Luận văn Nghiên Cứu Điều Khiển Chuyển Động Vị Trí Để Ứng Dụng Điều Khiển Cánh Hướng Van Trong Hệ Thống Điều Khiển Gió Nhà Máy Nhiệt Điện.doc,các bạn có thể tham khảo thêm nhiều tài liệu và luận văn ,bài mẫu điểm cao tại teamluanvan.com
30 ĐỀ PHÁT TRIỂN THEO CẤU TRÚC ĐỀ MINH HỌA BGD NGÀY 22-3-2024 KỲ THI TỐT NGHI...
Nghiên Cứu Điều Khiển Chuyển Động Vị Trí Để Ứng Dụng Điều Khiển Cánh Hướng Van Trong Hệ Thống Điều Khiển Gió Nhà Máy Nhiệt Điện.doc
1. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ TRANG NHUNG
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
THÁI NGUYÊN, 2017
1
2. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Trang Nhung
Sinh ngày: 23 tháng 02 năm 1990
Học viên lớp CHK17 – KTĐK&TĐH, Trường Đại học kỹ thuật công
nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Trang Nhung
2
3. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Võ Quang Lạp đã
tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ thuật
Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi có một môi trường học tập và
nghiên cứu tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên
luận văn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ
hội đồng bảo vệ, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn
thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Trang Nhung
3
4. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7
MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
11
ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT
1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí 11
1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí 14
1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính 14
1.2.1.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí 14
1.2.1.2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính 15
1.2.1.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17
1.2.1.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế 19
1.2.2. Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám 20
1.2.2.1. Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t) 21
1.2.2.2. Phương pháp bù nhiễu 22
1.3. Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh
hướng van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện 24
1.3.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện 24
1.3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 25
1.3.1.2. Phân tích và chọn hệ truyền động 26
4
5. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ
MỞ CÁNH HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí
2.2. Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC
2.2.1. Động cơ điện ĐB – KTVC
2.2.1.1. Nguyên lý làm việc
2.2.1.2. Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian
2.2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC
2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ
ĐB_KTVC
2.3. Tổng hợp hệ thống
2.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
2.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ
2.3.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện
ĐB_KTVC
2.3.4. Mô phỏng hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC
2.3.4.1. Sơ đồ mô phỏng
2.2.4.2. Kết quả mô phỏng
2.3.4.3. Nhận xét
2.4. Mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng van và sự ổn định của nó
2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch vòng vị trí
2.4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí
2.4.3. Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động van
cánh hướng khi dùng bộ điều khiển PID
2.4.3.1. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ
ĐB_KTVC
2.4.3.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính
2.3.2.2. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng
5
31
31
31
31
31
32
39
42
43
45
47
48
50
50
50
51
52
52
52
54
54
54
58
6. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
CHƯƠNG 3: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH
HƯỚNG VAN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN
3.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt
3.1.1. Nguyên lý điều khiển trượt
3.1.2. Phương pháp điều khiển trượt
3.1.3. Thiết kế luật điều khiển trượt
3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định bền vững
3.1.5. Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bền vững
3.1.6. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt
3.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí
3.2.1. Các bước xây dựng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí
3.2.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt
3.2.3. Nhận xét và kết luận
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
6
59
59
59
61
65
65
70
71
72
72
74
77
78
79
80
7. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BĐK: Bộ điều khiển
ĐB_KTVC: Động cơ điện đồng bộ - kích từ vĩnh cửu.
P: Bộ điều chỉnh tỷ lệ.
I: Bộ điều chỉnh tích phân.
D: Bộ điều chỉnh vi phân.
PID: Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân.
CPU: Bộ xử lý trung tâm.
βI : Phản hồi âm dòng điện.
γn : Phản hồi tốc độ.
Ucđ : Điện áp chủ đạo.
Uđk : Điện áp điều khiển.
Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.
T : Thời gian chu kỳ điện áp ra.
Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi động cơ ĐB_KTVC.
Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.
Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ.
TBI : Hằng số thời gian máy biến dòng.
KBI : Hệ số phản hồi dòng điện.
T : Hằng số thời gian của khâu cảm biến vị trí.
KT
: Hệ số phản hồi vị trí.
1 PT
T
Tu : Hằng số thời gian điện từ của động cơ.
Ti : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện.
7
8. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
(hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị ...)
Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) 12
Hình 1.2. Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối
của sai lệch (ITAE) 13
Hình 1.3. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí 15
Hình 1.4. Quan hệ giữa và ω 16
Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 17
Hình 1.6. Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 18
Hình 1.7. Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều
chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian 19
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t) 21
Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù nhiễu 22
Hình 1.10. Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn 23
Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 24
Hình 1.12. Các vị trí của cánh hướng 26
Hình 1.13. Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng 28
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van 31
Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha 32
Hình 2.4. Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha 34
Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các
phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định 35
Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ 36
Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor, còn gọi
là hệ tọa độ dq 37
Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC 39
Hình 2.9. Đồ thị véc tơ động cơ đồng bộ 40
Hình 2.10. Đồ thị vectơ của SPM với điều khiển giảm từ thông dòng stato
không đổi 40
Hình 2.11. Đặc tính momen khi giảm từ thông dòng điện stato không đổi 42
8
9. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động động cơ ĐB_KTVC 43
Hình 2.13.Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống truyền động điện sử dụng biến
tần và động cơ ĐB_KTVC 45
Hình 2.14.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện 46
Hình 2.15.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 47
Hình 2.16. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48
Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động biến tần
động cơ điện ĐB_KTVC 49
Hình 2.18: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 50
Hình 2.19: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện 51
Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí truyến tính 52
Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng vị trí 53
Hình 2.22: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID 55
Hình 2.24: Mô phỏng PID với Ud= 15V 57
Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng
phương pháp mặt phẳng pha 62
Hình 3.2: Giải thích hiện tượng trượt (sliding) 64
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của e và e' 65
Hình 3.4. Minh họa định lý 1 67
Hình 3.5: Hàm thuộc với 5 tập 73
Hình 3.6: Luật hợp thành 74
Hình 3.7: Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 74
Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ trượt 75
Hình 3.9: Mô phỏng mờ trượt với Ud=10V 76
Hình 3.10: Mô phỏng mờ trượt với Ud=15V 77
9
10. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển chuyển động vị trí có một ý nghĩa rất quan trọng đối với máy
sản xuất. Chất lượng náy sản xuất phụ thuộc rất nhiều vào điều khiển chuyển
dộng của các máy sản xuất này. Trong thực tế thường gặp rất nhiều sự điều
khiển chuyển động vị trí máy sản xuất, ví dụ như: điều khiển chuyển động máy
rô bốt, điều khiển chuyển động bàn máy CNC, điều khiển chuyển động các van
công nghiệp... Để nâng cao chất lượng máy sản xuất thì người ta thường nghiên
cứu các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ chuyển động này.
Đặc biệt, các chuyển động vị trí của các máy sản xuất thường là các khâu phi
tuyến. Cho nên việc tìm ra các phương pháp thích hợp để nâng cao chất lượng hệ
điều khiển chuyển dộng vị trí có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học và thực tiễn.
Với cách đặt vấn đề trên, đề tài luận văn được chọn: ”Nghiên cứu điều
khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong
hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện”.Việc nghiên cứu và giải quyết
thành công vấn đề mà đề tài nêu ra là một yêu cầu rất cần thiết, vừa phục vụ học
tập giảng dạy, vừa phục vụ thực tiễn sản xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu hoản chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí để từ đó
xây dựng một sơ đồ điều khiển vị trí cho máy sản xuất thích hợp. Để khảo sát và
đánh giá sơ bộ chất lượng thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển vị trí là tuyến
tính. Từ đó nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến thích hợp, như là
điều khiển mờ, mờ thích nghi, mờ trượt để chọn một phương pháp ứng dụng
nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động này với kết quả tính toán mô phỏng
bằng lý thuyết.
3. Dự kiến các kết quả đạt được
- Nghiên cứu hoàn chỉnh về lý thuyết điều khiển vị trí phục vụ cho hệ điều
khiển chuyển động. Đồng thời nghiên cứu các bộ điều khiển thông minh (phi
tuyến) để nâng cao chất lượng hệ.
- Chọn phương pháp tính toán và tổng hợp hệ đúng đắn nhằm đảm bảo
tính chính xác các thông số của các khâu, các khối và các bộ điều chỉnh. Trên cơ
10
11. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
sở đó tiến hành mô phỏng thành công để đánh giá chất lượng hệ bằng phần mềm
Matlab Simulink.
- Đề xuất ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều
khiển gió nhà máy nhiệt điện.
4. Nội dung luận văn
Chương 1: Tổng quan về điều khiển vị trí ứng dụng điều khiển máy sản xuất
Chương 2: Tính toán khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí ứng dụng cho hệ
điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện
Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng
cho hệ điều khiển độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện
11
12. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
ĐIỀU KHIỂN MÁY SẢN XUẤT
1.1. Ý nghĩa của điều khiển vị trí
Chất lượng sản phẩm được gia công trên máy sản xuất phụ thuộc rất nhiều
vào chuyển động của các máy sản xuất. Các chuyển động này có độ chuyển
động chính xác cao thì sản xuất ra chất lượng sản phẩm càng tốt. Các chuyển
động của máy có độ chính xác cao được đánh giá theo các tiêu chí sau: sai lệch
tĩnh nhỏ từ 3% - 5%, thời gian quá độ nhỏ (như thời gian khởi động, hãm dừng
máy,...), độ quá điều chỉnh nhỏ. Các chỉ tiêu này được đánh giá theo các tiêu
chuẩn
- Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
- Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của
sai lệch (ITAE)
- Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai
lệch (ITSE)
Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
Theo tiêu chuẩn ISE, chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích phân
sau đây
e2
(t)dt (1-1)
0
Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ
lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ
thống làm cho tích phân này cực tiểu.
12
13. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
R(t)
C(t) t
e(t)
t
e2
(t)
T t
t
T
e2
(t)dt
0
Hình 1.1.Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch
nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, thí dụ hệ
bậc hai. Một hệ thống được thiết kế tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban
đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém
ổn định. Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực
tiểu hoá tiêu thụ năng lượng.
Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị
tuyệt đối của sai lệch (ITAE)
Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm
cực tiểu tích phân sau đây
t.
0
e(t) dt (1-2)
Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau xuất
hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế
theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm
suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng
13
14. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
giải tích tích phân (1-2) là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm
một các dễ dàng.
C(t) R(t)
1,0
0,8 n=2
0,6 n=4
n=6
0,2
5 10 nt
Hình 1.2.Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị
tuyệt đối của sai lệch (ITAE)
Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương
hàm sai lệch (ITSE)
Trong tính toán thiết kế người ta còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của
tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE)
te2
(t)dt (1-3)
0
Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE.
Những máy công cụ trước đây để đảm bảo độ chính xác các chuyển động
máy sản xuất thì người ta chỉ giải quyết được độ chính xác của hệ truyền động
điện. Nhưng độ chính xác của máy sản xuất thì ngoài đảm bảo độ ổn định cao
của hệ truyền động điện thì các chuyển động trên máy sản xuất phụ thuộc sự
biến đổi của thông số máy sản xuất, ví dụ sự thay đổi thông số của hộp số biến
đổi tốc độ, thay đổi thông số trong quá trình gia công như tải trọng thay đổi, mô
men cắt gọt thay đổi...Như vậy với việc ổn định hệ truyền động điện thì chưa
đảm bảo được độ chính xác của các chuyển động trên may sản xuất. Vậy muốn
đảm bảo độ chính xác của các chuyển động của máy sản xuất thì cần thiết kế, 14
15. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
tính toán và khảo sát tốt mạch vòng phản hồi vị trí. Với những nhận xét về các
đối tượng chuyển động ở trên ta thấy rằng nếu các đối tượng này trong quá trình
làm việc không thay đổi thông số, không chịu tác động của nhiễu hay nói cách
khác đối tượng này trong quá trình làm việc là tuyến tính thì mạch vòng vị trí
được thiết kế với bộ điều khiển vị trí là tuyến tính, cụ thể thường dùng bộ điều
khiển tuyến tính là PID. Nhưng đối tượng máy sản xuất trong quá trình làm việc
có thông số thay đổi, chịu tác động của nhiễu thì mạch vòng điều khiển vị trí với
bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển phi tuyến. Trong trường hợp đối
tượng điều khiển phi tuyến ít, ví dụ chỉ thông số hộp giảm tốc thay đổi... thì việc
thiết kế mạch vòng điều khiển vị trí bước đầu tiên là chọn sơ bộ bằng bộ điều
khiển PID tuyến tính. Sau khi đánh giá chất lượng các chuyên động ta có thể bù
các sai số này bằng những bộ điều khiển phi tuyến. Việc thiết kế cho phương
pháp này dễ dàng và thực tế người ta hay dùng nhằm nâng cao chất lượng của
hệ. Từ những lý luận trên ta thấy điều khiển vị trí có trong chuyển động của máy
sản xuất.
1.2. Một số vấn đề trong điều khiển vị trí
1.2.1. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính
1.2.1.1. Nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí
Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy,
người máy,... Tuỳ thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải
rộng từ vài chục W đến hàng trăm kW.
Trong hệ điều khiển vị trí đại lượng điều khiển (lượng đặtw ) có ý nghĩa
quan trọng quyết định cấu trúc điều khiển hệ. Thông thường lượng điều khiển
w là một hàn của thời gian, có thể là một hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hoặc
tuyến tính từng đoạn theo thời gian, hàm parabol và hàm điều hoà.
Tuỳ thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí
cho cơ cấu chuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ
tuỳ động).
15
16. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Sơ đồ hệ điều khiển vị trí được xây dựng như sau:
w
(-)
1 2
3
Hình 1.3. Sơ đồ hệ điều khiển vị trí
Trong đó:
Khối 1: Bộ điều khiển vị trí
Khối 2: Hệ truyền động điện ổn định tốc độ
Khối 3: Đối tượng điều khiển chuyển động của máy sản xuất
Đối với khối 1 nếu đối tượng là tuyến tính thì bộ điều khiển là tuyến tính.
Trong luận văn này đối tượng điều khiển là van thì xem đối tượng sản xuất
thông thường là khâu quán tính bậc 1, để đơn giản chúng ta xem là khâu tỷ lệ,
chủ yếu là phụ thuộc vào hộp giảm tốc. Cụ thể lượng ra của động cơ là tốc độ
điện ( ) và lượng ra của chuyển động là tốc độ dài ( ).
Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ
chính xác tĩnh nẵm trong giới hạn cho phép.
1.2.1.2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính
Trong phần I.2.1.1, ta nói hệ điều khiển là tuyến tính nhưng quan hệ giữa
tốc độ góc của khối 2 và lượng ra là tốc độ dài khối 3 sẽ là quan hệ phi tuyến.
Quan hệ này được xem xét sau đây:
Ta xét quá trình hãm: Khi bắt đầu hãm, tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi
xấp xỉ nhau, nghĩa là:
(12 ).Rh (2-1)
h
- quãng đường hãm:
h
=
2
.
1
h - vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm.
Quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức:
16
17. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
h m ax
1 2
.r
m ax
2
h m ax
Trong đóh m axlà gia tốc hãm cực đại cho trước.
Từ (2-1) và (2-2) ta có:
h m ax.Rhh 1 2
.r
m ax
2
h m ax
Khi chọn R
2.h m ax
2 .r
m ax
Quãng đường đi dược trong lúc hãm là:
(2-2)
(2-3)
(2-4)
2.h m ax
2 .r
h
Khi tổng hợp mạch vòng vị trí R , ta đã chọn được hàm
PD với hệ số khuếch đại const nhưng quan hệ tĩnh f ()
hãm (công thức 2-4) được thể hiện trên hình 2.1.
(2-5)
truyền đạt kiểu
trong quá trình
3
2
1
1
2
3
2
'
0 32 1
Hình 1.4. Quan hệ giữa và ω
Như vậy khi càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R càng lớn
để đạt được tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu
cầu.
17
18. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Ta thấy hệ f () là phi tuyến và việc chọn R chỉ chứa hệ số khuếch
đại const là không hợp lý. Để bù sai lệch cho hệ phi tuyến này ta có thể dùng
bộ điều khiển phi tuyến như mờ, mờ thích nghi, mờ trượt,... hoặc kết hợp bộ
điều khiển tuyến tính để nâng cao chất lượng của hệ.
1.2.1.3. Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu điều khiển vị trí tối ưu theo thời
gian với thiết bị tương tự (analog)
Nhiệm vụ của hệ là phải đảm bảo thời gian ngắn nhất khi chuyển trạng
thái đầu sang trạng thái ổn định khác. Hệ thống điều chỉnh thực tế được mô tả
bởi hệ phương trình vi phân cấp cao.
Nhưng khi ta lập cấu trúc nhiều mạch vòng và tổng hợp theo phương pháp
mô đun tối ưu hoặc mô đun đối xứng sao cho hàm truyền của đối tượng điều
chỉnh là hai khâu tích phân. Như vậy quỹ đạo pha của nó là parabol và cấu trúc
của hệ như sau:
Hình 1.5. Sơ đồ khối điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
Phương trình đối với tốc độ và vị trí là:
Cm axt (2-6)
1 C t2
o
2 m ax
o là vị trí ban đầu. Phương trình đối với lượng đặt tốc độ được giải từ (2-6)
w 2
M
Jd
18
Sign() (2-7)
19. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Ở đâyd Cdientu là mô men hãm. Hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí
ở đây là phi tuyến, thực hiện bằng phần tử căn bậc hai của sai lệch với hạn chế
lượng đặt tốc độ và hàm dấu của sai lệch. Tùy theo sai lệch vị trí mà bộ điều
chỉnh sẽ đưa lệnh hãm. Mô men điện từ của động cơ được tính bằng:
dt m axSign(w) (2-8)
Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh hai vị trí. Nếu không có tác
động nhiễu loạn và C=1 thì:
ddtm a x J
d
(2-9)
dt
Lúc đó:
n 2
m ax
Sign() (2-10)
J
Quá trình hãm xảy ra trong thời gian ngắn nhất với điều kiệno 0 và
o 0 . Khi đặt một lượngw hệ sẽ có gia tốc vớim ax , tốc độ tăng tuyến tính
theo thời gian và theo bậc hai của sai lệch vị trí cho đến khi sai lệch tốc độ
về không0 . Nếu nh ư lúc đó , hệ bắt đầu hãm tại điểm A. Nếu hạn
chế sai lệch vị trí thì sai lệch tốc độ vẫn giữ bằng không 0 (đoạn BC) cho
đến khi đạt được tới tốc độ hạn chế hệ chuyển sang quĩ đạo pha hãm tại điểm C.
m ax
C B
A
0
m ax
Hình 1.6. Quĩ đạo pha của điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian
19
m ax
20. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
φ ε ω
D
ε
0
ω
φ
t
Tại điểm D hệ bắt đầu hãm
a) Ứng với
φ ε ω
E ω φ
ε
t
0
Ứng với đoạn BC (hình 1.6): Đoạn EF là không đổi, quá trình hãm xảy ra tại
điểm F
b) Ứng vớim ax và bị hạn chế
Hình 1.7. Diễn biến theo thời gian của các đại lượng φ, ε, ω trong hệ điều chỉnh
vị trí tối ưu theo thời gian
1.2.1.4. Các tính chất của hệ điều chỉnh vị trí trong thực tế
Khi nghiên cứu hệ điều chỉnh vị trí chúng ta đều dùng giả thiết không tính
đến ảnh hưởng nhiễu loạnc và ta códđt , thực tế điều đó không thực hiện
được, chính nhiễu loạn này sẽ ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính động của hệ.
a) Nếu như ta đặtdđt thì mômen hãm sẽ lớn hơn thực tế cần có.
20
F
m ax
21. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Truyền động sẽ hãm tại thời điểm muộn hơn rất nhiều và với mômen điện từ
nhỏ. Cho nên tốt hơn ta chọndđt tức là hệ được điều chỉnh với mômen hãm
nhỏ hơn thực tế cần có. Hãm sẽ xảy ra sớm hơn. Điều này dẫn đến dao động
mômen ở hai giá trịđt , như vậy sẽ làm thay đổi cực tính của sai lệch tốc
độw , những dao động này xảy ra trong thời gian ngắn gây nên hiện
tượng giật trong phần cơ truyền động. Vì vậy ta phải chọn bộ điều chỉnh tốc độ
R là ba vị trí thay cho hai vị trí, cụ thể là một khâu tỷ lệ có hạn chế. Nhưng đối
với bộ điều chỉnh R như vậy thì giá trị của mômen sẽ biến thiên liên tục trong
giới hạn (dt ,dt ) , kết quả là thời gian hãm trong trường hợpdđt sẽ lớn
hơn so với thời gian hãm tối ưu.
b) Khi hãm với mômen điện từ cực đại có thể làm cho bộ điều chỉnh bão
hòa khi sai lệch tốc độw nhỏ bằng cách chọn hệ số khuếch đại tỷ lệ
của bộ điều chỉnh lớn lên. Điều này sẽ làm cho đặc tính quá độ của hệ ở thời
điểm kết thúc quá trình bị dao động. Để dập tắt dao động này phải chỉnh định hệ
số khuếch đại của hệ điều chỉnh tốc độ và dòng điện.
c) Có sự sai lệch giữa hệ thực tế với lý thuyết là ở phần hệ số khuếch đại
của bộ điều chỉnh vị trí. Thực tế hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh R là hữu
hạn, nhưng về lý thuyết quĩ đạo pha parabol lại cần có hệ số khuếch đại ở tọa độ
đầu là vô cùng.
d) Ngoài ra trong điều chỉnh vị trí cần phải nghiên cứu cả ảnh hưởng
phần cơ truyền động. Thực tế tồn tại thành phần mômen ma sát khô. Thành phần
này gây quán tính chậm trễ quá trình động, đặc biệt chú ý ở cuối quá trình hãm
phải đảm bảodtms thi không gây dao động.
1.2.2. Hệ động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám
Yêu cầu hệ truyền động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám là:
đảm bảo cơ cấu dịch chuyển bám theo đại lượng điều khiển với sai lệch không
vượt quá giá trị cho phép. Thông thường trong chế độ bám, đại lượng điều khiển
biến thiên theo hàm điều hòa hoặc theo luật tùy ý không biết trước
21
22. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Trong hệ truyền động này, ta phải quan tâm tới sai lệch , nó quyết định
tới độ chính xác. Có hai yếu tố chính ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ.
- Quan hệ giữa đại lượng điều khiểnw và cấu trúc của hệ.
- Ảnh hưởng nhiễu loạn lên đại lượng .
Để giảm ảnh hưởng của nhiễu và tăng độ chính xác người ta thường dùng
các phương pháp sau:
- Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào
- Phương pháp bù nhiễu.
1.2.2.1. Phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào u(t)
Sơ đồ điều khiển vị trí dùng phương pháp bù sai lệch tác động đầu vào
như hình 1.8
U(p)
(-)
W1 ( p)
WB ( p)
Y(p)
W2 ( p)
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù tác động đầu vào u(t)
Trong đó WB ( p) là hàm truyền khâu bù
Hàm truyền của hệ thống:
Wk ( p)
Y ( p)
[W1 ( p)WB ( p)].
W 2 ( p)
(2-8)
U ( p) 1W1 ( p).W2 ( p)
Mong muốn với tín hiệu đặt vào u(t) thì hệ thống phải có đáp ứng Y(t)
trùng với U(t), tức là Y(t)U(t).
Điều đó chứng tỏ Wk ( p)1, hay:
[W1 ( p)WB ( p)].W 2 ( p)1W 1 ( p).W 2 ( p) (2-9)
Rút ra:
22
23. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
WB ( p)
1
(2-10)
W
2 ( p)
Nếu thực hiện được đẳng thức (2-10), hệ thức sẽ khử được sai lệch hệ
thống vì y(t)=u(t), đạt giá trị mong muốn.
1.2.2.2. Phương pháp bù nhiễu
Khái niệm về nhiễu: Các biến tác động vào quá trình khác với lượng vào
quá trình điều khiển chuyển động, có ảnh hưởng tới lượng ra của quá trình được
gọi là nhiễu, ví dụ như: mômen cản dao động hay tác động ngoại sinh, áp suất
ma sát thay đổi... Các bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ
nhiễu hoặc bổ sung những thay đổi điểm đặt.
Sơ đồ có nhiễu f(t) tác động. Ta mong muốn tín hiệu ra chịu ảnh hưởng
của f(t) ít nhất. Trong trường hợp f(t) 0 mà y(t) không hề phụ thuộc vào f(t), ta
nói rằng hệ thống bất biến với nhiễu.
Cho hệ thống (hình 1.9), từ nhiễu f(t) ta đưa thêm khâu bù có hàm truyền
WB ( p) . Hệ thống có hai tín hiệu vào: u(t) và f(t). Vì đây là hệ tuyến tính, ta áp
dụng nguyên lý cộng (hay xếp chồng), tín hiệu ra y(t) có hai thành phần
f(t)
U(t) (-)
WB ( p)
Y(t)
(-)
W1 ( p) W2 ( p)
W3 ( p)
Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ dùng phương pháp bù nhiễu
yu (t) khi có u(t) 0 và f(t) = 0:
Y u( p)
W1 ( p).W2 ( p)
.U ( p) (2-11)
W1 ( p).W2 ( p).W3
1 ( p)
yu (t) khi có f(t) 0 và u(t) = 0:
23
24. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
YF ( p)
[1W1 ( p).WB ( p)].W 2( p)
.F ( p) (2-12)
1W1 ( p).W2 ( p).W3 ( p)
Do đó:
Y ( p) = Y u( p) + YF ( p)
Y ( p)
W1 ( p).W2 ( p)
.U ( p)
[1W1 ( p).WB ( p)].W 2 ( p)
.F ( p) (2-13)
1W ( p).W ( p).W ( p) 1W ( p).W ( p).W ( p)
1 2 3 1 2 3
Từ (2-13) muốn y(t) không phụ thuộc vào f(t) mà chỉ phụ thuộc vào u(t)
thì hệ số của số hạng thứ 2 phải bằng không, tức là:
1W1 ( p).WB ( p) 0 (2-14)
Hay: WB ( p)
1
(2-15)
W1 ( p)
Đối với hệ vô sai với tác động phụ tải khi phụ tải biến thiên nhảy cấp.
Thực tế phụ tải biến đổi là hãm không xác định được trước. Vì vậy biện pháp để
khác phục ảnh hưởng của nhiễu loạn phụ tải là dùng cấu trúc bất biến đối với
nhiễu loạn phụ tải.
Uw
W
R
U
iu
W
KI
M c
-
W
cđ
W1
Wb
K
Tf p1
W2
U Mc
1.10. Cấu trúc hệ điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn
Trong đó:
24
25. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
WKI : Bộ điều khiển điện từ. Hàm số truyền của khâu điện từ (khâu
điện từ và bộ điều chỉnh dòng điện)
Wcđ : Hàm số truyền của khâu điện cơ của động cơ
WR : Bộ điều chỉnh tốc độ
K
: Hàm số truyền của máy phát tốc
Tf p1
I.3. Ứng dụng điều khiển chuyển động vị trí trong điều khiển cánh hướng
van cho hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện
I.3.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện
Hệ thống điều khiển gió là một hệ thống rất quan trọng ảnh hưởng trực
tiếp tới chất lượng hoạt động và hiệu suất của lò hơi. Trông hệ thống điều khiển
khói gió nói chung thì gió vào được điều khiển khá độc lập, tín hiệu điều khiển
chỉ phụ thuộc chính vào yêu cầu về nhiên liệu. Việc điều khiển lưu lượng gió
vào được thực hiện bằng cách điều khiển tốc độ quạt hút ổn định và độ mở cánh
hướng van bằng các cách sau:
Giữ nguyên tốc độ quạt hút và điều khiển độ mở cánh hướng van
Giữ độ mở cánh hướng van có độ mở cực đại rồi điều khiển tốc độ quạt hút
Điều khiển cả tốc độ quạt và độ mở cánh hướng của van
Trong ba cách điều khiển trên, cách điều khiển giữ nguyên tốc độ quạt hút và
điều khiển độ mở cánh hướng van được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống
điều khiển khói gió hiện nay.
Điều khiển bằng tay
Tín hiệu đặt U
*
phải trái Quay phải
X Điều khiển
động cơ
- Quay trái
f(x)
Điều khiển cánh hướng
Động cơ và cơ
cấu chuyển đổi
Phản hồi vị trí cánh hướng
Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng
van 25
26. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
1.3.1.1. Giới thiệu sơ đồ hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng van
Van điều khiển
Phần lớn van điều khiển công nghiệp được cấp nguồn khí nén, song một
số nguồn năng lượng khác như điện, điện từ hoặc thủy lực cũng có thể được sử
dụng. Ta có thể phân loại van dựa theo cơ chế truyền động như sau:
Van khí nén: Loại phổ biến nhất, truyền động khí nén sử dụng màng
chắn/lò xo hoặc piston. Tín hiệu đầu vào có thể là khí nén, dòng điện hoặc
tín hiệu số (bus trường). Nếu tín hiệu điều khiển là dòng điện, ta cần bộ
chuyển đổi dòng điện – khí nén (I/P) tích hợp bên trong hoặc tách riêng
bên ngoài.
Van điện: Cơ chế chấp hành sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước,
được điều khiển trực tiếp từ tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển, thông
thường là dòng điện tương tự 4-20 mA hoặc tín hiệu số. Van điện được sử
dụng trong những ứng dụng công suất nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao.
Van thủy lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng
chắn hoặc piston, bơm dầu được điều khiển bởi tín hiệu ra từ bộ điều
khiển. Van thủy lực được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn.
Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu và độ
chính xác kém, chỉ phù hợp với các bài toán đơn giản.
Van thủy lực Van khí nén Van điện
Cơ cấu điều khiển van cánh hướng thường sử dụng hệ thống khí nén hoặc
hệ thống điện. Trong luận văn này, van điều khiển được sử dụng là van điều
26
27. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
khiển điện. Điều khiển van cánh hướng sử dụng động cơ điện linh hoạt hơn
trong điều khiển vị trí vì có thể dừng bất cứ vị trí nào bằng cách điều khiền
nguồn cấp cho động cơ. Ngoài ra, sử dụng hệ thống điều khiển cánh hướng dùng
động cơ điện cũng thuận lợi hơn nhiều trong việc phối hợp cùng với các hệ
thống điều khiển khác trong hệ thống (Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống điện điều
khiển độ mở cánh hướng van).
Nguyên lý làm việc của van
Với mỗi một độ mở cánh hướng của van điều chỉnh được lưu lượng khói
gió đi qua. Cánh hướng gồm hai nửa liên kết với nhau bởi một bản lề ở chính
giữa, nên có thể quay đến gần 90o . Khi góc mở của cánh hướng giảm đi thì lưu
lượng gió qua nó sẽ giảm và ngược lại, ứng với mỗi góc mở như vậy thì gây ra
một trở lực chắn chống lại sự lưu thông của gió. Trở lực chắn này sẽ làm giảm
áp suất của dòng khói gió. Để đóng mở van ta điều chỉnh trong phạm vi từ 0 ÷
90o
.
Cánh hướng Đường ống
Gió
Trụ của cánh hướng
Vị trí mở hoàn toàn Vị trí đóng hoàn toàn
Hình 1.12. Các vị trí của cánh hướng
Tính chất của van
Đặc tính lưu lượng – độ mở của cánh hướng là phi tuyến. Ở vị trí cánh
hướng gần đóng hoàn toàn thì với một thay đổi nhỏ của góc mở cũng là nguyên
nhân gây ra sự thay đổi lớn ở đầu ra của quạt. Tương tự ở vị trí cánh hướng gần
như mở hoàn toàn thì một sự thay đổi lớn góc mở củ cánh hướng sẽ chỉ gây ra
ảnh hưởng nhỏ đến đầu ra của quạt. Trong trường hợp lý tưởng đặc tính của
cánh hướng là tuyến tính. Độ mở phần trăm của cánh hướng tỉ lệ với lưu ượng
gió qua van.
27
28. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Khi hệ gồm nhiều van cánh hướng, các cánh hướng được điều chỉnh có
cùng hướng quay và cùng độ mở. Đặc tính quan hệ giữa lưu lượng và độ mở van
cánh hướng tuyến tính hơn so với trường hợp sử dụng một van cánh hướng đơn.
Để điều khiển lưu lượng khói gió đặc tính mong muốn của quan hệ giữa
lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển là tuyến tính. Một phương pháp đơn
giản là sử dụng cơ cấu điều khiển cánh hướng của van dựa vào khớp nối và góc
quay gọi là hệ thống liên kết góc quay. Góc quay của cánh hướng van khi đó
phụ thuộc góc quay và kích thước của liên kết khớp nối của cơ cấu.
Quan hệ giữa lưu lượng khói gió và tín hiệu điều khiển góc mở cánh
hướng có thể là tuyến tính bằng cách thiết kế cơ cấu điều khiển và tín hiệu điều
khiển góc mở là tuyến tính. Với cách này đặc tính phi tuyến của lưu lượng qua
van cộng với đặc tính phi tuyến của vị trí cơ cấu điều khiển làm cho đặc tính
điều khiển của hệ là phi tuyến, góc quay của cánh hướng tỉ lệ thuận với độ lớn
tín hiệu điều khiển.
% Lưu lượng khối gió
100%
50%
Van cánh hướng đơn
0
0 50% 100%
Độ mở cánh hướng
%Lưu lượng khối gió
100%
50%
0 50% 100
Hệ nhiều van cánh hướng Độ mở cánh hướng
28
29. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất trung bình
Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất là lớn
Trở lực chắn của van khi % sụt áp suất là nhỏ
Hình 1.13. Đặc tính lưu lượng – độ mở van cánh hướng
Kết luận: Quá trình điều khiển van còn phụ thuộc lực cản (áp lực) trong
bình hệ thống. Để khảo sát đơn giản, trong quá trình làm việc ta giả thiết bỏ qua
lực cản (áp lực) trong bình.
Động cơ và cơ cấu chuyển đổi
- Hệ truyền động của động cơ phải ổn định tốc độ và thỏa mãn yêu cầu
truyền động cho van. Có như vậy mới đảm bảo mạch vòng vị trí là ổn định.
- Cơ cấu chuyển đổi: từ tốc độ góc chuyển đổi sang tốc độ dài. Trong hệ
thống này dùng bánh vít (trục vít) thông qua một hộp chuyển đổi tốc độ.
Phản hồi vị trí cánh hướng f(x)
Phản hồi vị trí cánh hướng là một sensor đo vị trí. Một số loại sensor
thông dụng dùng để xác định vị trí như sensor điện thế kế điện trở, sensor điện
cảm, sensor điện dung, sensor quang, sensor dùng sóng đàn hồi…
Sensor điện thế kế điện trở: Loại sensor này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu
đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên
với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và
mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có
bụi và ẩm. Điện thế kế điện trở gồm điện thế kế dùng con chạy cơ học và
điện thế kế không dùng con chạy cơ học.
Sensor điện cảm: Sensor điện cảm là nhóm các sensor làm việc dựa trên
nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn
vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo.
Sensor điện cảm được chia ra: cảm biến điện cảm và hỗ cảm
Sensor điện dung: được chia làm hai loại: sensor tụ điện đơn và sensor tụ
kép vi sai
Sensor quang: các sensor đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp
quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang 29
30. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
(thường là tế bào quuang điện). Tùy theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn
phát và thước đo (hoặc đối tượng đo), các sensor được chia ra: sensor
quang phản xạ và sensor quang soi thấu.
Bộ điều khiển vị trí
Nhiệm vụ của bộ điều khiển: trong mạch vòng phản hồi vị trí, khi ta chọn
bộ điều khiển thích hợp mạch vòng sẽ được ổn định.
Khối so sánh tín hiệu đặt U
*
và tín hiệu phản hồi f(x)
Tín hiệu đặt: Với một lượng đặt U
*
nhất định thì sẽ có một độ mở cánh
hướng van nhất định, tức là lượng khí vào điều khiển đi qua van là nhất định.
Tín hiệu phản hồi f(x): Phản hồi vị trí cánh hướng là một sensor vị trí để
đo độ mở của cánh hướng van, đưa về so sánh với tín hiệu đặt U
*
để đưa vào
bộ điều khiển tạo ra một mạch vòng vị trí.
1.3.1.2. Phân tích và chọn hệ truyền động
Như trên đã đề cập, hệ truyền động của động cơ phải ổn định tốc độ và
thỏa mãn yêu cầu truyền động cho van, cụ thể là:
Các yêu cầu truyền động cho van:
- Công suất không lớn lắm xấp xỉ 0,5 ÷ 1 kW
- Điều chỉnh vô cấp
- Tác động nhanh nhạy
- Chất lượng cao
- Truyền động đảo chiều được
Các hệ truyền động
Với các yêu cầu truyền động trên ta đưa ra các hệ thống truyền động sau:
a) Hệ truyền động động cơ điện một chiều
- Hệ truyền động T-Đ
- Hệ truyền động xung điện áp động cơ điện 1 chiều ( PWM-Đ)
Hai hệ này đều thỏa mãn các yêu cầu trên nhưng hệ thống T – Đ thường
30
31. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
là công suất lớn, mạch điều khiển phức tạp hơn so với hệ xung điện áp động cơ
một chiều. Như vậy, nếu dùng hệ truyền động động cơ điện một chiều thì hệ
xung điện áp động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm hơn, cụ thể là: sơ đồ
mạch đơn giản, dễ điều khiển, giá thành hợp lý, công suất từ nhỏ đến lớn.
b) Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều:
Với hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ta có hai hệ truyền
động sau:
- Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha
rôto ngắn mạch
- Hệ truyền động biến tần động cơ điện đồng bộ - kích từ vĩnh cửu (Hệ
truyền động biến tần động cơ điện ĐB - KTVC)
Đây là hai hệ điều khiển mới có nhiều ưu điểm và nó hoàn toàn thỏa mãn
yêu cầu truyền động này, nhưng hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB
– KTVC làn việc an toàn, chắc chắn, có công suất thích hợp (nhỏ và vừa) để
truyền động cho hệ truyền động van. Đồng thời, đây là một hệ thống mới đang
được nghiên cứu và ứng dụng.
Qua việc phân tích bốn hệ truyền động trên, trong luận văn này sẽ chọn hệ
truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC để truyền động cho điều khiển
độ mở cánh hướng van trong nhà máy nhiệt điện.
Kết luận:
Thông qua nội dung trình bày trong chương 1 cho ta thấy tổng quan về
điều khiển vị trí, khả năng ứng dụng của nó trong điều khiển máy sản xuất.
Đồng thời cho thấy việc ứng dụng của nó trong điều khiển độ mở cánh hướng
van trong nhà máy nhiệt điện. Cũng từ đó đưa ra được sơ đồ điều khiển ứng
dụng của nó (Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở cánh hướng
van) và phân tích hệ thống truyền động là hệ truyền động biến tần động cơ điện
ĐB – KTVC.
Tiếp theo luận văn sẽ trình bày các bước tính toán và khảo sát hệ điều
khiển chuyển động van cánh hướng trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy
nhiệt điện.
31
32. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ MỞ CÁNH
HƯỚNG VAN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động vị trí
Từ sơ đồ hình 1.8 ứng dụng để điều khiển chuyển động van cánh hướng
được xác định cụ thể như sau:
U
*
-U
R
W
F
Điều khiển cánh hướng
Hệ truyền động
biến tần động cơ
điện ĐB – KTVC khớp nối
Phản hồi vị trí cánh hướng
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển van cánh hướng
Nguyên lý làm việc:
Với một tín hiệu đặt U
*
nhất định, tín hiệu này sẽ được so sánh với tín
hiệu về. Sai số của tín hiệu này U
*
- U được đưa vào bộ điều khiển R , đưa
đến điều khiển hệ truyền động làm cho tốc độ động cơ sẽ thay đổi tăng hoặc
giảm, thông qua khớp nối làm cánh hướng van đóng hoặc mở về vị trí ổn định.
2.2. Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện ĐB – KTVC
2.2.1. Động cơ điện ĐB – KTVC
2.2.1.1. Nguyên lý làm việc
Động cơ điện ĐB - KTVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ
trường quay của cuộn stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor
tạo nên. Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của
các từ trường bằng nhau (chế độ đồng bộ) thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các
cực tù của stator và rotor và hình thành momen điện từ. Động cơ khởi động
dưới tác dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ
trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator. Khi đạt tới vận tốc gần đồng
bộ, nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor
32
33. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
được kéo vào đồng bộ.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có
nhiều ưu điểm hơn so với động cơ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ. Chỉ
số năng lượng (cosφ, η) cao hơn, trọng lượng và kích thước của máy bé hơn khi
có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn.
2.2.1.2. Biểu diễn động cơ điện ĐB - KTVC trên tọa độ vectơ không gian
* Xây dựng vector không gian
Đông cơ xoay chiều ba pha – Dù là động cơ đồng bộ hay động cơ không
đồng bộ – đều có ba cuộn dây stator vớidòng điện ba pha, bố trí không gian như
hình vẽ:
Pha U Pha V Pha W
isu isv isw
Rotor
Stator
Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba
pha
Ta không cần quan tâm đến việc động cơ có được đấu theo hình sao hay
tam giác, ba dòng điện isu, isv và isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào
động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.
Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:
isu(t)+isv(t) + isw(t) = 0 (2.1)
trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau đây:
isu(t)= is|cos(wst) (2.2a)
isv(t)=is|cos(wst + 1200
) (2.2b)
isw(t)= is|cos(wst + 2400
) (2.2c)
33
34. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Một cách lý tưởng thì ba cuộn dây của ĐCXCBP đặt lệch nhau một góc
1200
trên mặt cắt ngang. Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục tọa độ
phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể dựng vector không
gian sau đây:
i (t )2 i t
e j 0
i t
ej 120 i
sw
t
ej 240
s 3 su sv i
s
ej
(2.3)
Theo công thức (2.3), vector i-s(t) là vector có mU d udul không đổi
quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ ωs và tạo với trục thực (đi qua
trục cuộn dây pha u) một góc γ = ωs(t) (fs là tần số mạch Stator). Việc xây
dựng vector istđược mô tả như sau:
Im
v
u is(t)
Re
w
Hình 2.4. Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha
Qua hình 2.4 ta thấy rằng các dòng điện pha chính là hình chiếu của
vector mới thu được lên trục cuộn dây pha đó. Đối với các đại lượng khác của
động cơ điện áp Stator, dòng Rotor, từ thông Stator hoặc Rotor ta đều có thể
xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện kể trên. Ta
đặt tên cho trục thực của mặt phẳng nói trên là α và trục ảo là β. Ta hãy quan sát
hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó. Hình chiếu hai trục đó
được đặt tên là isα và isβ.
34
35. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
j
Cuộn dây
pha V
isw
120o
i
sS
i
sβ
Cuộn dây pha U
120o isU = i s,,,,,
isV 1200
Cuộn dây
pha W
Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với
các phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định
Hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin. Ta có thể hình dung ra một
động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho ba cuộn
dây u,v,w. Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3
cuộn dây Stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện Stator là ta đã
có đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong công thức (2.2).
Công thức (2.2) chỉ dùng khi trục cuộn dây pha u được chọn làm trục quy chiếu
chuẩn như trong hình 2.5. Điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng
hệ thống điều khiển điều chỉnh sau này:
isα = isu
isβ = 1
( isu + 2isv) (2.4)
3
Tương tự đối với vector dòng Stator các vector điện áp Stator, dòng Rotor,
từ thông Stator và Rotor đều được biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ tọa độ
Stator:
35
36. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
is = isα + j.isβ
us = usα + j.usβ
ir = irα + j.irβ (2.5)
ψr = ψrα + j.ψrβ
ψs = ψsα + j.ψsβ
* Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian.
Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng vector trên hệ
tọa độ Stator cố định về quan sát trên hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông Stator
Xét hệ tọa độ tổng quát xy và hình dung có một hệ tọa độ khác x*y* có
chung điểm gốc nằm lệch đi một góc * so với hệ xy.
Quan sát một góc V bất kỳ ta thu được:
Trên hệ xy: Vxy
= c + jy (2.6)
Trên hệ x*
y*
: V*
= x*
+ jy*
(2.7)
jy
jy*
V
x*
*d *
x*
dt
y*
*
x x
Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V
Từ hình 2.6, ta có:
x*
= x cos * + ysin *
y*
= x sin * + ycos *
Thay (2.8a) và (2.8b) vào (2.6) và (2.7) ta được:
V*
= (x cos *
+ y sin *
) + j(x sin *
+ y cos *
)
= (x +jy) (cos *
- j sin **
) = Vxy e j
*
36
(2.8a)
(2.8b)
(2.9a)
(2.9b)
37. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Một cách tổng quát ta thu được từ (2.9a) và (2.9b) công thức chuyển hệ
tọa độ sau đây: Vxy
= V*
e
j
* V*
= Vxy
e
j
* (2.10)
Hai hệ tọa độ xy và x*y* được coi là cố định hay góc lệch pha*
giữa
chúng là không đổi. Tuy nhiên trong thực tế*
có thể là một góc biến thiên với
tốc độ góc *
= d*
/ dt . Trong trường hợp đó hệ tọa độ x*y* là hệ tọa độ
quay tròn với tốc độ góc *
xung quanh điểm gốc của hệ tọa độ xy.
Bây giờ giả sử ta quan sát động cơ xoay chiều ba pha đang quay với tốc
độ góc = d / dt , trong đó là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đi qua
trục cuộn dây pha u). Ta mô tả vector dòng Stator is và vector từ thông Rotor r
với modul và góc pha ngẫu nhiên. Vector từ thông quay với tốc độ góc s = 2
fs = ds / dt . Trong đó fs là tần số mạch điện Stator.
Ta thấy ở hình dưới đây sự chênh lệch giữa và s sẽ tạo nên dòng
Ro-tor với tần số fs, dòng đó cũng được biểu diễn dưới dạng vector ir quay với
tốc độ góc s = 2 fs .
Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ
từ thông Rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq
37
38. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Mô hình của máy điện đồng bộ - kích thích vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC)
cũng được xây dựng xuất phát từ giả thiết coi máy điện có kết cấu tròn đối xứng.
Các đại lượng xoay chiều ba pha đã được biểu diễn dưới dạng vector và chuyển
sang hệ tọa độ từ thông dq, đồng thời cũng là hệ tọa độ cố định trên Rotor. Vì
vậy có thể xuất phát từ sơ đồ thay thế một pha ở hình 2.8 dưới đây:
Lsdq Rs
U s
f
j p
Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC
Từ sơ đồ thay thế ta viết được các phương trình sau:
- Phương trình điện áp Stator
U f
R i f
d t
i f
(2.11)
d
ss s
dt s s
- Phương trình từ thông
ψ s
f
L si s
f
ψ f
p (2.12)
Viết lại dưới dạng thành phần và sau vài lần biến đổi ta có hệ phương
trình:
di sd 1 i
L
sq
i 1 u
dt T sd s L sq L sd
(
sd sd sd
di sd
L
sd
i
1
i
1
u p
dt s L sd T sq L sq s L
sq sq sd sq
38
39. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Với phương trình từ thông:
ψ
sd
L
sd
i
sd
ψ
p
(2.14)
ψ
sd
L
sq
i
sq
Trong đó:
+ Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực
+ Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực
+ p từ thông cực (vĩnh cửu)
+ Tsd =
Lsd hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực (trục d)
Rs
+ Tsd =
Lsd hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực (trục q)
R s
Phương trình momen của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:
Mm = 3 3
2 sdisq - sqisd) = 2 zp[ sdisq + isdisq (Lsd - Lsq)] (2.15)
zP(
Khi chúng ta chọn động cơ ĐB_KTVC nếu là cực ẩn thì có Lsd ≈ Lsq vậy mô
men của động cơ còn lại là:
M m
3 Z
p
.sd
i
sd (2.16)
2
2.2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện ĐB – KTVC
a) Cấu trúc điều khiển dưới tốc độ định mức
Cấu trúc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ cưc ẩn là điều khiển véc tơ trên
hệ tọa độ d-q, trong đó trục d trùng với trục nam châm. Do vậy điều khiển véc tơ
động cơ đồng bộ tương tự như điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ, định
hướng theo trường rô to.
Để điều khiển momen tương tự như động cơ một chiều, ta có chọn điều
khiển dòng Isd = 0.Mặt khác động cơ đồng bộ có khe hở không khí tương đối lớn,
do đó điện cảm stato là nhỏ và thành phần từ thông phản ứng phần ứng là nhỏ nên
a Ls .Is nên có thể bỏ qua.
39
40. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Mô men của động cơ lúc này được tính
M=
3
2 p p s iqs
3
2 p p k is
Hình 2.9. Đồ thị véc tơ động cơ đồng bộ
b) Chế độ giảm từ thông của động cơ đồng bộ cực ẩn kích từ nam châm vĩnh cửu
Tốc độ của động cơ đồng bộ có thể được điều khiển cả bên ngoài vùng tốc
độ cơ bản bằng cách giảm từ thông kích thích. Đối với động cơ kích từ bằng nam
châm điện, để giảm từ thông, đơn giản chỉ cần giảm dòng điện kích từ tương ứng.
Đối với động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, thì cần phải tạo ra một thành
phần của từ thông phản ứng phần ứng aq theo hướng khử từ của nam châm
vĩnh cửu.
Hình 2.10. Đồ thị vectơ của SPM với điều khiển giảm từ thông
dòng stato không đổi
40
41. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Khi này điện áp đã đạt đến giá trị cực đại (bão hòa) và bởi vì U S =S S nên
từ thông stato phải giảm, sao cho dòng điện stato có diên độ không đổi. Điều này
có nghĩa là phải bơm vào dây quấn stato một dòng điện khử từ (- ids ). Để ý rằng
với từ thông nam châm vĩnh cửu k là hằng thì tốc độ tăng lên sức điện động E
tăng lên, máy điện làm việc ở chế độ quá kích thích và có hệ số công suất âm
(cos < 0).
Xét đồ thị véc tơ hình 2.10,trong đó vùng điều khiển moomen hằng giống
như đồ thị véc tơ hình 2.9 (các điểm a,b,A), với ips m ax = is . Bây giờ ta cho
i
s
quay ngược chiều kim đồng hồ, dọc theo quỹ đạo a - a', sao cho i
s
= ids
2
iqs
2
thì với độ lớn của a không đổi, đầu mút véc tơ s chuyển động theo cung tròn
A - A' và biên độ s giảm do:
s = ( s - ids Ls ) + j( iqs Ls )
suy ra từ lý luận các đại lượng véc tơ của máy điện quay:
M=
3
2
p p
ds iqs qs ids
Tại các điểm A', a', b' ta có iqs = 0 và momen điện từ triệt tiêu tại tốc độ1 , hệ số
công suất lúc này cos =0.
41
42. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
M,U, ,i
U s
Is
s
M
0 đm
Hình 2.11. Đặc tính momen khi giảm từ thông dòng điện stato không đổi
2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ ĐB_KTVC
Trong sơ đồ điều khiển vector động cơ ĐB_KTVC các đại lượng điều
khiển được thực hiện trong tọa độ d và q. Sau đó được biến đổi thành các đại
lượng điện 3 pha để điều khiển biến tần cung cấp cho động cơ. Với động cơ
ĐB_KTVC sau khi chuyển đổi trục d và q thì thành phần id trên trục d sẽ bằng
không.
Từ công thức tính momen (2.16) và cách đặt vấn đề điều khiển vector của
hệ thống này chúng ta có thể xây dựng sơ đồ truyền động điều khiển vec tor
biến tần động cơ ĐB_KTVC như hình vẽ sau:
42
43. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động động cơ ĐB_KTVC
Ghi chú:
Trong sơ đồ này có Ri1 và Ri2 : hai bộ điều chỉnh dòng điện trong 2 mạch
vòng phản hồi id và id . Mạch vòng phản hồi âm tốc độ (phản hồi âm tần số
với bộ điều chỉnh Rω)
Lượng đặt tần số: ω*
Lượng ra của Rω là lượng đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện Ri2 của
thành phần dòng điện iq .
Nguyên lý làm việc
Trong sơ đồ này thành phần id = 0 và thành phần này tương ứng để tạo
ra từ thông rotor nhưng vì động cơ được dùng là động cơ ĐB_KTVC cho nên
thành phần từ thông không đổi và không có dòng cho nên ta không xét. Coi
như mạch vòng đã được ổn định.
Vậy với lượng đặt ω* thì ta có(với một tần số đặt là f xác định) khi tốc
độ thay đổi thì đầu vào của Rω = k(ω* - ω) thay đổi dẫn tới đầu vào của Ri2 sẽ
thay đổi làm cho Uq thay đổi. Như vậy chúng ta thấy với hệ thống thiết kế như
trên khi tốc độ động cơ thay đổi dẫn tới tần số biến tần và momen động cơ sẽ
43
44. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
thay đổi làm cho hệ thống vừa ổn định được tần số và momen.
2.3. Tổng hợp hệ thống
Từ sơ đồ hình 2.11 ta tiến hành xây dựng sơ đồ cấu trúc để tổng hợp hệ
thống. Sơ đồ cấu trúc của hệ tự động ổn định tần số được thể hiện như hình vẽ:
Hình 2.12.Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng
biến tần và động cơ đồng bộ
Qua sự phân tích trên ta thấy quá trình biến đổi từ thông là không đổi, cho
nên động cơ đồng bộ giống như động cơ một chiều kích từ độc lập, do đó ta chỉ
cần khảo sát mạch thay đổi với hai tham số momen và tần số. Trong đó:
Ri ( p) : Bộ điều khiển dòng điện trong mạch vòng dòng điện id và iq
R ( p) : Bộ điều chỉnh tốc độ
ku : Hệ số khuếch đại của biến tần
W1 ( p) : Hàm truyền phần điện từ của động cơ được xác định theo công
thức
W
1 ( p)
1
R
n .(1Tn p)
44
45. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
WL ( p) : Khâu lấy tín hiệu dòng điện trong mạch vòng dòng điện id là
W ( p)
1
L (1 TL p)
WFT ( p) : Máy phát tốc
Từ nguyên lý làm việc của hệ điều khiển vector biến tần ta thấy phần id =
0. Roto nam châm vĩnh cửu từ thông là hằng số.Vậy từ sơ đồ trên ta có sơ đồ khối
của hệ điều khiển ổn định tần số như hình vẽ:
Hình 2.13.Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống truyền động điện
sử dụng biến tần và động cơ ĐB_KTVC
Từ sơ đồ cấu trúc trên ta lần lượt tổng hợp các mạch vòng dòng điện, tốc độ
và mạch vòng vị trí của hệ thống.
2.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Trong mạch vòng điều khiển dòng điện, tín hiệu Et thực chất là tín hiệu
phản hồi phi tuyến. Nhưng có thể coi nó như một tác động của nhiễu theo một quy
luật xác định để thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện có khả năng lọai trừ được ảnh
hưởng của tín hiệu Et đến dòng điện của động cơ.
Từ sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện, ta xác định được hàm
truyền của mạch vòng dòng điện kín, trong đó Wi ( p) được tổng hợp như sau:
45
46. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Wi ( p)
ku .Ri ( p ).W1 ( p)
(2.17)
ku.Ri ( p ).W1 ( p ).WL ( p)
1
Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có
W0Tu
1
.
1
2 P(P1)
(2.18)
Trong đó: là hằng số thời gian của bộ điều chỉnh
Hình 2.14.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Từ sơ đồ cấu trúc hình 2.14 ta có hàm số truyền hệ hở của hệ kín mạch
vòng dòng điện:
W0Tu Ri ( p ).K u .W1 ( p ).WL ( p)
Ta có hàm truyền bộ điều chỉnh dòng điện:
1 1
R ( p)
W
0Tpu
2
p (
p1) R (1 T p )(1T p)
n n L
i
k
u .W1 ( p ).WL
( p ) 1 1
2 K u p (1 p)
ku
.
R .(1 T p )
.
1T p
n n L
Ta chọn TL Ti khi đó hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có
dạng gần đúng như sau:
R ( p )
R
n
(1
T
n
p )(1
T
L
p )
R
n
(1
T
n
p )
k
k
i1
(2.19)
i
2 K u p (1 p ) 2K u Ti p
p1
p
Trongđó:
k Rn .Tn
;
k Rn
p1 2k .T i1 2 k .T
u i u i
46
47. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Như vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri ( p) có dạng là một khâu PI (tỷ lệ - tích
phân)
2.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Hình 2.15.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Trong sơ đồ cấu trúc này ta thấy thành phần i1d không tham gia vào trực
tiếp.Nó chỉ đóng vai trò là dòng điện để tạo ra từ thông trong động cơ và do đó nó
chỉ ảnh hưởng đến hệ số km .
km : Hệ số khuếch đại của động cơ
Wc ( p) : Hàm số truyền khâu điện cơ của động cơ
J: Momen quán tính đã quy đổi về trục động cơ
WF
K
F : Hàm số truyền của khâu lấy tín hiệu phản hồi tốc độ
1TFP
Theo hình 2.15 ta có hàm truyền của mạch vòng phản hồi tốc độ:
R ( p ).W ( p). km
W ( p)
i Jp
(2.20)
km
1 R ( p ).W ( p ). .W ( p)
i Jp F
Với Wi ( p) là hàm truyền hệ kín của mạch vòng điều chỉnh dòng điện được
xác định như sau:
Ta thay (2.19) vào (2.17) ta có
k .Rn (1 Tn p) . 1
u
2 k u Ti pRn (1Tn p)
Wi ( p)
Rn (1Tn p) 1 1
1 k . . .
u
2 k u Ti pRn (1 Tn p ) 1TL p
1TL p
1
(2.21)
1 2T p (1 T p ) 1 2T p
i L i
47
48. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Hình 2.16. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ
WDT ( p ) Wi ( p).
k
m
1
.
k
m
k
m
(2.22)
Jp 2Ti p 1 Jp J (2Ti p1) p
Đặt k km ; T 2Ti ; T = J
WDT ( p)
k
(2.23)
Tp (1T p)
Dùng tiêu chuẩn mo dul tối ưu
W 1 . 1
0Tu
2 P(P1)
Theo hình 2.16 ta có hàm số truyền hệ hở của hệ kín mạch vòng phản hồi
tốc độ
W0Tu ( p ) R ( p ).WDT ( p ).WF ( p)
Suy ra
1 1
(T T ) p1
W0 Tu ( p) 2
p (
p1) 1 Tp T
R ( p) . F
W ( p ).W ( p ) k
k
F 2 p ( k .k 2 k .T
p1)
DT F
Tp(1T p) . 1T p
F S
F
(2.24)
Trong đó : k k .kF ; TS TTF
Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ R ( p) là một khâu P (tỷ lệ)
Dùng phương pháp modul đối xứng, hàm chuẩn htoe phương pháp modul
đối xứng có dạng:
48
49. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
W0DX (P)
1 1 4 p1
8
2
p2
p1
Suy ra hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo phương pháp modul đối xứng là:
1 1 4 p1
W 82 p2
p1
R (P)
0 DX
k kF
W ( p)W ( p) (2.25)
DT F
Tp(1 T p) (1 TF p)
(4 p1)Tp[(T TF ) p1]
T4TS p1
k k
F
8 2
p2
(
p1) 2K.T 4T p
S S
Như vậy, hàm truyền R ( p) có dạng là một khâu PI (tỷ lệ - tích phân)
2.3.3. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện
ĐB_KTVC
Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện chúng ta được khâu tỷ lệ (2.19) và
tổng hợp mạch vòng tốc độ chúng ta được khâu tỷ lệ (2.24).
Thay bộ điều chỉnh dòng điện Ri ( p) và R ( p) vào hình 2.13 ta được sơ đồ
khối:
Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động
biến tần động cơ điện ĐB_KTVC
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn modul tối ưu:
R .W ( p)
k
m T . 1 .k
i
J P 2K.TS 1 T p Tp
W ( p)
km .W T 1 k k F
1R .W ( p). ( p) 1 . . .
F
i
J P 2K.TS 1 T p Tp 1 TF p
1
kF (2TS p1) (2.26)
49
50. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn modul đối xứng:
R .W ( p)
k
m T (4TS p 1) . 1 .
k
8k.T 2
p
i J P
1 T p Tp
W ( p)
s
k
m
.W T (4TS p 1) 1
k
k
F
1 R .W ( p). ( p) 1 . . .
F
i J 8k.T 2
p 1 T p Tp 1 T p
P F
s
1
k F (4TS p 1)
2.3.4. Mô phỏng hệ ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC
2.3.4.1. Sơ đồ mô phỏng
- Tính toán các thông số của mạch (xem phụ lục).
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID trên Matlap Simulink:
Hình 2.18: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
2.2.4.2. Kết quả mô phỏng
- Kết quả mô phỏng trên Matlab như sau:
+ Tốc độ:
50
51. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
+ Dòng điện:
Hình 2.19: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện
2.3.4.3. Nhận xét
- Thời gian quá độ: tqd 0.4s
- Độ quá điều chỉnh: 9%
- Độ dao động: n=2
Với sơ đồ cấu trúc trên trong đó khâu Ri ( p) và R ( p) được tổng hợp theo
modul tối ưu. Cho nên hệ thống truyền động này hoàn toàn ổn định. Đồng thời
qua kết quả mô phỏng hệ cũng ổn định tốc độ. Vì vậy hệ truyền động dùng được
để truyền động van cánh hướng.
2.4. Mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng van và sự ổn định của nó
2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối mạch vòng ổn định vị trí van cánh hướng với bộ
điều khiển vị trí dùng PID tuyến tính
Sơ đồ được xây dựng như sau:
51
52. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính
Trong đó:
- R là bộ điều khiển vị trí nhưng trong sở đồ này ta đang sử dụng là khâu
- Hệ truyền động điện ổn định tốc độ Biến tần - Động cơ điện ĐB_KTVC
đã khảo sát ổn định tốc độ.
- Cơ cấu chuyển đổi từ tốc độ góc sang tốc độ dài
- Van cánh hướng thường là khâu quán tính bậc 1, để đơn giản chúng ta
xem là khâu tỷ lệ WrT ( p ) kr
- Cảm biến vị trí: lấy tín hiệu vị trí về so sánh tín hiệu đặt, với hàm số
truyền của khâu cảm biến vị trí
WCBVT ( p)
kT
1 pTT
2.4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí
Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều khiển vị trí được xây dựng như sau :
Hình 2.21. Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng vị trí
52
53. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Từ sơ đồ khối của mạch vòng vị trí trên chúng ta thay khối hệ truyền động
điện ổn định tốc độ biến tần động cơ điện ĐB_KTVC với hàm truyền ổn định tốc
độ W ( p) .
Tổng hợp mạch vòng vị trí ta dùng tiêu chuẩn tối ưu modul và tiêu
chuẩn tối ưu đối xứng.
Trong đó: K r
1
i : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực
TS TTF T 2Ti
Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul:
W ( p) 1 1 (2.27)
0Tu
2 ( p1) p
Ta có hàm số truyền hệ hở của hệ kín mạch vòng vị trí
W0Tu ( p) RT ( p)
1 Kr KT
(2.28)
kF (2TS p 1) p 1 PTT
Suy ra:
1 1
R ( p)
W
0TU 2 p1 kF (2TS p1)(1 kT p)
T k
r
k
T
k
r
k
T 2 kr kT ( p1)
kF p(2TS p1)(1 kT p) kF p(2TS p1)(1 kT p)
Trong đó: K r
1
: Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực
i
TS TTF T 2Ti
Chọn: TT
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn modul tối ưu:
RT ( p)
k
(2TS p1)
2TT kr kT
Với:
k
P
k
2TT kr kT
kD
k
T
S
TT kr kT
RT ( p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD)
* Tổng hợp theo tiêu tiêu chuẩn modul đối xứng
53
(2.29)
(2.30)
(2.31)
54. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
W0DX (P)
1 1 4 p1
8
2
p2
p1
1 1 4 p1
W 8 2
p2
p1 kF
(4T p1)(1 4kT
p)
R ( p) 0TU
S
T k
r
k
T
k
r
k
T 2 kr kT 4 p
kF p(4TS p1)(1 kT p) kF p(4TS p1)(1 kT p)
Chọn:
TT
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn đối ưu tối xứng:
RT ( p)
kF
(4TS p1) (2.32)
kr kT 2TT
RT ( p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD)
2.4.3. Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động van
cánh hướng khi dùng bộ điều khiển PID
2.4.3.1. Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ ĐB_KTVC
Các thông số tính toán (xem phụ lục).
2.4.3.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính
Thay các thông số đã tính được vào cấu trúc điều khiển và dùng Simulink ta
có sơ đồ mô phỏng hệ điều chỉnh vị trí như hình 2.22:
Hình 2.22: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID
54
55. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Kết quả mô phỏng như sau:
Hình 2.23: Mô phỏng PID với Ud= 10V
55
56. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Hình 2.24: Mô phỏng PID với Ud= 15V
56
57. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
2.3.2.2. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng
- Thời gian khởi động 4s, tương đối lớn
- Độ quá điều chỉnh bằng 0
- Độ dao động bằng 0
- Chế độ hãm dừng tương tự
- Tuy chất lượng được đảm bảo, song bộ điều khiển vị trí được chọn là khâu
tuyến tính. Trong thực tế khâu này là phi tuyến (mục I.2.1.2), cụ thể như sau:
+ Quan hệ tốc độ dài và tốc độ góc là đường cong
+ Ứng với những quãng đường φ có hệ số khếch đại Kφ khác nhau dẫn tới
nhiều sai số
+ Cặp ăn khớp giữa bánh vít và trục vít có khe hở do ăn khớp không đồng
đều gây ra tính phi tuyến
+ Lực ma sát của dầu
Kết luận:
Sau khi tính toán và khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng
điều khiển cánh hướng van trong trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt
điện với bộ điều khiển PID, kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng chưa thật tối
ưu. Mặc dù độ quá điều chỉnh bằng 0, độ dao động bằng 0, nhưng thời gian khởi
động tương đối lớn (4s). Để khắc phục nhược điểm này, chương tiếp theo của luận
văn sẽ nâng cao chất lượng hệ thống bằng cách dùng bộ điều khiển mờ trượt.
57
58. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
CHƯƠNG 3
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ
ĐỂ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁNH HƯỚNG VAN TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÓ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Có nhiều bộ điều khiển phi tuyến, như bộ mờ, mờ thích nghi, mờ nơ ron
hoặc mờ trượt. Trong các bộ mờ đó thì luận văn chọn bộ mờ trượt để nâng cao
chất lượng hệ.
- Lý do chọn bộ mờ trượt:
+ Tác động nhanh
+ Sai số xấp xỉ bằng không
+ Hệ ổn định tại gố tọa độ
Tuy nhiên, bộ mờ trượt cũng có những nhược điểm nhất định. Đó là có
hiện tượng rung. Để khắc phục hiện tượng này, trong luận văn sẽ chia nhỏ mặt
trượt và sử dụng điều khiển mờ để mờ hóa mặt trượt. Cụ thể trong luận văn sẽ
chọn 5 mặt trượt: S1, S2, S3, S4, S5.
3.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ trượt
3.1.1. Nguyên lý điều khiển trượt
Xét các đối tượng kiểu SISO một đầu vào uR , một đầu ra y R có n biến
trạng thái x1, x2 ,... , xn với mô hình:
x1 x2
xn1 xn
(3.1)
.
f (x1 , x2,...., xn ) u
xn
Trong đó y x1
Nếu dùng ký hiệc vector y dy dn1 yT
T
y ,... n1 x1 ,..., xn thì công thức (3.1)
dt dt
d n
y
viết được thành: fy u (3.2)
dtn
Khi n 2 thì
d 2
y
(3.3)
dtn
fy, y u
58
59. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Bài toán đặt ra là tổng hợp một bộ điều khiển mờ phản hồi u uy thỏa mãn
u um ax để trạng thái y của đối tượng được đưa về một điểm trạng thái
x
10
y0
:
.
mong muốn cho trước, tức là để sai lệch:
x
n0
e
1
e : 0 0 n
t
. y0 yt , với là vector 0 trong R .
e
n0
Xét hàm chuyển đổi, ký hiệu bằng se, có dạng như sau :
dn1
n1 k k d k
et
se1 ; etCn1 (3.4)
dt
k
dt k0
k
(n1)!
Với 0 , et e1 x10 yt và C
k!(n1 k)!
n1
Chú ý rằng hàm se là một hàm thực.
(3.5)
Khi n 2 thì (3.4) trở thành se ee
Công thức (3.4) chỉ rằng khi có được y y 0 thì se 0 , hơn nữa phương
trình vi phân se 0 với điều kiện ban đầu e0 0 cũng chỉ có một nghiệm
t
e 0 y y 0
duy nhất. Bởi vậy bài toán điều khiển sai lệch trạng thái trên cho
trở thành bài toán tìm hàm u uy với um ax sao cho se tiến
không gian Rn u
đến 0, tức là một bài toán sai lệch trong R . Để có được điều này thì hàm u uy
phải được chọn sao cho khi se 0 thì và ngược lại khi se 0 thì ,
se 0 se 0
tức là phải thỏa mãn:
(3.6)
se.sgn(s) 0
Điều kiện (3.6) được gọi là điều kiện trượt (sliding condition), nó đảm bảo
rằng sai lệch e sẽ giảm nếu như trạng thái y chưa nằm trên mặt cong s(e)=0. Mặt
cong s(e)=0 vì thế còn có tên là mặt cong trượt (sliding surface). Xét riêng cho
đối tượng 2 trạng thái thì với (3.5) và (3.3) có được điều kiện cho bài toán tổng
hợp điều khiển để hệ trượt trên mặt cong s(e)=0 về điểm trạng thái yo là:
59
60. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
e
eesgn(e e) 0 u
e
k hi ee 0
f ( y, y)
k hi ee 0
f ( y, y)
Từ đây suy ra có thể chọn u như sau:
um ax k hi ee 0 (3.7a)
u
k hi ee 0
u
m ax
Công thức (3.7a) được xây dựng với giả thiết là điểm trạng thái mong
muốn yo không phụ thuộc thời gian. Trong trường hợp yo=yo(t) là 1 hàm phụ
thuộc thời gian mà có thể xem như là tín hiệu chủ đạo thì từ điều kiện:
eesgn(ee) 0
Hàm u(t) phải có dạng như sau:
0 khi ee 0
e( yo f ( y, y) u)
khi ee 0
0
e
f ( y, y) yo k hi ee 0
u
e
f ( y, y) y k hi ee 0
o
u
e
với K>0 (3.7b)
f ( y, yo ) yo K sgn(ee)
3.1.2. Phương pháp điều khiển trượt
Xét hệ như hình vẽ 3.1. Từ sơ đồ khối của hệ cũng như hàm truyền đạt
của khâu tuyến tính, ta có ngay khi =0:
dx x2
với
dt
u
x
và y= x 1=e => s= kx 1 x 2
x 1
x
2
1 k hi sk xx0
Trong đó: u=
k hi
1 2
1 sk xx0
1 2
a)
60
61. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
b) c)
Hình 3.1: Phân tích hệ có khâu phi tuyến 2 vị trí và không bị kích thích bằng
phương pháp mặt phẳng pha
Khảo sát tính động học của hệ bằng phương pháp mặt phẳng pha (không gian
trạng thái với 2 biến trạng thái). Căn cứ vào mô hình toán học trên ta xác định được
mặt phẳng pha sẽ phải là mặt phẳng với 2 trục tọa độ x1 và x2. Phân chia mặt phẳng
pha này thành 2 miền bởi đường thẳng gọi là đường chuyển đổi.
k x1 x2 0 (3.8)
Hình 3.1b: Nửa mặt phẳng pha phía trên đường thẳng sẽ là nửa mà ở đó có
u=-1 và phía dưới là nửa ứng với u=1.
dx x2 dx
Khi u=-1:
1
x2 x1x2
2
c1 (3.9)
dt dx
1
2
Trong đó c1 là hằng số phụ thuộc vào giá trị đầu, nên quỹ đạo pha (quỹ
đạo trạng thái tự do), tức là đồ thị của (3.9) cho những giá trị c1 khác nhau có
dạng parabol được biểu diễn bằng đường nét liền trong hình 3.1b. Chiều của các
parabol này được xác định từ điều hiển nhiên rằng khi x2>0 thì x1 phải có xu
hướng tăng.
Tương tự khi u=1 thì:
dx x2 dx
x2 x1 x2 c2 (3.10)
1 2
dt 1 dx2
c2 cũng là hằng số phụ thuộc vào giá trị đầu, nên quỹ đạo pha (quỹ đạo
trạng thái tự do) của hệ ở nửa trên đường thẳng ứng với những giá trị c2 khác
nhau có dạng parabol được biểu diễn bằng đường nét đứt trong hình 3.1b.
61
62. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Bây giờ ta đã có thể xây dựng 1 quỹ đạo pha đi từ điểm đầu tùy ý (cho
trước trong mặt phẳng pha). Chẳng hạn đó là điểm A trong hình 3.1c. Do điểm A
này nằm ở phần mặt phẳng pha phía trên đường chuyển đổi (có u=-1) nên quỹ
đạo pha đi qua nó có dạng (3.9) phải đi theo đường parabol nét liền. Dọc theo
đường nét liền đó cho tới khi gặp đường thẳng phân chia 2 miền điểm, tức là
đến điểm B thì quỹ đạo pha sẽ phải chyển sang đường parabol nét đứt (3.10) vì
kể từ lúc này nó đã đi vào nửa mặt phẳng pha có u=1.
Theo đường parabol nét đứt, quỹ đạo pha đi từ điểm B đến điểm C, là
điểm gặp đường chuyển đổi thì lại chuyển sang đường pararabol nét liền (3.9).
Cứ theo nguyên lý đó mỗi khi gặp đường chuyển đổi , ta xây dựng được hoàn
chỉnh quỹ đạo pha của hệ đi từ điểm xuất phát A như hình 3.1c mô tả.
Từ dạng quỹ đạo pha dần có xu hướng tiến về gốc tọa độ và kết thúc tại
đó. Ta rút ra được những kết luận sau về chất lượng hệ thống:
- Hệ có 1 điểm cân bằng là gốc tọa độ trong mặt phẳng pha (x1, x2)
- Hệ không có dao động điều hòa, không có hiện tượng hỗn loạn
- Hệ ổn định tại gốc tọa độ
- Hệ có miền ổn định là toàn bộ mặt phẳng pha (ổn định toàn cục)
Ngoài các kết luận trên, hệ đang xét còn có 1 hiện tượng rất đặc trưng, đó
là hiện tượng trượt (sliding) hay còn gọi là hiện tượng rung (chattering). Hiện
tượng này xuất hiện khi quỹ đạo pha đi vào đường phân điểm , mà ở đó đường
parabol nét đứt sẽ không còn nằm phía dưới của cũng như parabol nét liền
không cong nằm phía trên của . Nó chính là đoạn thẳng trên nằm giữa điểm
tiếp xúc E của với parabol nét liền (3.9) và điểm tiếp xúc F của với parabol
nét đứt - hình 3.2a.
62
63. Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Hình 3.2: Giải thích hiện tượng trượt (sliding)
Xét quỹ đạo pha ξ đang đi theo parabol nét liền (hình 3.2b) thì gặp đường
chuyển đổi nằm trong khoảng EF (khoảng trượt). Khi đó nó sẽ chuyển sang
đường parabol nét đứt. Song đoạn đường parabol nét đứt này lại nằm trong mặt
phẳng pha ứng với đường parabol nét liền nên ngay khi chuyển sang đường
parabol nét đứt, quỹ đạo pha lại chuyển sang đường parabol nét liền. Theo đường
parabol nét liền nó quay trở về đường phân điểm và gặp lại điểm tại 1 điểm
khác cũng trong khoảng trượt EF nhưng gần gốc tọa độ hơn. Từ đây nó lại
chuyển sang đường parabol nét đứt… Cứ như vậy quỹ đạo pha chuyển động
zick-zack xung quanh đường để tiến về gốc tọa độ (hiện tượng rung).
Nếu như khâu phi tuyến 2 vị trí cho phép chuyển đổi từ -1 sang 1, và
ngược lại trong khoảng thời gian gần bằng 0, thì quỹ đạo pha zick-zack sẽ có
dạng trượt về gốc tọa độ dọc theo đoạn EF . Hiện tượng trượt sẽ trơn khi chỉ khi
thời gian chuyển đổi bằng 0.
Độ dốc của đường chuyển đổi quy định độ dài cho đoạn trượt EF . Thông
qua tham số k ta có thể thay đổi độ dốc của . Độ dốc càng lớn, đoạn EF càng
dài làm cho hiện tượng trượt xảy ra càng lâu.
Hiện tượng trượt là 1 gợi ý cho việc thiết kế bộ điều khiển sử dụng khâu 2
vị trí, nhằm ổn định tuyệt đối đối tượng theo nguyên tắc trượt về gốc tọa độ.
63