Xem mẫu
- 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
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
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
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
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
- 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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