Bài tập lớn Thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho động cơ điện 1 chiều

BÀI TẬP LỚNĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG II Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phan Xuân MinhSinh viên thực hiện : Mai Đức Chính Nguyễn Khả Hoan Phạm Trung ThànhLớp : ĐKTĐ1 – K50  THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU Khi tiến hành thiết kế 1 bộ điều khiển nói chung, việc đầu tiên ta phải hiểu biết về đặc tính của đối tượng từ đó xây dựng mô hình toán học cho đối tượng. Công việc này cung cấp cho ta những hiểu biết về đối tượng , giúp ta thành công trong việc tổng hợp bộ điều khiển. 1. Cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều. a. Cấu tạo : Kết cấu của động cơ điện 1 chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh (stator) và phần động (rotor) b. Nguyên lý hoạt động : Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ikt làm xuất hiện từ thông Ф. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có 1 dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. c. Phân loại : Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1 chiều thành các loại như sau : - Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu - Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cấp điện bởi 2 nguồn riêng rẽ. - Động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp : cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với phần ứng. - Động cơ điện 1 chiều kích thích song song : cuộn dây kích thích được mắc song với phần ứng. - Động cơ điện 1 chiều kích thích hỗn hợp : gồm có 2 cuộn dây kích từ , 1 cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng. 2. Mô tả toán học động cơ điện 1 chiều - Tín hiệu vào ud Tín hiệu ra n(t) Ta có phương trình ud = i. rư + Lư. + kl. n(t) (*) Tư = Lư/rư Thời gian quán tính điện hay hằng số thời gian điện từ Thời gian quán tính cơ hay hằng số thời gian điện cơ. kd : hằng số khuếch đại của động cơ. Phương trình (*) là phương trình mô tả toán học của động cơ điện 1 chiều. Đặt a2 = Tư. Tc , a1 = Tc , ao = 1 , bo = kd, ta có : Mô hình trạng thái tuyến tính: Đặt x1 = n(t), x2 = , y(t) = x1 Mô tả động cơ ở miền tần số 3. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều Dựa vào đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều ta có các phương pháp điều khiển tốc độ sau : Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Ф. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Dưới đây chúng em chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Phương pháp này được sử dụng chủ yếu để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. a. Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều không đảo chiều quay dùng Tranzito - Sơ đồ nguyên lý : b. Phương án điều khiển có đảo chiều quay dùng Tranzito - Sơ đồ nguyên lý dùng Tranzitor : - Sơ đồ nguyên lý dùng Tranzitor và khuếch đại thuật toán : Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng Thyristor Dùng để điều khiển động cơ có công suất lớn và điện áp phần ứng cao. - Sơ đồ nguyên lý : II. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG (PID) Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để thiết kế bộ điều khiển cho động cơ 1 chiều như thiết kế bộ điều khiển theo luật kinh điển ( tỷ lệ, tỷ lệ - tích phân, tỷ lệ - vi phân, tỷ lệ - vi tích phân), theo luật điều khiển hiện đại ( gán điểm cực, phản hồi trạng thái-quan sát trạng thái), theo luật điều khiển phi tuyến(SMC, Gain scheduling) . Tuy nhiên trong bài tập lớn này chúng em sử dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển theo luật PID để điều khiển động cơ 1 chiều vì bộ điều khiển PID có đặc tính mềm dẻo phù hợp cho hầu hết các đối tượng công nghiệp. 1. Sơ đồ chức năng: Máy phát tốc FT đo vận tốc x của động cơ đưa tin hiệu ra là điện áp –uFT đến khối cộng. Khối cộng có chức năng so sánh tín hiệu uFT với tín hiệu đặt r(t) và đưa độ sai lệch e(t) tới bộ điều khiển. Bộ điều khiển dựa vào độ sai lệch e(t) để cấp điện áp điều khiển u(t) tới các thiết bị chấp hành để tăng hay giảm điện áp ud đặt phần ứng của động cơ. 2. Sơ đồ khối - Máy phát tốc FT có nhiệm vụ đo tốc độ x của động cơ, nó có cấu tạo và hoạt động giống như 1 máy phát điện mini có kích từ cố định, bộ chuyển đổi này coi như 1 khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại Kf với uFT = Kf.x. - Động cơ điện 1 chiều biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu cơ theo phương trình : - Thiết bị chấp hành chuyển tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào các cơ cấu chấp hành (Tranzitor, Thyisror …) để điều chỉnh điện áp cấp vào phần ứng động cơ . => Thiết bị chấp hành là khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền : Bộ điều khiển thực hiện theo luật PID cần được xác định thông số và cấu trúc. => Sơ đồ cấu trúc : 3. Thiết kế bộ điều khiển PID Mô hình tổng quát : - Dựa vào mô hình đối tượng ta thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu mô đun theo luật PID - ADD -Đặt KĐT = KCH.kd.Kf, T1 = TCH, -1/T2 ,-1/T3 là nghiệm của phương trình => Bài toán thiết kế : Lựa chọn các tham số của bộ điều khiển để điều khiển đối tượng có mô hình hàm truyền GĐT(s) như trên để tạo ra 1 hệ thống ổn định và đạt tiêu chuẩn chất lượng. - Để áp dụng được phương pháp tối ưu môđun ta đưa bài toán về mô hình dạng chuẩn điều khiển: Với là hằng số thời gian tổng. Ta nhận được các tham số tối ưu của luật điều khiển PID – ADD : 4. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển - Để tăng độ tin cậy của bộ điều khiển, trên thực tế người ta thường chia bộ PID ra từng thành phần chức năng : 5. Đánh giá tính ổn định và chất lượng của hệ thống điều khiển - Chọn động cơ 1 chiều có Tư = 1 , Tc = 4 , kd = 15. - Máy phát tốc có Kf =0.012. - Thiết bị chấp hành có TCH = 2, KCH = 20 a.Đặc tính động học của hệ thống : /* Hàm quá độ xung : /* Đặc tính tần số nyquist /* Đặc tính tần số lôga c.Khảo sát chất lượng của hệ thống sử dụng Matlab-Simulink- Với tín hiệu vào là xung bậc thang : - Với tín hiệu vào là xung nhọn : - Tín hiệu vào là sóng hình sin : - Nhận xét : Mặc dù các tín hiệu vào khác nhau nhưng chất lượng của hệ luôn luôn được đảm bảo. Như vậy cấu trúc của hệ điều khiển là hoàn toàn đảm bảo yêu cầu về tính ổn định chất lượng 6. Hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển. - Các thông số của bộ điều khiển PID được chọn theo phương pháp tối ưu môđun như trên đảm bảo hệ thống đã cho làm việc ổn định. Từ đồ thị đặc tính quá độ của hệ thống ta thấy thời gian quá độ là quá dài (35 sec) do đó cần giảm thời gian quá độ của hệ thống để hệ thống có thể tác động nhanh hơn. - Ta sẽ hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đặc tính sau của các khâu điều khiển : - Khâu tỷ lệ có tính tác động nhanh, khi đầu vào có sai lệch thì tác động ngay tín hiệu đầu ra. Tuy nhiên khâu này luôn tồn tại sai lệch dư. - Khâu tích phân loại bỏ sai lệch dư của hệ thống nhưng là khâu tác động chậm. - Khâu vi phân là khâu tác động nhanh - Đầu tiên ta giảm thời gian quá độ bằng cách tăng hệ số KP : chọn KP1 = 0.93, KP2 = 5, KP3 = 10 ứng với các mô hình hàm truyền hệ kín gk1, gk2, gk3 ta đuợc đồ thị đặc tính quá độ xung : - Ta thấy khi KP tăng thì Tqđ giảm nhưng độ quá điều chỉnh tăng (sai lệch tĩnh tăng). Để cải thiện đặc tính này, ta tăng các tham số TI , TD ứng với giá trị của KP lớn nhất (KP3) - Chọn TI1 =4,TI2 = 6, TI3 =10 tương ứng với gk1, gk2, gk3 : - Ta thấy khi TI tăng thì độ quá điều chỉnh giảm. Tuy nhiên đồ thị đặc tính vẫn còn tồn tại dao động. Để triệt tiêu các dao động này ta điều chỉnh hệ số TD ứng với hệ số KP và TI lớn nhất : - Chọn TD1 =1 , TD2 =1.5 , TD3 =2 tương ứng với gk1, gk2, gk3 : Xin chân thành cảm ơn