Luận văn thạc sĩ: Thiết kế bộ điều khiển Pid thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi

Chia sẻ: Sdfas Vfdtg | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

163
lượt xem 37
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết kế bộ điều khiển Pid thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi nhằm hoàn thiện phương pháp điều khiển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ: Thiết kế bộ điều khiển Pid thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi

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.