,0067 s + 1)
  20. 20 4.7. SƠ Đ MÔ PH NG Kh i ñ ng cơ: Kh i lu t ñi u khi n: K T LU N CHƯƠNG 4 N i dung chương này ng d ng b ñi u khi n thích nghi theo mô hình m u v i lu t thích nghi MIT ñã thi t k ñư c b ñi u khi n PID thích nghi cho ñ ng cơ ñi n m t chi u trong trư ng h p mômen quán tính c a ñ ng cơ thay ñ i.
nguon tai.lieu . vn