1
MỞ ĐẦU
Mục tiêu của điều khiển là ngày càng 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 để ứng dụng điều khiển cho
từng đối tượng. Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển làm 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 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 để đáp ứng yêu cầu ngày
càng cao những đòi hỏi của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển ngày
càng cao của khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho các
hệ truyền động có tham số biến đổi dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện đại là một
vấn đề rất cần thiết đối với 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 dung rất nhiều đó là phương pháp mô hình hoá hệ
thống. Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô
hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ khá đắc lực giúp được
nhiều lợi ích thiết thực trong việc nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau và có khả
năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều.
Động cơ điện một chiều có kết cấu với nhiều dạng khác nhau và có rất nhiều
công dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Động cơ điện một chiều được sử dụng
rộng rãi trong các hệ truyền động ở các nhà máy cán thép, ở các cần trục, trong cơ
cấu truyền động tay máy, quay anten, điều khiển pháo binh, tên lửa, máy CNC, tàu
biển, xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền …
2
Hệ truyền động T-Đ thường được dùng trong các hệ thống truyền động điện
cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tế điều
khiển.
Mômen quán tính của tải là đại lượng đặc trưng cho sự phân bố khối lượng
của tải (vật). Mômen quán tính của một vật đối với một trục nào đó phụ thuộc vào
khối lượng của vật và bán kính quán tính của vật tức là
2
2
RG
J
nên trong các
truyền động có sự thay đổi khối lượng hay bán kính quán tính của tải trong quá
3
trình làm việc sẽ làm cho mômen quán tính của chung của hệ thay đổi và ảnh hưởng
xấu đến chất lượng điều khiển chung của hệ. Một số hệ truyền động có mômen
quán tính J của tải thay đổi thường gặp như truyền động trong tay máy (hình 1) và
truyền động trong máy quấn dây (hình 2) …
Hình 1 Truyền động trong tay máy
Hình 2 Truyền động trong máy quấn dây
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho
truyền động T-Đ có tham số mômen quán tính J biến đổi, nhằm nâng cao chất lượng
hệ truyền động, giữ cho hệ luôn đạt được một chất lượng điều chỉnh cao khi tham số
của hệ biến đổi, từ đó hoàn thiện phương pháp điều khiển chung cho hệ truyền động
T-Đ có tham số biến đổi. Tăng khả năng ứng dụng của phương pháp vào trong thực
tế sản xuất.
4
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ truyền động T-Đ. Phạm vi nghiên cứu
là hệ điều khiển cho truyền động T-Đ có tham số mô men quán tính J biến đổi.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài chính là ở chỗ đã hệ thống hóa các
Trong hệ truyền động T-Đ, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu điều
khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh
lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha.
1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ T - Đ.
1.2.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u
k
nào đó thì trong dây quấn kích từ
sẽ có dòng điện i
k
và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá
trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy
qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện
từ , giá trị của mômen điện từ được tính như sau:
IkI
a
Np
M .
.2
'.
(1.1)
Trong đó: p' - số đôi cực của động cơ.
6
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ.
a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
k = pN/2π.a - hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phấn ứng
quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:
U
k
(p)= R
k
I
k
(p) +N
k
.P.Φ(p) (1.4)
Trong đó N
k
- số vòng dây cuộn kích từ;
R
k
- điện trở cuộn dây kích từ.
Mạch phần ứng:
U(p)= R
u
.I(p) + L
u
p I(p) ± N
N
p Φ(p) + E(p) (1.5)
Hoặc dạng dòng điện:
)]()()([
1
1
)( pEppNpU
pT
R
)]()].[([
)]([)]([)(
ppK
pIILppIIRpUU
Bo
ououo
(1.7)
Mạch kích từ:
)]([)]([)( pIIpLpIIRpUU
kkokkkokkko
(1.8)
Phương trình chuyển động cơ học:
)]([)]([)]()].[([ BJpMMpIIpK
BpcBoo
(1.9)
Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể
viết được các phương trình của gia số:
)1).((.)]( )( [)(
uuoB
pTpIRpKpKpU
(1.10)
8
)1).((
hệ số khuyếch đại động cơ: K
đ
= 1/C
u
, hằng số thời gian cơ học:
2
u
u
c
C
JR
T
(1.15)
1
)(.)(
)(
2
pTpTT
C
pM
R
TppU
pI
ccu
u
c
u
chỉnh lưu là mạch điều chỉnh liên tục với sơ đồ thay thế như hình 1.5.
Hình 1.5 Mạch thay thế chỉnh lưu
Trong đó
.
2
)
4
1(
fefb
L
mm
RR
fb
LL
m - số xung áp đầu ra;
- góc chuyển mạch cực đại;
L
f
, R
f
- điện cảm và điện trở của một pha xoay chiều.
Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu, khi hiện tượng chuyển mạch
không có ảnh hưởng đến giá trị trung bình của điện áp thì điện trở R
b
=R
vo
(1.18)
và khi này có thể thay thế hàm trễ bởi một khâu quán tính.
Hình 1.6. Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo
Hình 1.7 Hàm truyền của bộ chỉnh lưu trong trường hợp gần đúng.
1.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN.
1.3.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành thì
mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch
vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp
(hoặc gián tiếp) xác định mômen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo
vệ, điều chỉnh gia tốc v.v…
Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện có cấu trúc như hình
1.8a dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuyếch đại tổng và
mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P. Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi
tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm viêc như bộ điều chỉnh tốc độ
12
(hay điện áp) mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện. Khi dòng
điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng
hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R.
Phương án thứ hai được mô tả trên hình 1.8b. Có hai mạch vòng với hai bộ
điều chỉnh riêng biệt R
1
, R
2
, trong đó R
2
là bộ điều chỉnh dòng điện với giá trị đặt
I
đ
u
, T
i
- các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển
chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và xenxơ dòng điện.
R
u
- điện trở mạch phần ứng.
d
U
- hệ số khuyếch đại của chỉnh lưu.
Trong trường hợp coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá
trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện tức là coi ΔE = 0 hoặc E = 0.
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là
như sau:
)1)(1)(1)(1)(1(
/.
)(
iuvođkf
uicl
oi
PTPTPTPTPT
RKK
PS
(1.19)
oi
; Trong đó T
s
<<T
u
. (1.20)
14
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh
dòng điện có dạng khâu PI :
paT
R
KK
pT
pR
s
u
icl
u
i
.
1
)(
(1.21)
Trong đó để bù hằng số thời lớn hơn (
u
T
đạt vô sai cấp một hoặc vô sai cấp hai.
Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Rω có thể được
tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải M
c
. Trong trường hợp
chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều khiển lẫn từ
phía tín hiệu nhiễu loạn.
Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình 1.10.
Hình 1.10 Sơ đồ khối
1.3.4. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ.
15
Ở phần trên ta đã tổng hợp được mạch dòng điện, trong phần này sẽ sử dụng
biểu thức kết quả trong đó đã bỏ qua ảnh hưởng của s.đ.đ của động cơ:
)1(21
1
.
1
)(
)(
pTpTKpU
pI
ssiiđ
(1.23)
Do T
S
rất nhỏ → T
S
2
là xenxơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền K
ω
và hằng số
thời gian (lọc) T
ω
. Thường T
ω
có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’
s
=2T
s
+ T
ω
, đối tượng
điều chỉnh có hàm truyền:
)1'2(
1
.)(
2
pTPTKK
KR
pS
sci
u
o
(1.26)
pTpTKpU
p
ssvđ
(1.28)
Sau đây ta kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đến độ quá điều chỉnh và độ
chính xác tĩnh của hệ thống vừa nêu. Theo sơ đồ khối hình 1.11 tính được:
]
)(
)(
1[
)()()(
)(
pI
pI
pTK
pIR
pTK
RpIpI
p
cc
cu
c
uc
pTpT
pT
TK
RIT
pFpTK
IR
p
ss
s
c
ucs
oc
cu
(1.30)
Từ biểu thức (1.30) thấy rằng độ sụt tốc độ tĩnh Δω = Ic.Ru/K
Φ
trong hệ
thống hở sẽ được giảm đi Tc/4T’s lần trong hệ kín. Trên hình 1.12 mô tả quá trình
thay đổi dòng điện và tốc độ khi có đột biến nhiễu tải. Mạch vòng tốc độ này là vô
sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với tín hiệu nhiễu.
Giá trị của sai lệch tĩnh tuỳ thuộc vào các thông số trong biểu thức (1.30):
c
c
us
)(
(1.32)
Và hàm truyền mạch hở sẽ là:
)1'2(
1
1
)(
pTpTKK
KR
pKT
pT
pF
sci
u
o
o
o
(1.33)
Từ (1.33) có thể tìm được hàm truyền mạch kín F(p), đồng nhất F(P) với
hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được tham số của bộ điều chỉnh
Nếu chọn T’s = Ts thì:
To = 8Ts
s
.
.
)(
pTTKR
TKK
pR
ssu
ci
(1.34)
Thấy rằng thành phần tỷ lệ của bộ điều chỉnh (1.34) đúng bằng hệ số
khuyếch đại của bộ khuyếch đại (1.27)
Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu đối xứng thường phải dùng
thêm khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu đặt này thường
có hàm truyền đạt của khâu lọc thông thấp bậc nhất, có hằng số thời gian lọc tuỳ
thuộc vào gia tốc cho phép của hệ thống. Tất nhiên khâu tạo tín hiệu đặt này phải
đặt bên ngoài mạch vòng điều chỉnh tốc độ.
Hàm truyền mạch kín của hệ thống:
1]1)'21('4['8
'81
)(
)(
)(
pTpTpT
sss
s
c
i
(1.36)
và cũng tính được sai số tốc độ tương ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:
1]1)'21('4['8
)'21('8
.
'4
)]()([
)(
pTpTpT
pTpT
TK
IRT
R
pTK
pIpI
p
sss
ss
c
cus
.
19
+ Hằng số thời gian mạch phần ứng:
3
3
10.83,25
2,1
10.31
u
u
u
R
L
T
.
+ Từ thông định mức:
đm
uđđuuđđ
đm
uđđ
i
W
IRU
W
E
KF
.
0
10166,0
v
T
.
+ Máy phát xung răng cưa có biên độ
vU
rcm
9
.
+ Hằng số thời gian mạch điều khiển :
3
102,0
đk
T
.
- Đo lường dòng điện: Sử dụng 3 biến dòng lắp đặt ở ba pha. Điện áp sơ cấp
biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điôt ba pha, mạch lọc RC lọc thành phần xoay
chiều sau chỉnh lưu.
+ Thông số mạch lọc RC: R
d
= 100 ; C
d
= 0,000005.
+ Tỷ số biến đổi dòng:
1:50
K
.
Hằng số thời gian bộ lọc:
0005,0.
ddi
CRT
.
- Đo lường tốc độ: Sử dụng máy phát tốc một chiều FT. Để đảm bảo yêu cầu
là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc độ
động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo, ta sử
20
dụng máy phát tốc một chiều có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc
độ. Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp
và sử dụng là thép kỹ thuật điện mỏng (hạn chế tổn thất dòng điện xoáy). Để loại bỏ
sóng điều hoà tần số cao sử dụng bộ lọc lắp ở đầu ra máy phát tốc.
+ Máy phát tốc FT:
vUphútvòngn
đmđm
24;/3000
.
+ Hàm truyền của máy phát tốc khi có bộ lọc sẽ là:
pT
K
p
pU
pF
f
.1)(
)(
)(
vòng dòng điện.
- Bộ điều chỉnh dòng điện RI thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu môđun như đã
trình bày ở mục 1.3.2
Tính toán thông số của khâu chỉnh lưu:
vođkcl
TTT
2
= 0,0002 x 0,000166 = 3,32 e-8
vođkcl
TTT
1
= 0,0002 + 0,000166 = 0,000366
Bộ điều chỉnh dòng điện RI thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu môđun
paT
R
KK
pT
pR
si
u
icl
u
i
.
1
)(
=
pT
Hinh 1.14 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
1.4.3. Xây dựng bộ điều khiển PI cho hệ truyền động T-Đ.
1.4.3.1. Xây dựng bộ điều khiển.
- Bộ điều chỉnh tốc độ Rω dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI thiết
kế theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng như đã trình bày ở mục 1.3.5
- Kế thừa các kết quả khi đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện, ta tổng
hợp mạch vòng tốc độ. Hàm truyền mạch vòng dòng điện
pT
K
pU
pI
si
i
iđ
21
1
.
)(
)(
=
p001732,01
5,0
Bộ điều chỉnh tốc độ Rω thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
cii
8
1
4
1
4
1
)(
2
2
wsi
sw
TT
T
= 0,001116
22
2
i
u
1
= 8029,3
Để hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ ta dùng khâu bão hoà và khâu
này được đặt ở đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ. Và chính vì khâu bão hoà này đã xảy ra
hiện tượng windup.
1.4.3.2. Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân.
Khâu vi phân điều khiển cơ cấu chấp hành và làm cho nó bảo hòa có thể gây
ra một số ảnh hưởng không mong muốn. Nếu sai số điều khiển lớn khâu vi phân
làm cho cơ cấu chấp hành hoạt động trong vùng bảo hòa, vòng hồi tiếp sẽ bị gãy,
bởi vì cơ cấu chấp hành vẫn bảo hòa thậm chí nếu ngõ ra hệ thống thay đổi. Khâu vi
phân, trở thành một hệ thống không ổn định, có thể sau đó khâu vi phân đạt đến một
giá trị rất lớn. Khi sai số cuối cùng giảm xuống, khâu vi phân có thể vẫn lớn để nó
cần có khoảng thời gian cần thiết cho tới khi khâu vi phân trở lại giá trị bình
thường. Sự ảnh hưởng này gọi là windup khâu vi phân. Hình 1.15 miêu tả sự ảnh
hưởng đó.
Hình 1.15 Biểu diễn windup của khâu vi phân.
Đường nét nhỏ thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển PID thông thường.
Đường nét đậm thể hiện đáp ứng của PID đã được cải thiện khi antiwindup.
23
Có nhiều cách để tránh windup khâu vi phân. Một cách có hiệu quả nhất là
dừng cập nhật khâu vi phân khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa. Một phương pháp
khác được biểu diễn ở sơ đồ khối hình 1.16(a). Ở đây, một đường hồi tiếp được
thêm vào để cung cấp giá trị đo được ở ngõ ra của cơ cấu chấp hành, tín hiệu sai số
es là sự khác nhau giữa ngõ ra cơ cấu chấp hành (uc) và ngõ ra bộ điều khiển (v)
được đến về ngõ vào bộ tích phân qua khâu khuếch đại 1/Tt. Tín hiệu sai số e
W
I c
Hinh 1.18 Mô hình đối tượng
Hinh 1.19 Bộ điều khiển tốc độ có khâu bảo hoà và Antiwindup
1.5. MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PI.
1.5.1. Trường hợp mômen quán tính của đối tượng J1=J=0,016.
Copyright: Tài liệu đại học ©