Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí để từ đó xây dựng một sơ đồ điều khiển vị trí cho máy sản xuất thích hợp. Để khảo sát và đánh giá sơ bộ chất lượng thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển vị trí là tuyến tính. Từ đó nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp, như là điều khiển mờ, mờ thích nghi, mờ trượt để chọn một phương pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động này với kết quả tính toán mô phỏng bằng lý thuyết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ TRANG NHUNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2017 1
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Trang Nhung Sinh ngày: 23 tháng 02 năm 1990 Học viên lớp CHK17 – KTĐK&TĐH, Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Trang Nhung 2
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Võ Quang Lạp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi có một môi trường học tập và nghiên cứu tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ hội đồng bảo vệ, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Thị Trang Nhung 3
MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 MỞ ĐẦU 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG 11 ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT 1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí 11 1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí 14 1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính 14 1.2.1.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí 14 1.2.1.2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính 15 1.2.1.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17 1.2.1.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế 19 1.2.2. Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám 20 1.2.2.1. Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t) 21 1.2.2.2. Phương pháp bù nhiễu 22 1.3. Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh hướng van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện 24 1.3.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện 24 1.3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 25 1.3.1.2. Phân tích và chọn hệ truyền động 26 4
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ MỞ CÁNH HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 31 2.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí 31 2.2. Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC 31 2.2.1. Động cơ điện ĐB – KTVC 31 2.2.1.1. Nguyên lý làm việc 31 2.2.1.2. Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian 32 2.2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC 39 2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ 42 ĐB_KTVC 2.3. Tổng hợp hệ thống 43 2.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 45 2.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ 47 2.3.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện 48 ĐB_KTVC 2.3.4. Mô phỏng hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC 50 2.3.4.1. Sơ đồ mô phỏng 50 2.2.4.2. Kết quả mô phỏng 50 2.3.4.3. Nhận xét 51 2.4. Mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng van và sự ổn định của nó 52 2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch vòng vị trí 52 2.4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí 52 2.4.3. Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động van cánh hướng khi dùng bộ điều khiển PID 54 2.4.3.1. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ ĐB_KTVC 54 2.4.3.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính 54 2.3.2.2. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng 58 5
CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY 59 NHIỆT ĐIỆN 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt 59 3.1.1. Nguyên lý điều khiển trượt 59 3.1.2. Phương pháp điều khiển trượt 61 3.1.3. Thiết kế luật điều khiển trượt 65 3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững 65 3.1.5. Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững 70 3.1.6. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt 71 3.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí 72 3.2.1. Các bước xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí 72 3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 74 3.2.3. Nhận xét và kết luận 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 80 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BĐK: Bộ điều khiển ĐB_KTVC: Động cơ điện đồng bộ - kích từ vĩnh cửu. P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ. I: Bộ điều chỉnh tích phân. D: Bộ điều chỉnh vi phân. PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân. CPU: Bộ xử lý trung tâm. βI : Phản hồi âm dòng điện. γn : Phản hồi tốc độ. Ucđ : Điện áp chủ đạo. Uđk : Điện áp điều khiển. Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ. T : Thời gian chu kỳ điện áp ra. Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi động cơ ĐB_KTVC. Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung. Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ. TBI : Hằng số thời gian máy biến dòng. K BI : Hệ số phản hồi dòng điện. T : Hằng số thời gian của khâu cảm biến vị trí. KT : Hệ số phản hồi vị trí. 1  PTT Tu : Hằng số thời gian điện từ của động cơ. Ti : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện. 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ...) Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) 12 Hình 1.2. Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) 13 Hình 1.3. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí 15 Hình 1.4. Quan hệ giữa  và ω 16 Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17 Hình 1.6. Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 18 Hình 1.7. Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 19 Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t) 21 Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù nhiễu 22 Hình 1.10. Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn 23 Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 24 Hình 1.12. Các vị trí của cánh hướng 26 Hình 1.13. Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng 28 Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 31 Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha 32 Hình 2.4. Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha 34 Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định 35 Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ 36 Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq 37 Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC 39 Hình 2.9. Đồ thị véc tơ động cơ đồng bộ 40 Hình 2.10. Đồ thị vectơ của SPM với điều khiển giảm từ thông dòng stato không đổi 40 Hình 2.11. Đặc tính momen khi giảm từ thông dòng điện stato không đổi 42 8
Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động động cơ ĐB_KTVC 43 Hình 2.13.Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ ĐB_KTVC 45 Hình 2.14.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện 46 Hình 2.15.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 47 Hình 2.16. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48 Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động biến tần động cơ điện ĐB_KTVC 49 Hình 2.18: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 50 Hình 2.19: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện 51 Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí truyến tính 52 Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng vị trí 53 Hình 2.22: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 55 Hình 2.24: Mô phỏng PID với Ud= 15V 57 Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng phương pháp mặt phẳng pha 62 Hình 3.2: Giải thích hiện tượng trượt (sliding) 64 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của e và e' 65 Hình 3.4. Minh họa định lý 1 67 Hình 3.5: Hàm thuộc với 5 tập 73 Hình 3.6: Luật hợp thành 74 Hình 3.7: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 74 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 75 Hình 3.9: Mô phỏng mờ trượt với Ud=10V 76 Hình 3.10: Mô phỏng mờ trượt với Ud=15V 77 9
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Điều khiển chuyển động vị trí có một ý nghĩa rất quan trọng đối với máy sản xuất. Chất lượng náy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển chuyển dộng của các máy sản xuất này. Trong thực tế thường gặp rất nhiều sự điều khiển chuyển động vị trí máy sản xuất, ví dụ như: điều khiển chuyển động máy rô bốt, điều khiển chuyển động bàn máy CNC, điều khiển chuyển động các van công nghiệp... Để nâng cao chất lượng máy sản xuất thì người ta thường nghiên cứu các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ chuyển động này. Đặc biệt, các chuyển động vị trí của các máy sản xuất thường là các khâu phi tuyến. Cho nên việc tìm ra các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển dộng vị trí có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học và thực tiễn. Với cách đặt vấn đề trên, đề tài luận văn được chọn: ”Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện”.Việc nghiên cứu và giải quyết thành công vấn đề mà đề tài nêu ra là một yêu cầu rất cần thiết, vừa phục vụ học tập giảng dạy, vừa phục vụ thực tiễn sản xuất. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hoản chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí để từ đó xây dựng một sơ đồ điều khiển vị trí cho máy sản xuất thích hợp. Để khảo sát và đánh giá sơ bộ chất lượng thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển vị trí là tuyến tính. Từ đó nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp, như là điều khiển mờ, mờ thích nghi, mờ trượt để chọn một phương pháp ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động này với kết quả tính toán mô phỏng bằng lý thuyết. 3. Dự kiến các kết quả đạt được - Nghiên cứu hoàn chỉnh về lý thuyết điều khiển vị trí phục vụ cho hệ điều khiển chuyển động. Đồng thời nghiên cứu các bộ điều khiển thông minh (phi tuyến) để nâng cao chất lượng hệ. - Chọn phương pháp tính toán và tổng hợp hệ đúng đắn nhằm đảm bảo tính chính xác các thông số của các khâu, các khối và các bộ điều chỉnh. Trên cơ 10
sở đó tiến hành mô phỏng thành công để đánh giá chất lượng hệ bằng phần mềm Matlab Simulink. - Đề xuất ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện. 4. Nội dung luận văn Chương 1: Tổng quan về điều khiển vị trí ứng dụng điều khiển máy sản xuất Chương 2: Tính toán khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí ứng dụng cho hệ điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng cho hệ điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện 11
NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT 1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí Chất lượng sản phẩm được gia công trên máy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào chuyển động của các máy sản xuất. Các chuyển động này có độ chuyển động chính xác cao thì sản xuất ra chất lượng sản phẩm càng tốt. Các chuyển động của máy có độ chính xác cao được đánh giá theo các tiêu chí sau: sai lệch tĩnh nhỏ từ 3% - 5%, thời gian quá độ nhỏ (như thời gian khởi động, hãm dừng máy,...), độ quá điều chỉnh nhỏ. Các chỉ tiêu này được đánh giá theo các tiêu chuẩn - Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)  Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân sau đây  e 2 (t )dt (1-1) 0 Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực tiểu. 12
R(t) C(t) t e(t) t e 2 (t ) T t t T e 2 (t ) dt 0 Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ bậc hai. Một hệ thống được thiết kế tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định. Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực tiểu hoá tiêu thụ năng lượng.  Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây   t. e(t ) dt 0 (1-2) Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng 13
giải tích tích phân (1-2) là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm một các dễ dàng. C(t) R(t) 1,0 0,8 n=2 0,6 n=4 n=6 0,2 5 10 nt Hình 1.2.Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE)  Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE) Trong tính toán thiết kế người ta còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)   te 2 (t )dt (1-3) 0 Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE. Những máy công cụ trước đây để đảm bảo độ chính xác các chuyển động máy sản xuất thì người ta chỉ giải quyết được độ chính xác của hệ truyền động điện. Nhưng độ chính xác của máy sản xuất thì ngoài đảm bảo độ ổn định cao của hệ truyền động điện thì các chuyển động trên máy sản xuất phụ thuộc sự biến đổi của thông số máy sản xuất, ví dụ sự thay đổi thông số của hộp số biến đổi tốc độ, thay đổi thông số trong quá trình gia công như tải trọng thay đổi, mô men cắt gọt thay đổi...Như vậy với việc ổn định hệ truyền động điện thì chưa đảm bảo được độ chính xác của các chuyển động trên may sản xuất. Vậy muốn đảm bảo độ chính xác của các chuyển động của máy sản xuất thì cần thiết kế, 14
tính toán và khảo sát tốt mạch vòng phản hồi vị trí. Với những nhận xét về các đối tượng chuyển động ở trên ta thấy rằng nếu các đối tượng này trong quá trình làm việc không thay đổi thông số, không chịu tác động của nhiễu hay nói cách khác đối tượng này trong quá trình làm việc là tuyến tính thì mạch vòng vị trí được thiết kế với bộ điều khiển vị trí là tuyến tính, cụ thể thường dùng bộ điều khiển tuyến tính là PID. Nhưng đối tượng máy sản xuất trong quá trình làm việc có thông số thay đổi, chịu tác động của nhiễu thì mạch vòng điều khiển vị trí với bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển phi tuyến. Trong trường hợp đối tượng điều khiển phi tuyến ít, ví dụ chỉ thông số hộp giảm tốc thay đổi... thì việc thiết kế mạch vòng điều khiển vị trí bước đầu tiên là chọn sơ bộ bằng bộ điều khiển PID tuyến tính. Sau khi đánh giá chất lượng các chuyên động ta có thể bù các sai số này bằng những bộ điều khiển phi tuyến. Việc thiết kế cho phương pháp này dễ dàng và thực tế người ta hay dùng nhằm nâng cao chất lượng của hệ. Từ những lý luận trên ta thấy điều khiển vị trí có trong chuyển động của máy sản xuất. 1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí 1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính 1.2.1.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy,... Tuỳ thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm kW. Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặt  w ) có ý nghĩa quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ. Thông thường lượng điều khiển  w là một hàn của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hoặc tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hoà. Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ tuỳ động). 15
Sơ đồ hệ điều khiển vị trí được xây dựng như sau: w   1 2 3 (-) Hình 1.3. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí Trong đó: Khối 1: Bộ điều khiển vị trí Khối 2: Hệ truyền động điện ổn định tốc độ Khối 3: Đối tượng điều khiển chuyển động của máy sản xuất Đối với khối 1 nếu đối tượng là tuyến tính thì bộ điều khiển là tuyến tính. Trong luận văn này đối tượng điều khiển là van thì xem đối tượng sản xuất thông thường là khâu quán tính bậc 1, để đơn giản chúng ta xem là khâu tỷ lệ, chủ yếu là phụ thuộc vào hộp giảm tốc. Cụ thể lượng ra của động cơ là tốc độ điện (  ) và lượng ra của chuyển động là tốc độ dài (  ). Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính xác tĩnh nẵm trong giới hạn cho phép. 1.2.1.2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính Trong phần I.2.1.1, ta nói hệ điều khiển là tuyến tính nhưng quan hệ giữa tốc độ góc của khối 2 và lượng ra là tốc độ dài khối 3 sẽ là quan hệ phi tuyến. Quan hệ này được xem xét sau đây: Ta xét quá trình hãm: Khi bắt đầu hãm, tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau, nghĩa là: (1  2 ).R  h (2-1) h - quãng đường hãm: h = 1  2 .  h - vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm. Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức: 16
1 m2 ax.r  h m ax  2  h m ax (2-2) Trong đó  h m axlà gia tốc hãm cực đại cho trước. Từ (2-1) và (2-2) ta có: 1 m2 ax.r  h m ax.R  h  h   (2-3) 2  h m ax 2. h max Khi chọn R      (2-4) max 2 .r Quãng đường đi dược trong lúc hãm là: h2 .r   2.h max  (2-5)  Khi tổng hợp mạch vòng vị trí R , ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại    const nhưng quan hệ tĩnh   f () trong quá trình hãm (công thức 2-4) được thể hiện trên hình 2.1.  3  2  1 1 2 3  2' 0 3 2 1  Hình 1.4. Quan hệ giữa  và ω Như vậy khi  càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R càng lớn để đạt được tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu. 17
Ta thấy hệ   f ( ) là phi tuyến và việc chọn R chỉ chứa hệ số khuếch đại    const là không hợp lý. Để bù sai lệch cho hệ phi tuyến này ta có thể dùng bộ điều khiển phi tuyến như mờ, mờ thích nghi, mờ trượt,... hoặc kết hợp bộ điều khiển tuyến tính để nâng cao chất lượng của hệ. 1.2.1.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian với thiết bị tương tự (analog) Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng thái đầu sang trạng thái ổn định khác. Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả bởi hệ phương trình vi phân cấp cao. Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp mô đun tối ưu hoặc mô đun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là hai khâu tích phân. Như vậy quỹ đạo pha của nó là parabol và cấu trúc của hệ như sau: Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian Phương trình đối với tốc độ và vị trí là:   C maxt (2-6) 1   C m axt 2   o 2 o là vị trí ban đầu. Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2-6) Md w  2  Sign( ) (2-7) J 18
Ở đây  d  C dientu là mô men hãm. Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí ở đây là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế lượng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch. Tùy theo sai lệch vị trí mà bộ điều chỉnh sẽ đưa lệnh hãm. Mô men điện từ của động cơ được tính bằng:  dt   maxSign(w   ) (2-8) Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh hai vị trí. Nếu không có tác động nhiễu loạn và C=1 thì: d  d   dt   m ax  J (2-9) dt Lúc đó:  m ax n  2  Sign( ) (2-10) J Quá trình hãm xảy ra trong thời gian ngắn nhất với điều kiện o  0 và  o  0 . Khi đặt một lượng  w hệ sẽ có gia tốc với  max , tốc độ tăng tuyến tính theo thời gian và theo bậc hai của sai lệch vị trí  cho đến khi sai lệch tốc độ về không   0 . Nếu như lúc đó   m ax , hệ bắt đầu hãm tại điểm A. Nếu hạn chế sai lệch vị trí thì sai lệch tốc độ vẫn giữ bằng không   0 (đoạn BC) cho đến khi đạt được tới tốc độ hạn chế hệ chuyển sang quĩ đạo pha hãm tại điểm C.  m ax C B A 0   m ax Hình 1.6. Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 19
φεω D ε ω φ t 0 Tại điểm D hệ bắt đầu hãm a) Ứng với   m ax φεω E ω F φ ε t 0 Ứng với đoạn BC (hình 1.6): Đoạn EF là không đổi, quá trình hãm xảy ra tại điểm F b) Ứng với   m ax và bị hạn chế Hình 1.7. Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 1.2.1.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế Khi nghiên cứu hệ điều chỉnh vị trí chúng ta đều dùng giả thiết không tính đến ảnh hưởng nhiễu loạn  c và ta có  d   đt , thực tế điều đó không thực hiện được, chính nhiễu loạn này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động của hệ. a) Nếu như ta đặt  d   đt thì mômen hãm sẽ lớn hơn thực tế cần có. 20