1 Bài tập lớn Điều khiển số LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần cơng nghệ thơng tin có bước phát triển nhảy vọt, đặc biệt đời máy tính tạo cho xã hội bước phát triển mới, ảnh hưởng đến hầu hết vấn đề xã hội công nghiệp Hồ với phát triển đó, ngày nhiều nhà sản xuất ứng dụng các họ vi xử lý có tính mạnh vào công nghiệp, việc điều khiển xử lý liệu Những hạn chế kỹ thuật tương tự trôi thông số, làm việc cố định dài hạn, khó khăn việc thực chức điều khiển phức tạp thúc đẩy việc chuyển nhanh cơng nghệ số Ngồi điều khiển số cịn cho phép tiết kiệm linh kiện phần cứng, cho phép têu chuẩn hoá Với vi xử lý, cấu trúc phần cứng dùng cho ứng dụng, cần thay mội dung ô nhớ Tuy nhiên kỹ thuật số có nhược điểm xử lý tín hiệu rời rạc , đồng thời tín hiệu tương tự có ưu điểm mà kỹ thuật số khơng có tác động nhanh liên tục Vì ngày xu hướng điều khiển phối hợp điều khển số điều khiển tương tự Để nắm vững kiến thức học việc nghiên cứu cần thiết sinh viên Đồ án môn học Điều khiển số giúp cho em biết thêm dược nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm Nhân em xin cảm ơn nhiều đến thầy giáo Phạm Công Ngô tận tình hướng dẫn bảo em để làm Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số CHƯƠNG SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG Cơng nghiệp hóa - Hiện đại hoá mục tiêu số đất nước ta đường lên cường quốc khu vực giới Kỷ nguyên điện tử tin học phát triên mạnh mẽ toàn giới, ứng dụng thành tựu lĩnh vực công nghiệp đặc biệt truyền động điện công nghiệp quan trọng, cần thiết Với khối lượng tình tốn tốn cơng nghiệp tương đối lớn, ngày công việc nặng nề phức tạp Ngày với vi xử lý, vi điều khiển, tốc độ cao hoàn toàn thoả mãn yêu cầu đặt với đòi hỏi Và tạo bước đột phá lĩnh vực điều khiển tự động, lĩnh vực điều khiển số Mơ hình hệ thống điêù khiển số : A/D Vi xử lí DIGITAL D/A Đối tượng ĐK Khối đo phản hồi A/D : (Analog / Digital ) biến đổi tương tự số D/A : (Digital / Analog) biến đổi số tương tự Tín hiệu vào đối tượng điều khiển tín hiệu liên tục, cịn tín hiệu vào máy tính tín hiệu số Trên sở sơ đồ khối hệ thống điều khiển số xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển động xoay chiều ba pha sau: Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số Cổng Khuếch đại nguồn Đối tượng Cổng vào Tiền khuếch đại Cảm biến PC Đây sơ đồ khối mà hệ thống điều khiển khơng thể thiếu Nhưng đứng trước địi hỏi hệ thống xoay chiều ba pha, yêu cầu chất lượng hệ thống mà kỹ sư cần cân nhắc phương án điều khiển, tìm phương án tối ưu, thoả mãn toán kinh tế, với yêu cầu mà hệ thống đòi hỏi Nhưng tất người kỹ sư cần đặt tính kỹ thuật kinh tế lên hàng đầu Trong lĩnh vực truyền động điện mức xác tốc độ động định tất chất lượng hệ thống Chính vậy, xây dựng phương án điều khiển cho loại động phù hợp với hệ thống cần đặt lên hàng đầu Trong hệ truyền động điện xoay chiều động thường sử dụng gồm hai loại : động đồng động khơng đồng bộ, động khơng đồng ứng dụng nhiều nhất, động đồng sử dụng,nó thường dùng số ứng dụng đặc biệt Trong động xoay chiều không đồng chia làm hai loại : động xoay chiều không đồng roto dây quấn động xoay chiều khơng đồng roto lồng sóc Trước hệ truyền động điện xoay chiều, người thiết kế thường sử dụng động xoay chiều roto dây quấn yêu cầu vượt trội yêu cầu điều chỉnh tốc độ.Tuy nhiên ngày loại roto lồng sóc chiếm ưu tuyệt đối thị trường Vì lý đơn giản dễ chế tạo, khơng cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ Qch Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số Và phát triển vũ boã kỹ thuật vi điện tử, với giá thành ngày hạ, cho phép thực thành công kỹ thuật điều khiển phức tạp loại roto lồng sóc Các phương án xây dựng sơ đồ điêù khiển hệ thống : 1.1 Điều chỉnh điện áp đặt vào Stato động : Xuất phát từ phương trình đặc tính : M= (U ' f ) R ' R' ¦ ω [( R1 + ) + X nm ] s s Ta có : Với tần số tốc độ động khơng đổi mơ men động khơng đổi mơ men roto M r tỷ lệ với bình phương điện áp stato Nếu phương trình đặc tính phụ tải có dạng : M c = M cdm ( ω x ω ) = M cdm ( ) x ω cdm ω0 điều có nghĩa động có độ trượt định mức nhỏ, lúc tổn thất điều chỉnh : ω ΔP = Mcdm (ω r ) x ω (1 − ω ) ω0 Giá trị cực đại tổn thất công suất : ΔPr max = M cdm ω o ≈ Pdm Như ta có : ΔPr ω ω = ( ) x (1 − ) ΔPr max ω0 ω0 Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số Việc điều chỉnh điện áp stato khơng thể triệt để đặc tính điều chỉnh qua điểm không tải lý tưởng, tổn thất công suất trượt động tăng lên tốc độ quay roto : ΔPr = M c (ω − ω ) = Pco s 1− s Truyền động không đồng điều chỉnh điện áp stato thích hợp với loại tải có mơ men hàm tăng tốc độ 1.2.Điều chỉnh điện trở đặt vào roto động : Xuất phát từ phương trình đặc tính : 3.(U ' f ) R' M = R' ω [( R1 + ) + X nm ].s s Từ phương trình ta thấy giữ giá trị điện áp, tần số động không đổi thay đổi điện trở mạch roto (điện trở R' )thì đặc tính động biến đổi theo Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch roto, thực q trình điều chỉnh thơng số mạch điện roto động cơ, giá trị điện trở tổng mạch roto gồm có R = Rroto + R p Khi tăng giá trị điện trở tổng R, hệ số trượt tới hạn sth ' tăng cịn mơ men tới hạn động giữ không đổi Việc thay đổi giá trị tổng trở roto thực theo phương pháp : Sử dụng biến trở điều chỉnh đơn giản tay mạch roto : Cách có ưu điểm việc điều chỉnh giá trị điện trở đơn giản lại có nhựơc điểm lớn : độ xác điều chỉnh thấp gây tổn hao lớn Cách không ứng dụng hệ truyền động địi hỏi độ xác u cầu kinh tế cao Sử dụng mạch chỉnh lưu - mạch xung điện trở : Trong thay sử dụng biến trở điều chỉnh tay trên, người ta sử dụng mạch chỉnh lưu với xung điện áp có độ rộng tay đổi theo thịi gian chu kỳ (mạch băm xung) để thực việc đóng mở điện trở R p mạch roto Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số Khi xung điện áp đóng (trong khoảng thời gian t ), điện trở Rp nối vào mạch roto tổng trở mạch roto : R = Rroto + R p Sau khoảng thời gian t xung điện áp mở (trong khoảng thời gian t ), điện trở R p gắt khỏi mạch roto Điện trở tổng lúc điện trở mạch roto Rroto Như ta có chu kỳ T=t +t giá trị tổng trở trung bình roto : Rtr = Rroto + t1 t1 + t Từ biểu thức ta thấy thay đổi độ rộng xung (thay đổi t ),điện trở mạch roto thay đổi tốc độ động biến đổi theo Phương pháp điều chỉnh gọi “ phương pháp điều chỉnh xung điện trở ”.Nó có ưu điểm điều chỉnh cách xác, dễ dàng, tổn hao cơng suất khả tự động hố cao.Tuy có mặt hạn chế sơ đồ mạch chỉnh lưu dễ bị ảnh hưởng hiễu bên ngồi 1.3.Phương pháp điều chỉnh cơng suất trượt hệ nối tầng điện đồng : Khi điều chỉnh tốc độ hệ nối tầng vừa điều chỉnh cơng suất trượt vừa điều chỉnh đựơc tốc độ động cơ.Nội dung phương pháp điều chỉnh dựa nguyên lý điều chỉnh công suất trượt động Nguyên lý thường áp dụng cho truyền động công suất lớn việc tiết kiện có ý nghĩa lớn Phạm vi điều chỉnh tốc độ động không lớn mô men động giảm tốc độ thấp Do có sử dụng nghịch lưu phụ thuộc nên tính tốn,thiết kế cần để ý tới giới hạn hai đầu góc điều khiển nghịch lưu β β max Ngoài ra, hệ thống công suất lớn vấn đề khởi động động quan trọng.Trong thực tế thường sử dụng điện trở phụ chất lỏng để khởi động động đến vùng tốc độ làm việc sau chuyển sang chế độ điều chỉnh cơng suất trượt.Vì nên áp dụng hệ thống cho truyền động có số lần khởi động, dừng may đảo chiều 1.4 Phương pháp điều chỉnh tần số động : Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều có yêu cầu cao giải điều chỉnh tính chất động Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số học có thẻ thực với biến tần Các hệ sử dụng động khơng đồng chủ yếu roto lồng sóc.Nhược điểm hệ thống điều khiển phức tạp Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật kinh tế mà ta xác định cấu trúc hệ điều khiển biến tần - động cơ, theo chia thành biến đổi sau *Biến tần trực tiếp : Là biến tần có tần số đầu nhỏ tần số lưới f : f=(0 ÷ 5) f Loại thường dùng cho truyền động có cơng suất lớn Biến tần gián tiếp nguồn áp : Thường dùng cho truyền động nhiều động cơ.Đối với biến tần nguồn áp yêu cầu chất lượng điện áp cao thường dùng biến tần có điều chế độ rộng xung Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn dịng : Thích hợp cho truyền động đảo chiều,công suất động truyền động lớn Đối với động roto lồng sóc, để thực điều chỉnh tốc độ thường dùng phương pháp biến đổi tần số kết hợp với việc biến đổi điện áp ( sử dụng biến tần ) Chính việc lựa chọn phương án thiết kế hệ điều chỉnh cho động cần phải nghiên cứu, phân tích tính tốn phương pháp điều chỉnh hệ biến tần - động roto lồng sóc Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật thúc đẩy tồn cơng nghiệp phát triển biến đổi sâu sắc.Những mặt hạn chế trước giải hoàn thiện cách toàn diện.Ngày nói tới xây dựng hệ thống kỹ thuật, bên cạnh vấn đề kinh tế, kỹ thuật vấn đề tối ưu hố q trình cơng nghệ đóng vai trị hêt sức quan trọng Trong nhiều năm phát triển khoa học kỹ thuật nói chung nghành truyền động nói riêng, thành tựu đạt lớn.Sự kết hợp ngày hoàn hảo, sâu sắc điện điện tử tạo nên đột phá vè công nghệ truyền động đại.Bên cạnh phát triển mạnh mẽ hệ truyền động chiều, xuất biến tần khiến cho hệ truyền động xoay chiều phát triển ngày mạnh chiếm ưu hầu hết hệ truyền động đại Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số Hiện hệ truyền động xoay chiều, việc ứng dụng thiết bị biến tần kết hợp với động roto lồng sóc tạo nên bước đột phá cho hai yếu tố kỹ thuật kinh tế.Hầu hết hệ thống truyền động xoay chiều sử dụng động roto lồng sóc liền với biến tần ưu vượt trội so với hệ khác Đối với yêu cầu xây dựng biến tần cho hệ điều khiển truyền động điện, thực tế có nhiều gải pháp khác nhau.Nhưng nhìn chung ta xếp biên tần vào hai nhóm :nhóm biến tần điều khỉên tín hiệu tương tự (Analog Control) nhóm biến tần điều khiển tín hiệu số (Digital Control) Đối với nhóm thứ biến tần xây dựng dựa tảng kỹ thuật vững sẵn có cơng nghệ điện, điện tử - điện tử công suất phương pháp điều khiển tương tự Nhóm phát triển ứng dụng hầu hết hệ truyền động trước số nay.Cịn nhóm thứ hai hướng phát triển nhằm khai thác mạnh công nghệ vi điện tử, đặt tảng cho hướng phát triển Ngày việc xây dựng phát triển cơng nghệ thơng tin vào q trình sản xuất xu tất yếu Nó tảng cơng nghệ tương lai tồn cơng nghiệp nói chung nghành cơng nghệ cao nói riêng.Sự xuất ngày nhiều thiết bị điều khiển cơng nghiệp tích hợp máy tính chứng minh điều Hiện nay, hầu hết nhà sản xuất hệ thống điều khiển công nghiệp giới tập chung sâu vào xu hướng phát triển xây dựng hệ thống, dựa tảng máy tính Và theo phát triển cơng nghệ vi xử lý mà hạt nhân chình μ P Từ phân tích trên, vào thực tế phát triển công nghệ nói chung nghành truyền động nói riêng, đồ án chúng em lựa chọn phương án xây dựng biến tần cho hệ truyền động điện xoay chiều ba pha.Việc điều khiển tốc độ mô men động địi hỏi phải thiếtkế xác dáp ứng cơng nghệ cao liền với chi phí tăng Việc sử dụng động xoay chiều lĩnh vực : Truyền động xe kéo, điều khiển công suất, hệ thống thông gió - điều nhiệt ngày phổ biến Sự gia tăng không ngừng ứng dụng động xduay chiều thực tế phần lờn bắt nguồn từ đặc điểm bật :thiết Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số kế tin cậy, khả sinh mô men lớn, dải tốc độ hoạt động rộng.Mặc dù việc thiết kế hệ điều khiển cho động xoay chiều phức tạp chi phí cao so với động chiều, nhờ phát triển mạnh công nghệ điều khiển số kỹ thuật mạch điện tử tích hợp, làm giảm đáng kể mức độ phức tạp chi phí q trình thết kế, xây dựng phần cứng hệ điều khiển Chính mà động điện xoay chiều ngày đựoc ứng dụng nhiều hệ thống điều khiển tốc độ Tuy bên cạnh cải tiến trên, tính phức tạp hệ thống cản trở lớn cho hệ điều khiển tốc độ sử dụng động xoay chiều.Do hệ thống có nhiều chức phải thực : Hệ thống phải biến đổi tín hiệu chiều từ nguồn thành tín hiệu xoay chiều, phải thực điều khiển đồng thời hai tham số : điện áp – tần số tín hiệu xoay chiều Mặc dù cơng nghệ điều khiển chuyển phần lớn chức dó cho phần mềm thực thiêt bị phần cứng điện tử giữ vai trò chủ đạo chúng giải tất giới hạn mà phần mềm không giải Trong thực tế động điện xoay chiều có hai phương pháp điều khiển tốc độ : phương pháp điều khiển vectơ phương pháp điều khiển vectơ không gian Phương pháp điều khiển véc tơ không gian sử dụng xây dựng thuật toán biến tần Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 10 Bài tập lớn Điều khiển số CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA *1 Sơ đồ ghép phối vào ra: Sơ đồ nguyên lý : Đệm liệu Bộ đếm xung & mã hoá Giải mã địa Chốt liệu Vi xử lý Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 D/A Biến tần 20 Bài tập lớn Điều khiển số (-) ENCORDER Sơ đồ mô : U (t ) 65 0.002 p = (-) z −1 ⎧ ξ ⎨ z ⎩ w = z −1 1+ ξ z 0.1 p + w bt w dc ⎫ ⎬ p ⎭ ⎧ w bt w dc ⎫ ⎨ ⎬ p ⎩ ⎭ ⎫ z −1 ⎧ 65 ξ ⎨ ⎬ z ⎩ p ( 002 p + 1)( p + 1) ⎭ w = ⎫ z −1 ⎧ 65 1+ ξ ⎨ ⎬ z ⎩ p ( 002 p + 1)( p + 1) ⎭ w= z − ⎧ 390 1.95 48.75 ⎫ ξ ⎨ + − ⎬ z 0.02 p + 0.1 p + 1⎭ ⎩ p 1+ z − ⎧ 390 1.95 48.75 ⎫ + − ξ ⎨ ⎬ z 0.02 p + 0.1 p + ⎭ ⎩ p Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 Y(t ) Bài tập lớn Điều khiển số z − ⎛ 390 z 97 z 487 z ⎞ + − ⎜ ⎟ z ⎝ z − z − 7788 z − 95 ⎠ w= z − ⎛ 390 z 97 z 487 z ⎞ + − 1+ ⎜ ⎟ z ⎝ z − z − 7788 z − 95 ⎠ w = w= w= 390 97 487 ⎞ + − ⎟ z − 95 ⎠ ⎝ z − z − 7788 97 487 ⎞ ⎛ 390 + ( z − )⎜ + − ⎟ z − 95 ⎠ ⎝ z − z − 7788 ( z − )⎛ ⎜ (z −1)(2.808z +1.5054 ) (z −1)(z −0.7788 z −0.95) +(z −1)(2.808z +1.5054 )( ) 2.808 z + 1.5054 (z − 0.7788 )(z − 0.95 ) + ( 2.808 z + 1.5054 ) Vậy hàm truyền hệ thống có dạng sau : w = 808 z + 5054 z + 0792 z + 245 Từ hàm truyền hệ thống ta có phương trình trạng thái : ⎡X1[k+1] ⎤ ⎡ ⎤ ⎡X1[k] ⎤ ⎡0⎤ =⎢ ⎥ ⎢ ⎥.⎢ ⎥ + ⎢ ⎥.U[k] ⎢X2[k+1] ⎥ ⎣−2.245 −1.0792 ⎢X2[k] ⎥ ⎣1⎦ ⎦⎣ ⎦ ⎦ ⎣ ⎡ X 1[k ] ⎤ ⎡0⎤ Y[k ] = [1.5054 2.808].⎢ U + X [k ] ⎥ ⎢ ⎥ [k ] ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ • Xét ổn định hệ thống Từ hàm truyền : w = 808 z + 5054 z + 0792 z + 245 Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 21 Bài tập lớn Điều khiển số Ta có phương trình đặc tính sau : z + 0792 z + 245 = Ta tìm nghiệm phương trình bậc hai : z1 = − 1.0792+ 2.79 j z2 = − 0792 + 79 j Vậy rõ ràng độ lớn : z 1,2 > ⇒ Hệ thống không ổn định Quá trình độ hệ thống : w= Y 808 z + 5054 = [z ] z + 0792 z + 245 x [z ] Sơ kiện đầu không Y[K+2] = −1.0792 [K+1] − 2.245Y[K] + 2.808 [K+1] +1.5054 [K] Y U U Kết MATLAB: » g=tf(390,[0.002 0.1 0]) Transfer function: 390 -0.002 s^3 + 0.1 s^2 + s » g1=c2d(g,0.005) Transfer function: 0.003818 z^2 + 0.01436 z + 0.00337 Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 22 23 Bài tập lớn Điều khiển số z^3 - 2.768 z^2 + 2.547 z - 0.7788 Sampling time: 0.005 » f=feedback(g1,1) Transfer function: 0.003818 z^2 + 0.01436 z + 0.00337 z^3 - 2.764 z^2 + 2.561 z - 0.7754 Sampling time: 0.005 » step(f,10) Quá trình độ hệ thống : Step Response From: U(1)System: f Amplitude: -8.12e+062 Time (sec.): 9.94 x 10 63 A mp To: Y(1 Quách Kỳ Lân litu ) deĐiều khiển tự động -2 2- K43 Bài tập lớn Điều khiển số /***************************************************/ /* QUA DO HE THONG DIEU KHIEN DONG CO DIEN XOAY CHIEU BA PHA */ /***************************************************************/ #include #include #include #include main() { int d,g,n; float t,u ; float y[640]; cout(&t); d=DETECT; initgraph(&d,&m); setbkcolor(0); setfillstyle(CLOSE_DOT_FILL,BROWN): bar(200,20,400,50); setcolor(15); rectangle(199,18,401,51); setfillstyle(LOSE_DOT_FILL,3); bar(3,3,636,476); outtextxy(235,22,"VE DO THI "); outtextxy(180,50,"DUNG PHUONG PHAP TURSIN "); outtextxy(225,70,"NGON NGU C++ "); setcolor(4); setlinestle(0,0,3); rectangle(0,0,639,479); Quách Kỳ Lân Điều khiển tự động 2- K43 24 25 Bài tập lớn Điều khiển số setcolor(6); moveto(4,476); u=1; y[0]=0; y[1]=0; for(k=2;k