Luận văn: NGHI ÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRONG HỆ TUỲ ĐỘNG

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, tự động hóa đang được các nhà máy quan tâm đặc biệt và được ứng dụng trong nhiều máy công cụ, trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đã đem lại những hiệu quả nhất định. Để sản xuất được nhiều sản phẩm, thì việc nâng cao chất lượng và tăng khả năng tự động hóa ngày càng được lưu tâm của các doanh nghiệp, trong đó nếu hệ truyền động điện được nâng cao chất lượng cùng với công nghệ sản xuất mới sẽ tạo được nhiều sản phẩm có chất lượng. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: NGHI ÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRONG HỆ TUỲ ĐỘNG

VIỆT NAM ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** -----------o0o----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRONG HỆ TUỲ ĐỘNG Học viên: Trần Thị Nam Lớp: CHK9 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: TS.Nguyễn Thanh Hà Ngày giao đề tài: 01/05/2008 Ngày hoàn thành: 20/02/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Nguyễn Văn Hùng TS.Nguyễn Thanh Hà Trần Thị Nam
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -1- CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU I.1.Khái niệm Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ. Khi đặt một dây dẫn vào trong từ trường và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.  Ưu điểm của động cơ một chiều: - Động cơ điện một chiều có thể dùng làm động cơ hay máy phát trong các điều kiện làm việc khác nhau. - Động cơ điện một chiều có ưu điểm lớn nhất là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải vì vậy được ứng dụng trong những nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải… - Động cơ điện một chiều có cấu tạo không quá phức tạp và khó khăn cho việc chế tạo và sửa chữa.Động cơ điện một chiều có dải điều chỉnh rộng và cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản. - Hiệu suất làm việc của động cơ điện một chiều tương đối cao. Với động cơ công suất nhỏ khoảng 75% -85%, động cơ công suất trung bình và lớn khoảng 85% - 94%. I. 2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện Năng lượng R B§ M Msx (-) §L Hình 1-1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -2- Trong đó: Msx: máy sản xuất M: động cơ truyền động BĐ: bộ biến đổi R: Các bộ điều chỉnh ĐL: Thiết bị đo lường Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ xoay chiều, động cơ bước. Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi. Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các bộ biến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng : Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi. *Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại: + Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước không đổi.Ví dụ: Duy trì tốc độ không đổi, duy trì mômen không đổi. + Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí, trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại… + Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định trước, thông thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển được ghi lại bằ ng bìa, b ăng, đĩa từ… thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia công cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất. I.3.Một số phương pháp đánh giá độ ổn định và chất lượng của hệ thống I.3.1.Các thông số đánh giá độ ổn định a.Tiêu chuẩn đại số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -3-  Tiêu chuẩn Routh : Giả sử hệ thống có phương trình đặc tính hệ kín như sau: ao.pn +a1.pn-1 +a2.pn-2 +…..+an-1.p +a = 0 Tiêu chuẩn Routh phát biể u: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tự động điện ổn định theo tiêu chuẩn Routh là: - ∀ai phải dương - Các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh cũng phải dương.  Tiêu chuẩn Huwithz: Cũng với giả thiết như trên hệ thống có phương trình đặc tính kín như sau: a0pn + a1pn-1 + a2pn-2 + …+ an-1p + an = 0 Tiêu chuẩn Huwithz phát biểu như sau: Điều kiện cần và đủ để hệ thống điều khiển tự động ổn định là: ∀ai phải dương - Các định thức Huwithz phải dương - b.Tiêu chuẩn ổn định theo đặc tính tần số Một trong các tiêu chuẩn thường dùng là tiêu chuẩn ổn định Nyquit đối với đặc tính tần Logarit. Tiêu chuẩn ổn định Nyquit đối với đặc tính tần Logarit được phát biểu như sau: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tự động điều khiển kín ổn định khi hệ hở ổn định là số chuyển đổi dương bằng số chuyển đổi âm của đường đặc tính Ψ(ω) với đường thẳng (-π) trong khoảng L(ω) dương. Theo hình vẽ (1-2) thì hệ thống đạt tiêu chuẩn ổn định. I.3.2 Các chỉ tiêu chất lượng a. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng thông qua đặc tính quá độ Áp dụng cho phương pháp tổng hợp theo modul tối ưu: ε% ct tqđ n yêu cầu ≤3 ≤ 4,3 < 8,4Tδ Áp dụng cho phương pháp tổng hợp theo modul đối xứng: ε% ct tqđ n yêu cầu ≤3 ≤ 43,4 < 16,5Tδ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -4- b. Các tiêu chuẩn tích phân + Tiêu chuẩn tích phân bình phương (ISE) theo tiêu chuẩn này đánh giá nặng sai lệch lớn và đánh giá nhẹ sai lệch nhỏ và tiêu chuẩn đánh giá bởi tích phân sau: ∞ ∫ e (t )dt 2 0 + Tiêu chu ITAE: Theo tiêu chuẩn này đánh giá nhẹ sai lệch ban đầu, ẩn nhưng đánh giá rất nặng sai lệch trong quá trình quá độ và được đánh giá theo tích phân sau: ∞ ∫ t.e(t )dt 0 + Ngoài ra còn hay dùng tiêu chuẩn kết hợp ITSE như sau: ∞ ∫ t.e (t )dt 2 0 Trong đó: e(t) là hàm sai lệch Các tiêu chuẩn ổn định đại số và các chỉ tiêu chất lượng được đánh giá qua đặc tính quá độ hay dùng nhất vì nó dễ áp dụng và có tính tường minh, trực quan , thuyết phục. I.4. Mô hình toán học của động cơ một chiều Động cơ điện một chiều có nhiều loại, nhưng động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau: U + -+ U kt I I kt MC CF φ kt ω §C M ®t U - Hình 1-2. Hệ thống truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -5- ĐC: Động cơ một chiều Uư: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ Iư: Dòng điện phần ứng Ikt: Dòng điện kích từ φkt: Từ thông kích từ CF: Cuộn dây cực từ phụ CB: Cuộn dây bù MĐT: Mô men điện từ MC : Mô men cản ω : Tốc độ góc của động cơ I.4.1 Mô hình toán học ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập + Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = E + Iư.Rư + Phương trình sức điện động động cơ: E = K.φ.ω + Phương trình mô men điện từ: Mđt = K.φ.ω.Iư + Phương trình đặc tính cơ: U u − I u .Ru ω= K .φ I.4.2 Mô hình toán học ở chế độ quá độ động cơ một chiều kích từ độc lập Hệ phương trình được viết cho động cơ như sau: + Với mạch kích từ: UKT(p) = RKT.IKT (p) + NKT.p. φKT (p) + p.LKT.IKT (p) + Đối với mạch phần ứng: Uư(p) = Rư.Iư (p) + p.Lư.Iư (p)+ p.NKT.φKT (p) + E(p) Trong biểu thức trên dấu (-) khi khử từ, dấu (+) khi tham gia từ hóa. + Phương trình cân bằng mô men: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -6- MĐT = NC +J. dω dt MĐT : Mô men điện từ của động cơ MC : Mô men cản của phụ tải J: Mô men quán tính của hệ đã quy đổi về trục động cơ + Phương trình sức từ động tổng: F = IKT.NKT + Fư(Iư) Fư(Iư) : Sức từ động phản ứng phần ứng + Sức điện động cơ được tính như sau: E = Cφω Mô men điện từ được tính như sau: MĐT = CφI C: Hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của động cơ φ: Từ thông máy điện một chiều ω: Vận tốc góc(rad/s) Từ các phương trình trên có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều kích từ độc lập: - MC 1/Ru (-) Uu(p) Iu 1 MĐT 1 + Tu p Jp n(p) NM NK NKTφ K φ UKT 1 P.N KT PK T (1) NKT Hình 1-3. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều kích từ độc lập Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -7- Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ đồ là rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau: + Mạch phần ứng: U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pL[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)] + Mạch kích từ: Uk0 + ∆Uk(p) = Rk.[Ik0+∆Ik(p)] +pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] Một cách gần đúng ta có phương trình gia số: ∆U(p)- [k. ωB . ∆φ(p) +k.φ0. ∆ω(p)] = Rư. ∆I(p)(1+ Tư .p) ∆U(k) = Rk. ∆Ik(p)(1+ Tkp) k.I. ∆φ(p) + k.φ0. ∆ω(p) - ∆MC = Jp.∆ω(p) Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như sau: K MC M 1/Rư 1 (-) U Kφo π 1 + Tưp - UK Kφo KΙo Kωo 1/RkT KT 1 + Tk p Hình 1-4 Sơ đồ cấu trúc khi tuyến tính hóa Khi động cơ có từ thông không đổi, các phương trình được viết như sau: kφ = const = Cu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -8- U(p) = Rư.I(p)(1+ Tư p) + Cu.ω(p) Cu.I(p) – MC(p) = J.p.ω(p) Từ hệ phương trình trên có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc của hệ thống trong trường hợp từ thông không đổi như sau: Co U(p) 1/Rư 1 ω(p) Co Tp 1 + Tưp -UC Hình 1-5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi Khi động cơ có điện áp không đổi, từ các hệ phương trình tổng quát được thành lập ở trên và khi sử dụng sơ đồ tuyế n tính hóa lân c n điểm làm việc, thay ậ ∆U(p) vào, tính toán tương tự ta có hàm truyền của động cơ như sau: k1 .(1 + T p ) − k 2 (1 + Tk p ).(T1T2 p 2 + T3 p + 1) W(p) = k1, k2 là các hệ số, T1, T2, T3 là các hằng số thời gian. I.5.Mô hình toán học của bộ biến đổi Mô hình tổng quát của bộ biến đổi ba pha mắc theo sơ đồ cầu: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha gồm các thành phần chủ yếu: a c b T T 1,3,5 2,4,6 LC §C Hình 1-6 Mạch động lực bộ biến đổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật -9- Sơ đồ mạch điện gồm 6 tiristor công suất. Các điện áp U 2 xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu.Các tiristor T1,2,3 và T2,4,6 có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để cung cấp nguồn điện một chiều cho tải.Chiều điện áp như hình vẽ. Các tiristor thay nhau dẫn dòng nhưng lệch pha nhau một góc =120 0 . Các biểu thức tính toán được viết như sau: Với id(t ) là liên tục: U 2 (t ) − E id(t ) = R Điện áp trung bình chỉnh lưu: π 6 6 }. ∫ 6.U 2 cos ωtdωt Ud0 = { 2π −π 6 36 U 2 } = 2,34 U2 cosα với tải thuần trở Ud0 = { π Ungmax = 6.U 2 = 2,45U2 Phương trình cân bằng điện áp của bộ biến đổi: γ1.Ud0cosαmin = γ2.Eưdm+ Σ (∆Uv) + Iưmax.Rư Σ + ∆U µ max Với : Ud0 : Điện áp không tải của chỉnh lưu γ1 : hệ số tính đến sự giảm của điện áp lưới γ2 : hệ số tính đến dự trữ của máy biến áp αmin: góc điều khiển cực tiểu Σ (∆Uv): Tổng sụt áp trên các van Rư Σ : Điện trở tổng cộng của phần ứng Rư Σ = Rư + Rba ≈ 2 Rư Iưmax : Dòng điện phần ứng cực đại ∆U µ max: Sụt áp cực đại do hiện tượng trùng dẫn Eưdm: Sức điện động định mức của động cơ Eưdm = Uđm - Iưdm,Rư Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 10 - Ud 0 U2 = 2,34 Tỷ số máy biến áp: kba = U 1 U 2 Tính chọn tiristor theo điều kiện phát nóng: Ungmax = 6.U 2 Itb = I d 3 với hệ số dự trữ chọn là 1,5 I.6.Hàm truyền của bộ biến đổi: Udk(p) 1 U(p) Kcl (Tđkp + 1)(T Vo + 1) Hình 1-7 Sơ đồ tổng quát của bộ biến đổi Tv0: kể tới sự không đồng thời của tín hiệu điều khiển với góc mở của tiristor Tđk: Hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu. kcl :hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu *) Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ dàng và khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Cùng với những ưu điểm khác về cấu tạo, dải điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển thông minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao động. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 11 - CHƯƠNG 2 GiíI THIÖU C¸C Bé §IÒU KHIÓN II.1.Giới thiệu bộ điều khiển kinh điển PID II.1.1.Các luật điều khiển a.Luật điều khiển tỷ lệ (P) Tín hiệu điều khiển trong luật tỉ lệ xác định theo biểu thức: U(t) = kp.e(t) kp : Hệ số tỉ lệ, hay còn gọi là hệ số khuếch đại Luật điều khiển tỉ lệ theo tiêu chuẩn của khâu khuếch đại: Tín hiệu ra luôn trùng pha và tỉ lệ với tín hiệu vào. Đi ều khiển tỉ lệ có ưu điểm là tác động nhanh và làm việc tốt với một số đối tượng công nghiệp. Quy luật này khi làm việc với các đối tượng tĩnh thì hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh phải tăng kp , nhưng khi đó dn tới hệ thốn g sẽ mất ổn định do dao đ ẫ ộng của hệ thống tăng và độ quá điều chỉnh lớn. b.Luật điều khiển tích phân(I) Tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức: e(t )dt + U 0 1 Ti ∫ U(t) = Ti : Hằng số thời gian tích phân U0 : Giá trị đầu ra của bộ biến đổi tại đầu thời điểm làm việc Trong quy lu tích phân giá trị điều khiển U(t) chỉ đạt giá trị xác lập(quá ật trình điều khiển đã kết thúc) khi e(t) = 0, hay ũng có thể nói tín hiệu ra được xác c định bằng tích phân tín hiệu vào. Quy luật này có ưu điểm triệt tiêu được sai lệch tĩnh, nhưng tín hiệu ra luôn chậm pha so với tín hiệu vào do đó hệ thống luôn tác động chậm. Đây là nhược điểm của quy luật này, vì vậy không sử dụng quy luật này một mình mà phải phối hợp với các quy luật khác để việc điều khiển đối tượng đạt kết quả . c.Luật điều khiển vi phân(D) Tín hiệu điều khiển được xác định: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 12 - de(t ) U(t) = Td. dt Td : Hằng số thời gian vi phân Tín hiệu ra được xác định bằng vi phân của tín hiệu ra. Ưu điểm của quy luật là độ tác động nhanh, rút ngắn thời gian quá độ nhưng có nhược điểm là: lượng quá điều chỉnh thường vượt quá trị số cho phép và phản ứng với các nhiễu cao tần. Luật điều khiển vi phân cũng không được sử dụng một mình và phải phối hợp với các quy luật điều khiển khác. e.Luật điều khiển tỉ lệ- tích phân (PI) Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ (P) với luật điều khiển tích phân (I) để hình thành luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI). Tín hiệu điều khiển được xác định: 1 Ti ∫ e(t )dt + U 0 U(t) = kp[ e(t) + Luật này vừa tác động nhanh(nhanh hơn quy luật tích phân nhưng chậm hơn quy luật tỉ lệ) vừa triệt tiêu sai lệch tĩnh. Do có những ưu điểm trên nên luật điều khiển PI được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đáp ứng được yêu cầu chất lượng của hầu hết quá trình công nghệ. Tuy nhiên do ảnh hưởng củ a thành phần tích phân nên tốc độ tác động của quy luật PI bị chậm, do đó nếu đối tượng có nhiễu liên tục mà đòi hỏi độ chính xác điều chỉnh cao thì quy luật PI không đáp ứng được. f.Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD) Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ với luật điều khiển vi phân để hình thành luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD): Tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức: de(t ) U(t)= kp [e(t) + Td. ] dt Nhờ có thêm thành phần vi phân làm cho tốc độ tăng nhanh(nhanh hơn quy luật tỉ lệ). Tuy nhiên chính thành ph vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần ần bậc nhỏ do vậy mà quy luật PD không làm giảm được sai lệch tĩnh. Vì vậy trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 13 - công nghiệp quy luật này chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi độ tác động nhanh như điều khiển tay máy. g.Luật điều khiển tỉ lệ- tích phân – vi phân (PID) Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: de(t ) t ∫ e(t )dt + Td . dt ]+ U0 1 U(t) = kp[e(t)+ Ti 0 Đây là luật điều khiển đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quá trình công ngh Có thể nói quy luật PID tương đối hoàn hảo, tuy nhiên việc ệ. hiệu chỉnh tham số của nó khá phức tạp đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ nhất định. Với bộ điều khiển PID số, tín hiệu điều khiển cũng được xác định theo biểu thức: n ∑ e(k ) + T [e(k − 1)]} T T d U(k) = kp{e(k) + Ti k =1 e(k), u(k) là những đại lượng rời rạc hoặc số T: Thời gian lấy mẫu II.1.2.Các bộ điều khiển a. Bộ điều khiển P (Bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ) Là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID. Thuật toán khuếch đại tỉ lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điều khiển e(t): u(t) = kp.e(t). Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thông qua bộ điều khiển tín hiệu này được khuếch đại lên kp lần. Mục đích của việc khuếch đại tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 14 - fu(t) e(t) u(c) x(t) y(t) Bộ điều Đối tượng khiển p điều khiển (+) (-) G(s) R(s)=kp - UC z(t) Thiết bị đo lường Hình 2-1.Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ rất nhỏ so với tín hiệu đặt x(t). Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộ điều khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu điều khiển có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khi tín hiệu sai lệch e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tác động của điều khiển lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Bộ điều khiển (P) có cấu trúc đơn giản song nó luôn tồn tại sai số ở chế độ xác lập. Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống không chứa khâu t ích phân thì sai số xác lập sẽ làm 1 hằng số. X0 lim e(t ) = e= k t →∞ X0: Biên độ tín hiệu đầu vào k: Hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh Từ công thức rút ra kết luận: Khi hệ điều khiển có hệ số khuếch đại k p nhỏ dẫn tới k nhỏ lúc này sai lệch tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo sai số nhỏ thì kp phải có giá trị lớn. Yêu cầu này mâu thuẫn với điều khiển để đạt được chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ. Vì khi t ng hệ số khuếch đại k ă p Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 15 - đến một giá trị xác định nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và làm cho nó mất ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn. b.Bộ điều khiển tích phân – tỉ lệ (PI) Là dạng điều khiển sử dụng phổ biến trong họ PID. So với bộ điều khiển p, bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (còn gọi là tác động tích phân) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh, tác động tích phân đưa ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát được e(t). fu(t) e(t) u(t) x(t) y(t) Đối tượng Bộ điều điều khiển khiển I (+) (-) 1 G(s) R(s)=kp(1 + ) - UC Ti.S z(t) Thiết bị đo lường Hình 2-2.Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI Hàm truyền của bộ điều khiển PI là: U (s ) kp ki R(s) = = kp + = kp + E (s ) Ti .s s E (s ) U(s) = kp.E(s) + ki. s Trong thực tế việc chọn thông số điều chỉnh kp, Ti để phù hợp với đối tượng, đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hết sức quan π trọng vì tín hiệu ra của bộ biến đổi chậm pha so với tín hiệu vào một góc( - ÷0) 2 chính là phụ thuộc vào tham số này. Về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn so với qui luật tỉ lệ và nhanh hơn quy luật tích phân. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 16 - Về tính chất của luật điều khiển tỉ lệ thì nó có đáp ứng tốt xong tồn tại sai số tĩnh lớn khi tăng hệ số kp lên cao thì sai s giảm nhỏ, dao động trong quá trình quá ố độ lại lớn dẫn đến chất lượng của quá trình quá độ xấu đi và khi kp quá lớn thì hệ thống mất tác động. Khi kp đạt giá trị tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào thời gian tích phân. Khi Ti lớn có nghĩa là tín hiệu U(t) có giá trị nhỏ, ảnh hưởng của khâu tích phân đến đáp ứng quá độ ít vì vậy mà bộ điều khiển PI hoạt động như bộ điều khiển tỉ lệ. Tức là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn còn lớn so với yêu cầu. Khi Ti giảm nhỏ(Ti≤1) thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp ứng quá độ chưa có dao động nhưng sai số xác lập lúc này = 0. Khi giảm nhỏ Ti đến một trị số nào đó thì quá trình quá độ không còn đơn điệu mà nó trở thành quá trình dao động. Như vậy có thể thấy rằng thông số Ti ảnh hưởng lớn đến chất lượng của quá trình quá độ. Việc lựa đặt Ti làm cho chất lượng quá trình quá độ tốt lên hoặc ngược lại và có thể làm cho hệ thống mất ổn định. Thiết bị PI được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên do ảnh hưởng của thành phần tích phân nên tốc độ tác động của bộ điều khiển bị chậm đi. Nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà đòi hỏi độ chính xác cao thì ở bộ điều khiển này không đáp ứng được. c.Bộ điều khiển tỉ lệ- tích phân –vi phân (PID) Các bộ điều khiển tỉ lệ -tích phân (PI) hoặc tỉ lệ - vi phân(PD) đ đáp ứng ã được các yêu cầu về chất lượng trong quá trình điều khiển. Tuy nhiên chúng còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản, ví dụ như ở bộ điều khiển PD rất nhạy với tín hiệu nhiễu vì bản thân PD là bộ lọc thông cao, với độ lọc lớn hơn sẽ làm tăng ảnh hưởng của nhiễu. Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéo dài thời gian tăng tốc và thời gian xác lập. Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượng người ta sử dụng tổ hợp điều khiển tỉ lệ- tích phân – vi phân (PID). Bộ điều khiển PID kết hợp đư ợc những điểm mạnh của các bộ điều khiển P,PI,PD, nhằm cải thiện quá trình quá độ, đồng thời tăng độ chính xác cho hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 17 - Hàm truyền đạt của hệ điều khiển PID có dạng: U (s ) k 1 + Tds } = kp + i +kds R(s) = = kp{ 1+ G (s ) Ti s s Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID: fu(t) e(t) Điều Đối tượng u(t) x(t) y(t) khiển điều khiển (+) PID (-) R(s)=kp{1 + 1 + Td.S} G(s) - UC Ti.S z(t) Thiết bị đo lường Hình 2-3. Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID Trong quá trình ho động của bộ điề u khiển PID, hiệu quả của điều khiển ạt tích phân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tăng theo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiệu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bị điều khiển. Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đôi hoặc lặp lại tác động tỉ lệ một lần nữa xác định bằng tốc độ lặp lại Ti. y(t) 0 Td t Hình 2-4.Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 18 - Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điều khiển có khuynh hướng dự phòng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đó làm giảm khuynh hướng dao động. Tác động điều khiển là tác động tốc độ. Khoảng thời gian Td gọi là tốc độ suất hoặc còn gọi là thời gian sớm lên tính bằng phút.Hệ số khuếch đại kd là khoảng thời gian T d mà trong đó tác động vi phân làm cho tác động hình thành bởi điều khiển tỉ lệ sớm hơn. Trong thực tế bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nối tiếp hai bộ điều khiển PI và PD. Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng: 1 R(s) = kp(1+ ).(1+ Tds) Ti s Cũng có thể sử dụng rộng rãi bộ điều khiển PID thực mà hàm truyền có dạng: Td 1 R(s) = kp(1+ + ) Ti s + 1 Ti s Bộ PID số có hàm truyền gián đoạn: Td Z − 1 T Z +. R(Z) = kp .(1+ ) . Ti Z − 1 T Z Và phương trình sai phân có dạng: n Td ∆e(k − 1)T + ∑ e(kT ) } T U(kT) = kp { e(kT) + T Ti k =0 Để tăng cường khả năng chống nhiễu người ta có thể sử dụng bộ điều khiển PID có bộ lọc, với hàm truyền: Td s 1 + R(s) = kp .(1+ ) Ti s Td s +1 N Với N là giá trị cho trước ( N = 500 ÷ 1000). II.1.3.Chọn bộ điều khiển và đặt thông số cho bộ điều khiển Các bước tính chọn thông số cho bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn: 1).Cho bộ điều khiển hoạt động ở chế độ P. Các tác động vi phân và tích phân đóng kín hoàn toàn, nghĩa là đặt T i = ∝ , Td = 0. Lúc này bộ đ iều khiển là bộ điều khiển tỉ lệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật - 19 - 2). Tăng hệ số khuếch đại kp đến một giá trị nào đó đáp ứng đầu ra xuất hiện có dao động với biên độ không đổi(ở biên giới ổn định). 3).Đo chu kỳ dao động T OSC, lúc này đọc giá trị k p , đây là giá trị khuếch đại tới hạn kpth. 4).Từ đó tùy thuộc vào việc sử dụng bộ điều khiển mà đặt thông số cho nó theo bảng. Chú ý rằng sự hội tụ của tiêu chuẩn này chỉ đảm bảo với độ dự trữ ổn định biên độ là 6dB[ ∆L(ω) = 6dB]. Trong trường hợp hệ số khuếch đại k 0, thời gian trễ L, hằng số thời gian τ của đối tượng đã biết trước thì việc chọn các thông số của bộ điều khiển có thể dựa vào bảng sau để xác định theo phương pháp môdul tối ưu, với x = e1/e2 .100% là độ quá điều chỉnh tính theo %. Bảng2-1 Thông số Bộ điều Kp Ti Td khiển R(s) ≈ kp - 0.5 kpth 0,45 kpth 0,85 TOSC 1 R(s) = kp[1+ ] Ti s 0,6 kpth 0,5 TOSC 0,12 TOSC 1 + Td s ] R(s) = kp[ 1+ Ti s Ngoài ra việc chọn đặt các thông số PID còn có một số phương pháp như của Chien, Hrones, Reswieka, cũng có thể chọn các thông số của bộ điều khiển theo tiêu k 0 e = SL chuẩn modul tối ưu cho các đối tượng có hàm truyền G(s) = τp + 1 τ Td T , l = i , k = k0.kp T= ,D= L L L Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn