Thạc Sĩ Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có mô men quán tính t

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan .i
Mục lục ii
Danh mục các kí hiệu .v
Danh mục các bảng vi
Danh mục các hình vẽ vii
MỞ ĐẦU .01
1. Lý do chọn đề đề tài .01
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .03
3. Phương pháp nghiên cứu 03
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 04
5. Cấu trúc luận văn .04
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .06
1.1. KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .06
1.1.1. Nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều .06
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều .07
1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều .08
1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP .09
1.2.1. Chế độ xác lập động cơ điện một chiều 09
1.2.2. Chế độ quá độ động cơ điện một chiều .10
1.2.2.1. Mô tả chung .10
1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi .12
1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN .14
1.4. MÔ PHỎNG 16
CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
DÙNG PID .18
2.1. THAM SỐ ĐỘNG CƠ .18
2.2.1. Khái quát về bộ điều khiển PID 18
2.2.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 20
2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Níchols 20
2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones -Reswick .22
2.2.2.3.Phương pháp tối ưu modul 24
2.2.2.4. Phương pháp tối ưu đối xứng .28
2.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .29
2.2.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 29
2.2.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 32
2.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .37
CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI .42
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 42
3.2. HỆ THỐNG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) .42
3.3. LUẬT THÍCH NGHI 45
3.3.1.Phương pháp độ nhạy (MIT ) 46
3.3.2.Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá
hàm chi phí sai số .47
3.3.3. Hàm Lyapunov .48
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI 53
4.1. BỘ CHỈNH LƯU 50
4.2. ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ 51
4.3. BIẾN DÒNG .51
4.4. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN .52
4.5. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ 54
4.6. GIẢI THUẬT 56
4.7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG .58
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .61
5.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 61
5.2. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ men quán tính tải J1= 0.01 kg.m2 .63
5.3. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ men quán tính tải J1= 0.05 kg.m2 .64
5.4. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ men quán tính tải J1= [0:0.5] kg.m2 .64
5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
THAY ĐỔI 65
5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI .65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67
1. Những đóng góp của luận văn 67
2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 68
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cho đến nay động cơ điện một chiều đóng một vai trò quan trọng trong nghành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp cơ khí, ở các nhà máy cán thép,nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ.
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển. thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được.
Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên
cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tượng. Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt được là
cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất.
Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là
ngành điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi, vừa đặt ra vấn đề đòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho động cơ điện một chiều dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện đại là một vấn đề rất cần thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống.
Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng rất nhiều đó là phương pháp điều khiển thích nghi.Trong luận văn tác giả sử dụng phuơng pháp điều khiển thích nghi và phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ khá đắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều.
Động cơ điện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền động điện đòi hỏi chất lượng cao. Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Và nói chung, phần lớn các hệ thống truyền động trong thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoặc không thể biết trước.
Đối với động cơ điện một chiều, các thông số thường bị thay đổi làm ảnh hưởng chất lượng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện cảm mạch phần ứng Lu của động cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng Ru của máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thời gian mạch phần ứng Tu = Lu/Ru cũng sẽ thay đổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ
thông ® có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay đổi. Khi xét đến tải của các hệ truyền động thì mô men quán tính của tải thường bị thay đổi, làm cho mômen quán tính của hệ qui đổi về trục của động cơ thay đổi.
Nếu bằng các phương pháp điều khiển kinh điển thì chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển đạt được chất lượng cao. Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiển.
Với các lý do trên, tác giả đã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt được đáp ứng ngõ ra và các đặc tính của hệ thống điều khiển thỏa mãn các yêu cầu đã đề ra.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ điện một chiều có mômen quán tính thay đổi.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp điều khiển thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nghiên cứu đề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2
phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn đề về ứng dụng điều khiển thích nghi, các mô hình động cơ điện một chiều, các hàm tối ưu trong Matlab và các tính toán hỗ trợ các hàm tối ưu.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu trong phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng, mô phỏng kiểm
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp ĐK kinh điển, từ đó mở ra một tiềm năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển trong công nghiệp làm nâng cao hơn nữa chất lượng điều khiển cho động cơ điện một chiều.
5. Cấu trúc luận văn
Ngoài chương mở đầu, trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
Mô tả toán học động cơ điện một chiều
Mô tả toán học mạch động lực.
Chương 2.Tổng hợp bộ điều khiển động cơ diện một chiều.
Các phương pháp xác định bộ điều khiển PID
Cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều
Chương 3. Điều khiển thích nghi.
Giới thiệu tổng quan về lý thuyết điều khiển thích nghi.
Các phương pháp thiết kế luật thích nghi.
Chương 4. Tổng hợp bộ điều khiển PID thích nghi .
Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho động cỏ điện một chiều với tham số mômen quán tính không xác định.
Lựa chọn hàm Lyapunov dự kiến, xác định thuật toán điều khiển, xây
dựng luật thích nghi để chỉnh định tham số bộ điều khiển và phân tích sự ổn định của hệ thống điều khiển.