1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU 1.1. Đặt vấn đề Trong các dây truyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp luôn có các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấp tốc độ tùy theo công tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình công nghệ . Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí của máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu sản xuất muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải, trong mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta có một phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng. Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ Cấu trúc phần động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ trong các nhà máy sản xuất hiện nay có 4 bộ biến đổi. - Bộ biến đổi máy điện gồm : động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại (KĐM) - Bộ biến đổi điện từ : khuyếch đại từ (KĐT) - Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thysistor - Bộ biến đổi xung áp một chiều: thysistor hoặc transistor 1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện: 1.2. 1. Hướng điều chỉnh tốc độ Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên. 1.2.2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh) Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n max và tốc độ bé nhất n min mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = n max /n min . Trong đó: - n max : Được giới hạn bởi độ bền cơ học. - n min : Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn n min làm đơn vị. Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh. 2 1.2.3. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ Độ cứng: β = ∆M/∆n. Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏ nghĩa là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói cách khác β càng lớn thì càng tốt. 1.2.4. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau: γ = n i /n i+1 Trong đó: - n i : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i. - n i + 1 : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ). Với n i và n i + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó. γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp. γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp. 1.2.5. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆P phu ở mức thấp nhất. 1.2.6. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau. 1.3. Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều 1.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn n cb . 1.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn n cb . Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế. Thiết bị đơn giản. 3 1.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng: - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn n cb . - Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép. - Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng. 1.3.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng: - Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn n cb . - Ưu điểm: + Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân mạch có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng. + Thiết bị vận hành đơn giản. - Nhược điểm: + Phương pháp này dùng tiếp điểm để đóng cắt điện trở nên độ tinh chỉnh không cao, điều chỉnh tốc độ có cấp, phạm vi điều chỉnh: D = ( 2 → 3 )/1. + Do tổn thất công suất trong sơ đồ này khá lớn nên phạm vi ứng dụng bị hạn chế. Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ có công suất nhỏ, thời gian làm việc ngắn với tốc độ thấp. 1.3.5. Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ ( F - Đ ) - Ưu điểm: + Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng: D = ( 10 → 30 )/1 bởi vì quá trình điều chỉnh được thực hiện bằng mạch kích thích của máy phát và động cơ. Có thể dùng phương pháp biến trở. + Hệ thống có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn nên thường được sử dụng ở các máy khai thác trong công nghiệp nhỏ. - Nhược điểm: + Dùng 4 máy để quay nên khi làm việc sẽ gây tiếng ồn lớn, chiếm nhiều diện tích để đặt máy. Đồng thời tổng công suất đặt vào hệ thống F - Đ quá lớn: Gấp 3 lần so với yêu cầu nên vốn đầu tư lớn. + Hiệu suất hoạt động của hệ thống tương đối thấp: η = P cơ2 /P đ ∼ < 0,75 + Đặc tính cơ dốc nên khi có dao động ở phụ tải thì thể hiện rõ hơn nữa. + Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. • Kết luận Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau : 4 1 - Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ. 2 - Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn mạch giảm, dòng ngán mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. 3 - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục. Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu đIểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi. 1.4. Điều khiển ổn định tốc độ bằng máy tính thông qua card DSP 1104 Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số trong các hệ điều khiển chuyển động mang lại nhiều tính năng vượt trội so với kỹ thuật điều khiển chuyển động truyền thống như: linh hoạt trong việc thay đổi thông số bộ điều chỉnh khi yêu cầu công nghệ thay đổi, thay đổi các phương pháp điều khiển tiên tiến; tăng khả năng chống nhiễu. Tuy nhiên để thực hiện một bộ điều chỉnh số lại mất nhiều thời gian và gặp nhiều khó khăn. Trong cả hai công đoạn trên thì mô phỏng thời gian thực là rất cần thiết. Tốc độ tính toán yêu cầu cho mô phỏng thời gian thực phụ thuộc vào đặc điểm của mô hình được mô phỏng. Với những mô hình phức tạp, số lượng phép tính lớn thì thời gian mô phỏng là vấn đề cần được quan tâm. DS1104 là Card điều khiển số do hãng dSPACE của Đức sản xuất dựa trên bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động (floating-point) thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments (Mỹ). DS1104 được thiết kế đặc biệt để phát triển các bộ điều khiển số đa biến tốc độ cao và mô phỏng thời gian thực. Nó thường được dùng trong các lĩnh vực sau: Hạt nhân của DS1104 là bộ xử lý tín hiệu số dấu phẩy động (floating- point) thế hệ thứ ba TMS320F240 của hãng Texas Instruments. Bộ xử lý tín hiệu số được bổ sung thêm một loạt thiết bị ngoại vi thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển số. Các bộ biến đổi tương tự-số và số-tương tự, một bộ xử lý tín hiệu số dựa trên các hệ con vào ra số và các giao diện cảm biến so lệch (incremental sensor) làm cho DS1104 trở thành một giải pháp bo mạch đơn lý tưởng cho một dải rộng các bài toán điều khiển số. DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắm vào máy tính qua cổng mở rộng ISA. Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộng dSPACE giao tiếp với máy tính, vì vậy tác giả đi theo hướng nghiên cứu, ứng dụng Card DS1104 để điều khiển tốc độ cho động cơ 1 chiều. 1.5. Kết luận chương 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn để sau: - Tổng quan được các vấn đề điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. - Đã đưa ra được các phương pháp điều khiển tốc độ độngcơ 1 chiều 5 Chương 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2.1. Mô hình toán học của động cơ 2.1.1. Đặt vấn đề Việc xây dựng mô hình toán học cho đối tượng điều khiển có một ý nghĩa rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc xây dựng mô hình toán càng chính xác, tỷ mỉ bao nhiêu thì hệ thống làm việc càng an toàn bấy nhiêu. Hơn nữa, việc xây dựng mô hình toán học chính xác còn nâng cao được hiệu suất của hệ thống. Nếu thiếu chính xác thì hệ thống có thể làm việc kém chất lượng hoặc không làm việc được. Vì vậy việc xây dựng mô hinh toán học phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thông số phù hợp với thiết bị. - Về mặt kinh tế, các thông số tính toán được chọn trong khi thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý… Trong luận văn này tác giả đi xây dựng hệ điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập tuy cấu tạo phức tạp đắt tiền song mômen (M=const) dễ dàng điều chỉnh tốc độ, độ ổn định tốc độ do đó đáp ứng được yêu cầu của hệ thống. Ta chọn động cơ một chiều có mã hiệu và bảng thông số như sau: Bảng 2.1: Số liệu động cơ Mã hiệu P (KW) U đm (V) I đm (A) n đm (v/ph) η đm (%) R ư (Ω) L ư (H) GD 2 (KGM 3 ) 75 220 381 1500 0,795 0,025 3 0,002 2 7 Hệ số khuếch đại của động cơ được tính: K D = 0253,0.381220 1500 . − = − udmdm dm RIU n = 7,13 (v/ph) (2.1) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều: Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập R f E CKT U -+ I KT 6 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1 Hình 2.2: Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều 2.1.2. Xây dựng mô hình toán học dưới dạng hàm truyền của động cơ Ở phần trên ta đã chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập và động cơ một chiều kích từ động lập có phương trình vi phân: u=I d R u +L u E dt dI d + (2.2) u - E =R u       + dt dI TId d 1 (2.3) Ta có E = k e .n (2.4) m d u T dE I R dt = (2.5) Thay vào (2.4) , (2.5) vào (2.3) u-k e .n = T m .k e . 2 2 1 dt nd kTT dt dn em + (2.6) 1 u u L T R = : hằng số thời gian điện từ mạch roto (s) 2 375 u m e m GD R T K K = : hằng số thời gian động cơ hệ thống 2 GD : mô men quán tính đà ( vô lăng) của động cơ ( N/ m2) e dm E K n = u R : điện trở phần ứng u L : điện cảm phần ứng 7 30 m e K K π = : hệ số mômen với kích từ độc lập của động cơ [ ] 2 / mN Với điều kiện ban đầu bằng 0. Biến đổi laplace hai vế của (2.6) thay thế ta được: W (s) = 1 2 1 )( )( ++ = sTsTT K U N mm s s (2.7) Với 1 e K K = Vậy ta có : ( ) ( ) 1 2 0 0022 0 087 0 0253 220 381 0 0253 0 1402 1500 1 1 7 131 0 1402 30 30 0 1402 1 34 7 10 0 0253 0 0251 375 375 0 1402 1 34 u e dm dm e m e m e m Lu . T . s Ru . E s Udm Idm.R . , K , n n K , K . K K , , GD Ru . . , . T , K K . , . , π π = = = − − = = = = = = = = = = = = = Vậy động cơ có hàm truyền là: ( ) 2 2 7 131 7 131 0 087 0 0251 0 0251 1 0 00218 0 0251 1 , , W s , . , s , s ,. s , s = = + + + + (2.8) Khi xét đến sự thay đổi của tải ta cần tách hàm truyền (2.7) thành 2 phần hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập: ( ) mD W s = 0 0253 0 0253 0 1402 0 0251 0 00352 u e m R , , K .T .s , . , .s , s = = (2.9) ( ) iD W s = 1087,0 5,39 )1087,0(0253,0 1 )1( 1 1 + = + = + sssTR u (3.0) 2.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển ổn định tốc độ động cơ 2.2.1. Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý điều khiển Hệ điều khiển ổn định tốc độ động cơ nói chung và hệ điều khiển ổn định tốc độ động cơ điện một chiều nói riêng có cấu trúc gồm 3 phần: - Bộ điều khiển. - Đối tượng cần điều khiển. - Phản hồi (cảm biến). Từ phân tích ở trên và theo tài liệu [1], ta xây dựng được sơ đồ khối nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều như hình 2.2: 8 Hình 2.2: Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển ổn định tốc độ 2.2.2. Xây dựng hàm truyền hệ thống 2.2.2.1. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi Trong chỉnh lưu dùng Tiristor nếu bỏ qua thời gian chuyển đổi của các Tiristor (các Tiristor mở tức thời) thì mạch động lực mô tả bằng khâu tỷ lệ, còn mạch tạo xung do thời điểm xuất hiện xung phải đồng bộ với điện áp anốt. Vì vậy khi tín hiệu điều khiển thay đổi để điện áp ra thay đổi được phải mất một khoảng thời gian để chờ đổng hồ do đó được mô tả khâu trễ với thời gian trễ nhỏ nhất bằng không. Thời gian trễ gần đúng trung bình được xác định: τ = 1 2mf (2.10) Với n là số đỉnh nhọn của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn. Sơ đồ chỉnh lưu là sơ đồ hình tia ba pha ⇒ m = 3.Tần số điện áp nguồn f = 50(Hz). Hằng số thời gian của bộ biến đổi là: ⇒ τ = 1 2.3.50 = 0,33.10 -2 (s) (2.11) Hàm truyền bộ biến đổi là: W (T) (s) = K T e -s. τ T (2.12) Để đơn giản khi tính toán ta khai triển hàm mũ theo chuỗi Taylor: e -s. τ T = ! )( !2 )( !1 )( !0 )( 1 210 n nstststst ++++ ≈ st+1 1 (2.13) Với tín hiệu điều khiển ( ) 220 dk U V= và điện áp ra ( ) 10 d U V= Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi 22 T K = ⇒ W T (s) = 10033,0 22 1 + = + sst K T T (2.14) 2.2.2.2. Xây dựng hàm truyền cảm biến Bộ điều khiển Bộ biến đổi Động cơ Cảm biến n đ n Đối tượng điều khiển 9 Để đảm bảo điều khiển ổn định tốc độ động cơ đạt chất lượng khi xét đến sự thay đổi tải thì ta cần phải tách động cơ thành 2 thành phần: Phần điện và phần cơ tương ứng là phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ như hình 2.3: Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển ổn định tốc độ (2 mạch vòng điều khiển) a. Tính chọn khâu phản hồi tốc độ Máy phát tốc là một thiết bị phát ra điện áp tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ, máy phát tốc được nối cứng trục với động cơ thông qua bộ truyền tốc độ. Căn cứ vào tốc độ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta chọn máy phát tốc có các thông số sau: Bảng 3.4. Số liệu máy phát tốc Mã hiệu U đm (V) I đm (A) n đm (v/ph) R ư (Ω) P đm πT32/1Y4 230 0,5 1000 7,34 0,115 Vì động cơ máy phát tốc không cùng tốc độ nên ta phải sử dụng bộ truyền động cơ khí với tỷ số truyền như sau: i = 1500 1 5 1000 dc FT n , n = = (2.15) Điện áp đầu vào của IC mạch khuếch đại trung gian là lý tưởng. Ta có: V U =0 Vậy 0 V cd U .n U .n γ γ − = − = cd max dm U n γ = chọn 10 max = cd U 10 0 0067 1500 , γ ⇒ = = (2.16) Tín hiệu phản hồi âm tốc độ U ph = -γn là tín hiệu đặt. Với hệ số γ ta chọn γ = 0,0067 (V.s), được tổng hợp và khuếch đại bằng mạch KĐTT (bộ điều chỉnh tốc độ). b. Tính chọn khâu phản hồi dòng điện Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy từ máy biến dòng mắc ở ba pha của mạch động lực. Sau đó được đưa tới bộ tổng hợp tín hiệu có hệ số phản hồi dòng là β. Đầu ra của bộ này là βI được đưa vào mạch tổng hợp và khuếch đại bằng mạch KĐTT (bộ điều chỉnh dòng điện). Ta xét đầu vào của mạch vòng trong là 10(V) và dòng điện ở đầu ra là 150(mA). Nên ta sẽ có hệ số phản hồi dòng điện là: 10 0 067 150 , β = = (2.17) R I R ω W T W ID W mD β (- ) γ n đ n (- ) (- ) M c 10 2.3. Thiết kế thuật toán toán điều khiển bằng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển được gọi là PID do được viết tắt từ 3 thành phần cơ bản trong bộ điều khiển : khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). với u(t) = u P + u I + u D ⇔ Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ xung hoàn hảo của 3 trạng thái, 3 tính cách khác nhau: - Phục tùng và làm việc chính xác (P) - Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I) - Có khả năng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D) Bộ điều khiển PID được ứng dụng rất rộng rãi đối với các đối tượng SISO theo nguyên lý phản hồi (feedback) như hình 2.5: Bộ điều khiển PID được mô tả: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )         ++==⇒       ++= ∫ sT sT 1 1K sK sU sW dt tde Tdtte T 1 teKtu D I PDKD I P Việc xác định các thông số K P , T I , T D quyết định chất lượng hệ thống và ta có các phương pháp thường gặp: - Phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t) - Phương pháp thiết kế trên miền tần số - Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng. 2.3.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 2.3.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 2.3.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 2.3.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 2.3.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 2.3.2.1. Nguyên tắc thiết kế Một hệ thống điều khiển được mô tả: P I D u(t) u P u I u D e(t) PID y(t) x(t) e(t) u(t) (-) Plant Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID u(t) e(t) Hình 2.4: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) W đk (s) y(t) u(t) (-) W đt (s) Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển [...]... cứu điều khiển ổn định tốc độ động cơ Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các chương sau: Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độn cho động cơ 1 chiều Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển động cơ Chương 3: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm sử dụng card DSP 11 04 Kết quả của luận văn đã đạt được là: - Thiết kế được bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động. .. a0 = 0 , 718 a1 = 0 , 718 K a2 = 1 a3 = 0,0066 TI a2 1 = = 15 1,5 Ta có: ω2 = a3 0,0066 Chọn α ' = 1, 7 ω 15 1,5 → 1 = 2 = = 89 ,1 1,7 α' ω 89 ,1 ω0 = 1 = = 52 ,4 α ' 1, 7 Tính a1 = a2 1 = 1. 89 ,1 = 89 ,1 a0 = a1 ω0 = 89 ,1. 52, 4 = 4668,84 Vậy a1 = 0, 718 K = 89 ,1 ⇒ K = 12 4 ,1 Và TI = 0, 019  Bộ điều khiển PI được thiết kế là: W dk ( s) = 12 4 ,1. 1 +  (2.59Kiểm tra lại với α ' = 1, 7 ta có α ' = 1, 5 + 4 ω0 = 52,... 4 ' ω0 ω0 α − 1, 5 ) ' ( ω0 a'0 1 = ' = = 52 ,6 a1 0 , 019 Từ đó ta suy ra α = 1, 55 Kiểm tra độ quá điều chỉnh lg( δ %) = 4,8 − 2.α Suy ra δ % = 50 ,1 1   0, 019 s  16 Do độ quá điều chỉnh lớn nên ta phải thử lại với α ' = 2, 4 ω 15 1,5 → 1 = 2 = = 63 ,12 5 2,4 α' ω 63 ,12 5 ω0 = 1 = = 26 ,3 2,4 α' Tính a1 = a2 1 = 1. 63 ,12 5 = 63 ,12 5 a0 = a1 ω0 = 63 ,12 5.26,3 = 16 60 ,18 Vậy a1 = 0, 718 K = 63 ,12 5 ⇒ K = 70,9... với bộ điều khiển PID khi thay đổi tốc độ động cơ - Trường hợp thay đổi tham số bộ điều khiển (khác tham số thiết kế), ta được kết quả: Hình 3.44: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID đã bị thay đổi tham số khi thay đổi tốc độ động cơ 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận: Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển PID để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Nhiệm... 01 ts ( ) 01 2 01 4 01 6 01 8 02 Hình 3.5: Đáp ứng tốc độ động cơ không tải (thay đổi tốc độ) - Kết quả mô phỏng điều khiển tốc độ có tải tại thời điểm 0,4s D p u g to d d n c a n c o og o 1 0 8 0 n a d t n u th c 1 0 6 0 1 0 4 0 nv h ( /p ) 1 0 2 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 t( ) s - Kết quả mô phỏng Hình 3.6: Đápcơ khi có tải tại 0,4s dòng động ứng tốc độ. .. W 01 ( s ) là hàm đối tượng của RI ( s ) Hàm truyền này có dạng 1+ T s K n và máy điều chỉnh Wdk = ( PI) = 2 KT s Wdt = (T 1s + 1) (T bs + 1) b Khi đó hàm truyền hở của mạch vòng trong là : Wh ( s ) = Wdc ( s ) W 01 ( s ) = (1 +T 1s ) K 1 = 2T s (1 +T s ) 2 KT bs (1 +T bs ) (1 +T 1s ) b 1 Mặt khác ta lại có hàm truyền kín của vòng trong là WK ( s ) = 1 Wh ( s ) 1 2T bs (1 +T 1s ) = = 2T b 2s + 2T s + 1 1... DS 11 04 3 .1 Kết quả mô phỏng Để mô phỏng hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động cơ một chiều, tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink 3 .1. 1 Sơ đồ mô phỏng - Sơ đồ mô phỏng vòng trong (bộ điều khiển dòng) Hình 3 .1: Sơ đồ mô phỏng vòng dòng điện - Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống có tham gia của bộ điều khiển vòng ngoài (bộ điều khiển tốc độ) , không tải Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ. .. + 1) 0, 718 Ti s ( 0,0066s + 1) s - Hàm truyền kín của hệ thống là K ( TI s + 1) 0, 718 Wh ( s ) TI s ( 0,0066S + 1) s WK ( s ) = = 0, 718 Wh ( s ) + 1 1 + K ( TI s + 1) TI s ( 0,0066s + 1) s Sau khi tính toán ta thu được biểu thức: W K (s ) = 0, 718 Ks + 0, 718 K T1 0,0066s + s +0, 718 Ks + 0, 718 K 3 2 T1 Tử số có dạng bậc một như vậy ta được các thông số K ' a'0 = 0 , 718 a1 = 0 , 718 K TI K a0 = 0 , 718 ... nb -2∑ ( 1+ Tbj ) =0 ⇒ Ti =2k ∑ ( 1+ Tbj ) =2kTb k j =1 j =1 Hàm truyền của h ệ kín sau khi đã chọn bộ điều chỉnh có dạng: 1 Wk ∗ ( s ) = (2.47) 1 + 2Tbs + 2Tb 2s2 So với hàm bậc 2 chuẩn: ξ = 1 = 0,707 2 Bộ điều chỉnh PID2 ít dùng, vì khó thực hiện được phần cứng Tác động hàm quá độ đối với tín hiệu đặt Hàm truyền kín của hệ sau khi chọn bộ điều chỉnh : Wk * ( s ) = 1 1+2Tb s+2Tb 2s2 (2.48) 13 ξ= 1 2 = 0,707... s + 1 1 Wh ( s ) + 1 b 1+ 2T bs (1 +T 1s ) Thay số vào ta có : WK ( s ) = 1 1 = 0,0000 218 s 2 + 0.0066s + 1 2( 0.0033) s + 2.0,0033s + 1 2 2 1 W ( s ) γ β mD 1 0,0253 1   → Wdt ( s ) =   0,003352s 0,0067  0,0066s +1  0 ,067 Ta có Wdt ( s ) = WK ( s ) 0,00253 = (0,0066s + 1) .0,00352s 0, 718 = (0,0066s + 1) .s = 15 Do bộ điều khiển được xác định là khâu PI  1  Wdc ( s ) = K 1 +  Ts  i  