zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Thiết kế bộ điều khiển PID số điều chỉnh tốc độ trong hệ truyền động điện một chiều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

30
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn về điều chỉnh tốc độ trong hệ truyền động điện một chiều trong các máy sản xuất đặt ra, bài viết này đã thiết kế và khảo sát các hiện tượng xảy ra trong các bộ điều chỉnh tự động tốc độ dùng linh kiện kỹ thuật số theo sơ đồ hệ PID cho động cơ điện một chiều.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế bộ điều khiển PID số điều chỉnh tốc độ trong hệ truyền động điện một chiều

TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG Thiết kế bộ điều khiển PIB số điều chỉnh tốc độ trong hệ truyền động điện một chiều ThS. Đoàn Văn Hải 1, TS. Vũ Văn Cát 2, ThS. Vũ Văn Hoàng 3 1, 2, 3 Khoa Công nghệ và Kỹ thuật, Trường Đại học Hải Dương, uhdhaidoan.edu@gmail.com Tóm tắt Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là ngành kĩ thuật số, truyền động điện một chiều ngày càng trở nên tiện lợi và được ứng dụng rộng rãi hơn như: kết cấu gọn nhẹ, độ bền và độ tin cậy cao, tương đối sạch nên không gây ra các vấn đề về môi trường... Bên cạnh đó truyền động điện còn có ưu thế rất nổi bật, đặc biệt đối với truyền động điện một chiều, là khả năng điều khiển dễ dàng, chính xác. Chính vì thế, việc đi sâu nghiên cứu phân tích các hiện tượng, các quá trình xảy ra trong thiết bị điện, nhằm thiết kế những bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ với hiệu suất và khả năng thích ứng cao đã trở nên hấp dẫn. Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn về điều chỉnh tốc độ trong hệ truyền động điện một chiều trong các máy sản xuất đặt ra, bài báo này đã thiết kế và khảo sát các hiện tượng xảy ra trong các bộ điều chỉnh tự động tốc độ dùng linh kiện kỹ thuật số theo sơ đồ hệ PID cho động cơ điện một chiều. Từ khóa: Matlab - Simulink; Truyền động điện một chiều; PID số; Điều chỉnh tốc độ động cơ. 1. Đặt vấn đề của mô hình. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là + Phương pháp thử nghiệm: Điều chỉnh thủ công các thuật toán điều khiển tự động được sử dụng rộng rãi trong các thông số để đạt được hiệu suất tốt nhất. hệ thống công nghiệp. Nó được ứng dụng để điều chỉnh tốc + Mô phỏng: Sử dụng các phần mềm mô phỏng như độ của động cơ một chiều, giúp cho hệ thống hoạt động ổn MATLAB, Simulink để kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển định và chính xác hơn. Trong những năm gần đây, các nghiên trong các điều kiện khác nhau. cứu về bộ điều khiển PID số đã được tiến hành mạnh mẽ trên 2.2. Phương pháp điều khiển PID số thế giới, với mục tiêu cải thiện hiệu suất điều khiển, giảm - Quá trình phân tích tín hiệu rời rạc thiểu sai số và đáp ứng các yêu cầu của các hệ thống điều Trước tiên, tín hiệu là loại một chuỗi xung, không phải là khiển phức tạp. một hàm liên tục theo thời gian. Vì vậy, để thu nhận thông số Hệ truyền động điện một chiều là một hệ thống cơ điện của tín hiệu bằng phương pháp lượng tử hoá. Phương pháp tử bao gồm động cơ một chiều, bộ biến tần và các thiết bị điều lượng tử hoá theo thời gian là phương pháp dùng cho tín hiệu khiển khác. Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều có biên độ liên tục, thời gian rời rạc. Hệ thống xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu về loại này được gọi là hệ thống rời rạc, ví dụ như mạch tạo hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. xung, điều chế xung... Nếu phép lượng tử hoá được tiến hành 2. Nội dung nghiên cứu theo cả biên độ và thời gian thì kết quả nhận được là tín hiệu 2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu số. Trong hệ thống số, thông số điều khiển-biên độ của các - Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển PID số. Đây là xung chỉ xuất hiện tại các điểm rời rạc cách đều nhau đúng một thuật toán điều khiển tự động được sử dụng rộng rãi trong bằng chu kỳ lấy mẩu của tín hiệu. Việc ổn định hệ thống càng các hệ thống công nghiệp để điều chỉnh một đại lượng đầu ra trở nên phức tạp hơn so với hệ thống liên tục. Do đó, đòi hỏi theo một giá trị mong muốn. kỹ thuật phân tích và thiết kế đặt biệt. - Phương pháp nghiên cứu: Hệ thống điều khiển số được dùng ứng dụng nhiều và đa + Phương pháp nhận dạng hệ thống: Sử dụng các tín dạng do đưa máy tính số vào trong hệ thống điều khiển, sự cải hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống để ước tính các tham số tiến về giá cả và độ tin cậy vào máy tính số [4]. Hình 1: Hệ thống điều khiển số 32 Số 3/2024
TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG Hệ thống điều khiển số, trong đó máy tính số được nối đến Bộ biến đổi BĐ, là các bộ biến đổi dùng bán dẫn công suất các khâu điều khiển và các hệ thống được điều khiển bởi các gồm chỉnh lưu, các bộ biến tần, các bộ biến đổi xoay chiều bộ biến đổi A/D, D/A. Hệ thống này được minh hoạ ở hình thyristor, bộ băm xung điện áp, v.v... trên. Như vậy, hệ thống bao gồm 2 tín hiệu : tín hiệu rời rạc Các bộ biến đổi có hai chức năng: thứ nhất biến đổi năng [r(nT), e(nT), b(nT)] và tín hiệu tương tự [u(t), m(t), c(t)] và lượng điện từ dạng này sang dạng khác thích ứng với động cơ được định nghĩa là hệ thống dữ liệu được lấy mẫu (Sampled- truyền động; thứ hai mang thông tin điều khiển để điều khiển Data System). các tham số đầu ra bộ biến đổi (như công suất, điện áp, đòng Có thể mô tả hoạt động lấy mẩu tốt nhất bằng cách xét một điện, tần số,...). hàm liên tục e(t) như ở hình (8.2a). Giả sử hàm này có thể lấy Tín hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh R. Các bộ mẩu tại các thời điểm cách đều nhau một khoảng thời gian là điều chinh R nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái T, như vậy có thể mô tả hàm đã được lấy mẩu bởi một chuỗi làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt các số sau: e(0), e(T), e(2T)...e(nT) (THĐ) và tín hiệu đo các đại lượng của truyền động. Chuỗi này cho phép mô tả có giới hạn hàm e(t) nhất là giá Tín hiệu sai lệch qua bộ điều chỉnh được khuếch đại và tạo trị của e(t) tại các thời điểm 0, T, 2T,..., nT. Giá trị của e(t) tại hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lượng động các thời điểm khác chỉ có thể được lấy gần đúng bằng phương và tĩnh của hệ thống truyền động. pháp nội suy. Các đại lượng điều chỉnh của truyền động là mô men Trên thực tế, vì khâu điều khiển và hệ thống điều khiển là quay, tốc độ, vị trí. Để đảm bảo chất lượng cho hệ thống tương tự, nên dữ liệu rời rạc sau khi lấy mẩu phải được xây truyền động thường sử dụng nhiều mạch vòng điều chỉnh dựng lại thành dạng liên tục trong suốt thời gian giữa những như: điện áp, dòng điện, tốc độ, từ thông, tần số, công suất, lần lấy mẫu. mô men... 2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID số điều chỉnh tốc độ - Những vần đề khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động cơ điện một chiều trong hệ truyền động điện động điện: Khi thiết kế hệ thống cần phải đảm bảo hệ thực - Cấu trúc hệ truyền động điện: Mục tiêu cơ bản của hệ hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất điều chỉnh tự động truyền đồng điện là phải đảm bảo giá trị lượng và các yêu cầu về kinh tế. yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lượng nhiễu. Hệ thống điều chỉnh tự Chất lượng của hệ thể hiện trong trạng thái động và tĩnh. động truyền động điện có cấu trúc chung được trình bày trên Ở trạng thái tĩnh quan trọng nhất là độ chính xác điều chỉnh. Ở hình 2.1 gồm: động cơ truyền động M quay máy sản xuất Mx trạng thái động yêu cầu về ổn định và các chỉ tiêu về chất và thiết bị biến đổi năng lượng BĐ (được gọi là phần lực); các lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian thiết bị đo lường ĐL và các bộ điều chỉnh R (được gọi là phần điều chỉnh và số lần dao động (hình 3) [5]. điều khiển). Tín hiệu điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt THĐ, ngoài ra còn các tín hiệu nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống [7]. Hình 3. Các thông số của đặc tính đáp ứng theo thời gian tr - thời gian điều chỉnh; t1 - thời gian hệ thống đạt giá trị Hình 2: Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh quá điều chỉnh lần đầu; tm - thời gian đạt được cực đại đầu tự động truyền động điện tiên, thời gian chết t0 và độ quá điều chỉnh px. Động cơ truyền động: một chiều, xoay chiều không đồng - Các hệ số sai lệch: Xét một hệ thống tự động điều bộ, xoay chiều đồng bộ và các loại động cơ bước. chỉnh có cấu trúc tối giản [7] Số 3/2024 33
TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG Cũng có thể tính được các hệ số sai lệch với tín hiệu điều khiển nhờ hàm truyền của hệ thống đối với tín hiệu điều khiển: F(p) = Hình 4: a) Sơ đồ khối, b) Các đặc tính quá độ F (p) = = 1-F(p) F0(p) - hàm truyền mạch hở; TM - thiết bị công nghệ; Có thể viết hàm truyền ở dạng tỉ số các đa thức: R, r(t) - tín hiệu điều khiển; + + + + C, c(t) - tín hiệu ra; F(p)= + + + + e= R - C - sai lệch điều chỉnh; Ni - các nhiễu loạn. Sử dụng công thức (l-4) ta suy ra cách tính các hệ số sai å C(p) = F(p).R(p) + )()(pNpFii lệch như sau: F(p)=)(1)(00pFpF+ C0=1-b0 C1=a1-C0a1-b1, F(p) - hàm truyền đối với các nhiễu loạn. C2=a2-C1a1-C0a2-b2, Các thành phần quá độ của C(t) phụ thuộc vào đặc tính ................................ i-1 của mạch vòng điều chỉnh, vào tín hiệu điều khiển. Là nghiệm của các phương trình vi phân không thuần nhất. Ci=ai-C0ai-bi- åC a y=1 y i-y Thành phần nghiệm riêng của C(t) theo R(t) sẽ chép lại R(t) Nếu hệ thống có b0= 1, b1=a1.... bi = ai .... bm = am thì tất với độ chính xác nào đó. Thành phần của C(t) theo nhiễu loạn cả các hệ số sai lệch sẽ bằng không. Ni(t) phải càng nhỏ càng tốt. - Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển vị trí motor DC Sai lệch điều chỉnh e(t) = R(t) - C(t) có thể viết dạng chuỗi cho bởi phương trình vi phân sau [1] [2]: hàm: dR(t) d2R(t) e(t)=C0R(t)+C1 + C2 + Ci dt dt2 d iR(t) d iNn(t) i +..............+CiNn +K(t) dt dt i Như vậy nếu biết trước R(t) và các nhiễu Ni(t) và bỏ qua thặng dư K(t) thì ta có thể xác định được sai lệch e(t) nếu tính toán được các hằng số Ci . Các hằng số Ci - là các hệ số sai lệch: Trong đó: C0 - hệ số sai lệch vị trí; J = 0.01 Kgm2/s2 là moment quán tín của rotor Cl - hệ số sai lệch tốc độ; b = 0.1 Mms là hệ số ma sát các bộ phận cơ khí C2 - hệ số sai lệch gia tốc. K = Ke = Kt = 0.01 Nm/A là hằng số sức điện động Một hệ thống chính xác tuyệt đối là hệ có mọi hệ số sai R = 10 ohm là điện trở dây quấn lệch đều bằng không. L = 0.5 H là hệ số tự cảm Hàm truyền của hệ thống trên hình l-3a đối với sai lệch V là điện áp đặt lên cuộn dây của motor là [3]: θ là vị trí trục quay (ngõ ra của mô hình) F0 (p) F (p) M (p) i là dòng điện chạy trong cuộn dây của motor. Fe(p) = = 0 = R(p) 1 + R(p) N (p) Nếu đem chia đa thức M(p) cho đa thức N(p) thì ta có: Fe(p) = (C0 + C1P + C2p2 + ... + Cipi)R(p). Từ đó suy ra cách tính các hệ số sai lệch điều chỉnh: C0=lim{Fe(p)} khi p g 0 C0=lim{ } khi p g 0 Hình 5. Mô hình toán hệ điều khiển vị trí motor DC 34 Số 3/2024
TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG - Thuật toán hiệu chỉnh PID KD là độ lợi khâu vi phân (Derivative gain) Hàm truyền liên tục PID có dạng: Việc hiệu chỉnh phù hợp 3 thông số KP, KI và KD sẽ làm tăng chất lượng điều khiển. Ảnh hưởng của 3 thông số này lên H(s)= hệ thống như sau: Bảng 1. Hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật bộ điều khiển PID Trong đó u: ngõ ra,e ngõ vào của bộ hiệu chỉnh Thuật toán PID có thể nhận được khi sai phân hàm truyền trên, tương ứng phương trình vi tích phân sau: Kp*e(t)+Kiòe(t)dt+Kd* =u(t)*K Gián đoạn hoá: Khâu vi phân (dùng định nghĩa sai phân): Kd* = *(e[n]-e[n-1]) Khâu tích phân (theo nguyên tắc hình thang): ò = với e(0)=0 Suy ra: u[n]*K=Kp*e[n]+ với e(0)=0 Thay[n] bằng [n-1] và trừ vào phương trình trên nhận được công thức cho phép chúng ta tính u[n] từ u[n-1] và các giá trị liên tiếp của e[n] như sau: u[n]-u[n-1]=( A0*e[n]+A1*e[n-1]+A2*e[n-2] )/K  u[n]=u[n-1]+( A0*e[n]+A1*e[n-1]+A2*e[n-2] )/K Hình 7. Đáp ứng đầu ra hệ thống dùng bộ điều khiển PID Với A0 = Kp+ + A0 = - Kp Khi thêm bộ điều khiển PID, hàm truyền hở của hệ thống là: - A0 = Trong đó T là chu kỳ lấy mẫu. 2.4. Kết quả mô phỏng Mô phỏng hệ thống bộ điều khiển PID số >>Kp=100; >>Ki=1; >>Kd=1; Hình 6. Sơ đồ khối hệ điều khiển PID >>numc=[Kd, Kp, Ki]; Trong đó hàm truyền của khâu PID là: >>denc=[1 0]; >>numa=conv(num,numc); % tích chập tử số >>dena=conv(den,denc); % tích chập mẫu số Hàm truyền vòng kín hồi tiếp âm đơn vị: KP là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain) >>[numac,denac]=cloop(numa,dena); KI là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain) Đáp ứng Step của hệ điều khiển PID: Số 3/2024 35
TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG Bước 2: Xác định KC và c mà ở đó hệ thống bắt Bước 2: Xác định KC và c mà ở đó hệ thống bắt đầu giao động - dùng hàm rlocus của Matlab (nên lưu thành file.m hoặc thao tác trong Matlab Editor sau đó copy và dán vào Workspace cả đoạn lệnh để dễ dàng cho việc hiệu chỉnh các thông số ở phần sau): >>close all >>num=5; >>den=[1 10 100 0]; Hình 8. Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID >>[numc,denc]=cloop(num,den); >>htkin=tf(numc,denc) % ham truyen vong kin Một phương pháp cổ điển nhưng đơn giản và hiệu quả để >>rlocus(htkin); %ve qui dao nghiem chỉnh định 3 thông số KP, KI và KD của bộ điều khiển PID là >> axis([-10 10 -15 15]) phương pháp Ziegler-Nichols (Ziegler Nichols Tuning Xác định Kc và c bằng hàm rlocfind: Method). Thủ tục chỉnh định như sau: 1. Chỉ điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển tỉ lệ KP (đặt KI=KD=0). 2. Tăng KP đến giá trị KC mà ở đó hệ thống bắt đầu bất ổn (bắt đầu xuất hiện sự giao động - điểm cực của hàm truyền kín nằm trên trục ảo j ). Xác định tần số c của giao động vừa đạt. Từ 2 giá trị KC và c vừa đạt, các thông số số KP, KI và KD được xác định: Bảng 2. Phương pháp Ziegler-Nichols hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật bộ điều khiển PID Hình 9. Tham số Kc và c bộ điều khiển PID Nhấp chuột vào điểm giao nhau giữa quĩ đạo nghiệm và trục ảo của đồ thị, trong WorkSpace ta được: Kc = 199.5793 Omegac = -10.0145 0.0072 +10.0072i 0.0072 - 10.0072i Như vậy ta được KC=200 và c = 10. Suy ra thông số của bộ điều khiển PID: Giả sử cần thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống KP = 0.6KC = 120 sau [6]: KI = 0.318KPc = 381.6 KD = 0.785KP/c = 9.4 Thử đáp ứng của hệ: >>Kp=120; Ki=381.5; Kd=9.4; >>numc=[Kd, Kp, Ki]; >>denc=[1 0]; % ham truyen cua PID >>[numac,denac]=cloop(conv(num,numc),conv(den,denc)) Bước 1: Điều khiển hệ thống chỉ với bộ điều khiển tỉ lệ: >>step(numac,denac) 36 Số 3/2024
TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG Hình 10. Đáp ứng đầu ra hệ thống Bước 3: Thực hiện tương tự, điều chỉnh một lượng nhỏ 3 Mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink [6] thông số KP, KD và KI để được đáp ứng tốt hơn. Sơ đồ mô phỏng trên Simulink: Hình 11. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID Đáp ứng tốc độ: Khi thiết kế, lựa chọn các thông số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID phù hợp là rất quan trọng, công việc này phải đảm bảo khi tính toán lựa chọn thì tín hiệu điều khiển dựa trên sai số trong phạm vi cho phép (lệch chuẩn tín hiệu về không). Qua kết quả mô phỏng, tác giả nhận thấy khi hệ thống truyền động điện một chiều có sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ là hiệu quả và được thể hiện qua đáp ứng tham số tốc độ đầu ra (hình 11) là đạt yêu cầu, tín hiệu này sẽ được điều chỉnh để giảm sai số về không, hệ thống có thể đạt được Hình 12. Đáp ứng đầu ra tốc độ động cơ 1 chiều sử dụng bộ điều khiển PID Số 3/2024 37
TẠP CHÍ ĐẠI HỌC HẢI DƯƠNG độ chính xác cao trong việc điều khiển tốc độ, khả năng ổn tốc độ thực tế của động cơ, sau đó tính toán và đưa ra tín hiệu định tốt, ít bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điều khiển để điều chỉnh tốc độ động cơ cho phù hợp. 3. Kết luận Bộ điều khiển PID số đã chứng minh được hiệu quả cao Hệ truyền động điện sử dụng PID số là một hệ thống tự trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Với khả động hóa được thiết kế để điều khiển tốc độ của một động cơ năng điều chỉnh chính xác, ổn định và linh hoạt, PID đã trở điện một cách chính xác và ổn định. Tại đây, bộ điều khiển PID thành một trong những phương pháp điều khiển phổ biến đóng vai trò trung tâm, liên tục so sánh tốc độ mong muốn với nhất trong ngành tự động hóa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Máy điện 1, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2008. [2] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Máy điện 2, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2008. [3] Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Khoa học và kỹ thuật, 2019. [4]. Thân Ngọc Hoàn, Giáo trình hệ thống tự động điều khiển Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2022. [5]. Bùi Quốc Khánh, Điều chỉnh tự động Truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2014. [6] Nguyễn Đình Quang, Matlab&Simulink Dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2004. [7] Nguyễn Đức Trung, Giáo trình Truyền động điện, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, 2023. 38 Số 3/2024

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2438 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright ©2025 TaiLieu.VN. All rights reserved.