Đang tải... (xem toàn văn)
Đề bài: Thiết kế hệ DCS để điều khiển động cơ điện một chiều Thông số: Pđm = 10kW, Uđm = 220380V, fđm = 50Hz, cosđm = 0.85, đm = 0.95, n = 1500 vp Yêu cầu: Thiết kế bộ điều khiển PID số trong máy tính để điều khiển động cơ điện một chiều theo phương pháp Bilinear. Mô phỏng kết quả bằng MATLAB SIMULINK hoặc lập trình. CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1. Khái niệm Tuỳ theo tính chất của tín hiệu mà hệ thống điều khiển tự động được phân thành hệ liên tục và hệ gián đoạn. Nếu tất cả các phần tử trong hệ thống có tín hiệu truyền đi là liên tục gọi là hệ thống liên tục. Nếu trong mắt xích điều khiển có một khâu tín hiệu truyền đi là gián đoạn gọi là hệ thống gián đoạn. Trong bất kỳ hệ gián đoạn nào cũng có một phần tử làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu liên tục thành gián đoạn, quá trình đó gọi là quá trình lượng tử hoá. Hệ điều khiển số bao gồm hệ thu thập xử lý tín hiệu vi xử lý, vi điều khiển, các hệ thống lớn có máy tính số... 1.1. Sơ đồ của một hệ điều khiển số. Hình 1.1: Sơ đồ khối của một hệ điều khiển số Hệ thống điều khiển số bao gồm hai loại khâu cơ bản: Khâu có bản chất gián đoạn: Các tín hiệu vào và ra trạng thái đều gián đoạn về thời gian và mức. Khâu này mô tả các thiết bị điều khiển digital. Khâu có bản chất liên tục: Mô tả đối tượng điều khiển. Việc gián đoạn hoá xuất phát từ mô hình trạng thái liên tục của đối tượng. Bộ biến đổi AD: làm nhiệm vụ biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Bộ biến đổi DA: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. Bộ điều chỉnh có thể là máy tính, vi xử lý hoặc vi điều khiển. 1.2. Mô tả toán học hệ điều khiển số bằng sơ đồ khối: Việc xác định hàm truyền theo biến đổi z của hệ thống dữ liệu đã được lấy mẫu thường là phức tạp vì không có bộ lấy mẫu giữa các khâu. Do đó ta không thể xác định trực tiếp bằng nguyên tắc như trong hệ điều khiển liên tục mà phải phân ra theo trường hợp cụ
Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - - BÀI TIỂU LUẬN ĐIỀU KHIỂN SỚ GV HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN KHĨA HỌC CHUN NGÀNH : : : : TS NGUYỄN HOÀNG MAI HUỲNH ĐỨC HỊA 2011- 2013 TỰ ĐỘNG HĨA – K24 Đà nẵng, 2012 Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Đề bài: Thiết kế hệ DCS để điều khiển động điện một chiều Thông số: Pđm = 10kW, Uđm = 220/380V, fđm = 50Hz, cosϕđm = 0.85, ηđm = 0.95, n = 1500 v/p 380VAC n0 MÁY TÍNH (R) DAC P = 10 kW U =220 V n =1500 v/ph n Chỉnh lưu Ecoudor Yêu cầu: - Thiết kế điều khiển PID số máy tính để điều khiển động điện chiều theo phương pháp Bilinear - Mô kết MATLAB SIMULINK lập trình Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hoàng Mai CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỚ 1.1 Khái niệm Tuỳ theo tính chất tín hiệu mà hệ thống điều khiển tự động phân thành hệ liên tục hệ gián đoạn Nếu tất phần tử hệ thống có tín hiệu truyền liên tục gọi hệ thống liên tục Nếu mắt xích điều khiển có khâu tín hiệu truyền gián đoạn gọi hệ thống gián đoạn Trong hệ gián đoạn có phần tử làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu liên tục thành gián đoạn, trình gọi q trình lượng tử hố Hệ điều khiển số bao gồm hệ thu thập xử lý tín hiệu vi xử lý, vi điều khiển, hệ thống lớn có máy tính số 1.1 Sơ đồ một hệ điều khiển số x(t) - ADC Khâu điều chỉnh DAC u(t) Đối tượng y(t) điều khiển Phản hồi Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển số Hệ thống điều khiển số bao gồm hai loại khâu bản: - Khâu có chất gián đoạn: Các tín hiệu vào trạng thái gián đoạn thời gian mức Khâu mô tả thiết bị điều khiển digital - Khâu có chất liên tục: Mô tả đối tượng điều khiển Việc gián đoạn hố xuất phát từ mơ hình trạng thái liên tục đối tượng - Bộ biến đổi A/D: làm nhiệm vụ biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số - Bộ biến đổi D/A: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự - Bộ điều chỉnh máy tính, vi xử lý vi điều khiển 1.2 Mơ tả tốn học hệ điều khiển số sơ đồ khối: Việc xác định hàm truyền theo biến đổi z hệ thống liệu lấy mẫu thường phức tạp khơng có lấy mẫu khâu Do ta khơng thể xác định trực tiếp nguyên tắc hệ điều khiển liên tục mà phải phân theo trường hợp cụ thể Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai a/ Các khâu nối tiếp phân biệt một bộ lấy mẫu đồng bộ Biến đổi z đầu lấy mẫu thứ hai: C1(z) = R(z).G1(z) (1.l) Biến đổi z đầu lấy mẫu cuối: C2(z) = C1(z).G2(z) = C(z) (1.2) Từ (2.1 ) (2.2) ta suy ra: C(z) = R(z).G1(z).G2(z)= R(z).G(z) (1.3) Với G(z)= G1(z).G2(Z) (1.4) Vậy biến đổi z khâu nối tiếp phân biệt lấy mẫu đồng tích biến đổi z khâu riêng biệt b/ Các khâu nối tiếp không phân biệt bộ lấy mẫu Xét sơ đồ cấu trúc hình vẽ: Trong đó, khâu nối tiếp khơng phân biệt lấy mẫu Trong sơ đồ, khâu điều khiển giá trị C1 (t) thời điểm lấy mẫu thời điểm lấy mẫu Biến đổi Z tín hiệu đầu là: C2(z)=R(z) Z{G1 (s)G2 (s)} = R(z).G1G2(z) đó: G1G2(z) biến đổi Z hàm truyền G1(s).G2(s) Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang Tiểu luận mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai c/ Bộ lấy mẫu kênh sai lệch: Từ sơ đồ ta tính hàm truyền hệ kín: E(s) = R(s) - G(s).H(s) E*(s) Vì lấy mẫu tuyến tính ta áp dụng nguyên lý xếp chồng : 1.3 Tiêu chuẩn ổn định phân tích hệ thống điều khiển số: a/ Tiêu chuẩn ổn định đại số: +) Tiêu chuẩn Routh - Hurwitz mở rộng Tương tự hệ thống điều khiển liên tục, hệ điều khiển số, việc giải phương trình đặc tính hệ thường phức tạp Vì vậy, ta tìm tiêu chuẩn để dựa vào đánh giá độ ổn định hệ thống điều khiển số Xét hệ thống Điều khiển số có phương trình đặc tính: an z n + an −1 z n −1 + + a0 = Thay z = (1.5) w +1 vào phương trình đặc tính biến đổi ta được: w −1 An z n + An −1 z n −1 + + A0 = (1.6) Xét mối quan hệ nghiệm số phương trình (1.5) mặt phẳng w với nghiệm Z phương trình (1.6) Ta thấy: + Khi nghiệm w nằm bên trái trục ảo, tương đương với trường hợp nghiệm z nằm vòng tròn đơn vị + Khi nghiệm w nằm bên phải trục ảo, tương đương với trường hợp nghiệm z nằm ngồi vịng tròn đơn vị + Khi nghiệm w nằm trục ảo, tương đương với trường hợp nghiệm z nằm vòng tròn đơn vị Vậy chuyển từ mặt phẳng Z sang mặt phẳng W, việc xét ổn định hệ thống chuyển từ điều kiện z < sang điều kiện tất nghiệm phương trình đặc tính chuyển đổi nằm bên trái trục ảo Ta sử dụng tất phương pháp đại số biết hệ tuyến tính liên tục để xét ổn định hệ điều khiển số ++) Tiêu chuẩn Jury Về nguyên tắc, tiêu chuẩn ổn định Routh - Hurwitz mở rộng áp dụng cho Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai hệ thống điều khiển số Song hệ bậc cao, việc tính tốn khó Khi người ta thường dùng tiêu chuẩn Schur-cohn tiêu chuẩn ổn định Jury Tiêu chuẩn cho hệ thống liệu lấy mẫu ổn định (có tất nghiệm nằm bên vòng tròn đơn vị mặt phẳng Z) tất số hạng hàng lẻ cột bên trái bảng Jury dương Bảng Jury thiết lập từ phương trình đặc tính: a0 Z n + a1Z n −1 + a2 Z n − + + an −1Z + an = (1.7) Bảng Jury: Trong bảng hàng chẵn bao gồm hệ số hàm lẻ mà viết theo thứ tự ngược lại Giá trị hàng thứ tính cách lấy định thức bậc mà sử dụng cột hàng với cột khác hàng phải qua trái chia cho hệ số Như số hạng tính sau: (1.8) b/Nhận xét: Các phương pháp chỉ cho phép kiểm tra nhanh xem hệ thống có ổn định hay khơng Nó khơng cho ta biết vị trí nghiệm mặt phẳng Z Tiêu chuẩn ổn định tần số Tất phương pháp tần số dùng để khảo sát hệ tuyến tính liên tục mở rộng để phân tích hệ điều khiển số Đồ thị tần số hệ rời rạc xây dựng cách thay Z: e jωT +) Tiêu chuẩn Mikhailôp mở rộng Giả thiết hệ điều khiển số có phương trình đặc tính: an Z n + an −1Z n −1 + + a0 = (1.9) Các nghiệm phương trình đặc tính Zi Ta viết lại phương trình: Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai 1.10 Trên mặt phẳng Z, thừa số Z – Zi (1.10) vectơ từ Zi đến vịng trịn đơn vị Khi đó: góc A(z) là: Ta xét trường hợp cụ thể: Nghiệm Z nằm vịng trịn đơn vị Zt nằm ngồi vòng tròn đơn vị + Nghiệm Z1 nằm vòng trịn đơn vị, vectơ Z – Zi xuất phát từ điểm A ( ω T = - π ) quay ngược chiều kim đồng hồ đến B ( ω T =0) tiếp tục quay đến A ( ω T= π ) Như vậy, góc quay vectơ Z – Zi là: + Nghiệm Z nằm ngồi vịng trịn đơn vị, vectơ Z – Zi xuất phát từ điểm A ( ω T = - π ) quay ngược chiều kim đồng hồ đến C góc α1 , sau quay theo chiều kim đồng hồ đến điểm D góc - α lại quay ngược chiều kim đồng hồ đến điểm A ( ω T = π ) Như vậy, góc quay vectơ Z – Zi là: Suy ra: Khi hệ thống ổn định, nghiệm phương trình đặc tính nằm vịng trịn đơn vị góc quay biểu đồ đa thức đặc tính 2nπ Do tính đối xứng nghiệm phức nên ta chỉ cần xét thay đổi từ đến π Vậy, tiêu chuẩn Mikhailôp mở rộng phát biểu: Hệ điều khiển số có phương trình đặc tính bậc n ổn định biểu đồ đa thức đặc tính quay góc nπ quanh tâm toạ độ ωT thay đổi từ đến π ++)Tiêu chuẩn Nyquist mở rộng Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai ωT Phép biến đổi Z = ω2 dùng để vẽ biểu đồ BODE cho hệ Điều khiển số T 1− Tiêu chuẩn ổn định Nyquist cho hiện liên tục chuyển sang hệ rời rạc Ta có: N=Z-s (1.11) 1+ Trong đó: N: số vịng kín theo chiều kim đồng hồ bao quanh điểm (-l, j0) đường GH(z) hay G(z)H(z) Z lấy giá trị mặt phẳng Z; s: số nghiệm cực không ổn định GH(z) hay G(z)H(z); Z: số nghiệm khơng ổn định phương trình đặc tính hệ kín Độ dự trữ ổn định biên độ pha hệ tuyến tính liên tục mặt phẳng G(s)H(s) áp dụng cho mặt phăng GH(z) hay HC(z) c/.Đáp ứng độ hệ thống điều khiển số Chất lượng hệ thống điều khiển đánh giá trực tiếp từ đồ thị đáp ứng đầu hệ thống, với tín hiệu đầu vào xác định Đáp ứng độ hệ thống đáp ứng đầu hệ đầu vào hàm bước nhảy đơn vị 1(t) Dựa vào đáp ứng q độ, ta tính thơng số chi tiêu chất lượng như: Sai số xác lập, độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động v.v Đối với hệ thống liên tục, việc xây dựng đáp ứng độ tìm nghiệm phương trình vi phân (phương pháp Runge Kuta) phương trình sai phân (phương pháp Tustin) dùng phương pháp gián tiếp (phương pháp hình thang), phương pháp đại số (tốn tử Laplace), phương pháp mơ phỏng, Thực tế cho thấy, tất phương pháp phân tích đáp ứng độ xác lập cho hệ liên tục áp dụng cho hệ rời rạc Với phép biến đổi Z, đáp ứng thời gian hệ thống số tín hiệu lấy mẫu thời điểm T (s) Chất lượng động hệ điều khiển số đánh giá thông qua nghiệm cực nghiệm Zero hàm truyền số mặt phẳng Z Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang Tiểu luận mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc Cấu tạo: Gồm phần phần cảm, phần ứng cổ góp Phần ứng Phần cảm Cổ góp chổi than Hình 2.1 Cấu tạo động điện chiều + Phần cảm phận tạo từ tường nam chân điện vĩnh cửu cuộn dây quấn quanh lõi thép Cuộn dây cấp dịng điện rẽ từ dịng phần ứng gọi kích từ song song, cuộn dây nối tiếp với cuộn phần ứng gọi kích từ nối tiếp, kết hợp vừa nối tiếp vừa song song Ngồi người ta ni nguồn cho cuộn kích từ nguồn điện riêng gọi kích từ độc lập + Phần ứng bao gồm khung dây lõi thép phần nhận dịng điện từ cổ góp nghịch lưu, nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ lực điện từ tác động lên khung dây làm quay roto + Cổ góp phiến đồng cách gắn lên trục động chổi than quét lên chúng Cổ góp có chức chuyển đổi dịng điện chiều thành xoay chiều cấp cho phần ứng Nguyên lý làm việc: Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp kích từ U kt cuộn dây xuất hiện dịng Ikt mạch động sinh từ thông Φ Đặt điện áp U vào mạch phần ứng mạch phần ứng có dịng điện I chạy qua Tương tác dịng điện phần ứng từ thơng kích thích tạo mô men điện từ Giá trị mô men đ ược tính sau: mM = pN = KΦI u 2πa p Số đôi cực động N Số dẫn phần ứng cực từ a Số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng I Dịng điện phần ứng [A] Φ Từ thơng dịng kích từ sinh [Wb] 2.2 Phân loại Căn vào phương kích từ người ta chia động chiều thành loại sau: - Động chiều kích từ độc lập, Nam châm vĩnh cửu Iư + Rư Ikt E U Ukt Rkt - Hình 2.2 Động chiều kích từ độc lập - Động chiều kích từ nối tiếp Iư Rư + Int U E Rnt - Hình 2.3 Động chiều kích từ nối tiếp - Động chiều kích từ song song Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang 10 Tiểu luận mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Sử dụng phép biến đổi Laplace ta có tỷ số tốc độ đầu với điện áp vào U u ( p ) = Lu ω( p ) Uu( p ) = J J p 2ω( p ) + Ru p ω( p ) + KΦω( p ) KΦ KΦ J J Lu p + Ru p + KΦ KΦ KΦ Như hàm truyền đạt động lúc Mc = 0, KΦđm là: Wđc ( p ) = Kd TuTc p + Tc p + (2.5) Kd = KΦ đm Tu = Lu số thời gian điện từ Ru TC = Trong đó: Ru J số thời gian ( KΦ đm )2 hệ số khuếch đại động 2.4 Xây dựng mơ hình đợng Trên sở phương trình động cơ, sơ đồ cấu trúc điều khiển động điện chiều kích từ độc lập (ĐCMC) xây dựng sau: mT uu mM _ eu Ru Tu s + kMψ _ n 2πJs Keψ Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển ĐCMC Dựa sơ đồ cấu trúc động ta xây dựng mơ hình mơ động dựa khối có sẵn từ thư viện SIMULINK: Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 12 Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Hình 2.7 Mơ hình mơ ĐCMC xây dựng khối có sẵn từ thư viện SIMULINK 2.5 Khảo sát đặc tính đợng Ta tiến hành khảo sát ĐCMC MATLAB&SIMULINK mơ hình vừa xây dựng, với giả thiết kích từ động định mức, điện áp đặt vào phần ứng động định mức Giả sử ta sử dụng động có thơng số sau (các thơng số chuẩn bị thong_so_dongco.m): Công suất định mức: Pđm=3731W; Điện áp phần ứng định mức: Uưđm =240V; Dòng điện phần ứng định mức: Iưđm =16.2 A; Tốc độ định mức: nđm =1220 vg/ph; Điện trở phần ứng: Rư =0.6 Ω; Điện cảm phần ứng: Lư=0.012 H; Mômen qn tính: J=1[kg.m2]; Kết mơ với giả thiết mơ men tải mT = 0: Hình2.8 Đáp ứng tốc độ dịng điện phần ứng khởi động khơng tải Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 13 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Nhận xét: - Q trình độ kết thúc sau 1,5 giây - Tốc độ động tăng dần, sau 1,5 giây tốc độ ổn định với giá trị vượt tốc độ định mức - Dịng điện phần ứng q trình q độ, ảnh hưởng xấu đến chất lượng mở máy Trong chế độ xác lập, khơng tải, dịng điện phần ứng nhỏ - Mômen động thể hiện hình: Hình2.9 Đáp ứng mơmen động khởi động không tải Khi mở máy, mômen mở máy động co lớn Sau hệ thống ổn định, mômen động mM = Xét q trình q độ sau đóng tải vào động cơ: thời điểm t = giây, cho động làm việc với tải định mức, ta thu kết sau: Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang 14 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Hình2.10: Đáp ứng tốc độ dịng điện phần ứng có tải t=3giây Nhận xét: - Quá trình độ sau đóng tải xảy 0,25 giây - Tốc độ động giảm xuống đến tốc độ định mức - Dòng điện phần ứng tăng lên đến giá trị định mức - Khi tải thay đổi, tốc độ động thay đổi theo, làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 15 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai CHƯƠNG III ỨNG DỤNG VÀO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ cấu trúc đợng điện mợt chiều kích thích đợc lập Từ phương trình mơ tả quan hệ điện - động chế độ xác lập độ, ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động sau: Uu, Iu , 1Ru, 1+s.T,u − Eu , kMΦđm mM − mT M J s ω kMΦđm Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc động điện chiều kích thích độc lập 3.2 Thông số động - mô mơ hình đợng Simulink: * Chọn động với thơng số sau: - Pđm = 10000 W - nđm = 1500 vòng/phút - U u , đm = 220 VDC - I u , đm = 16,2 A - U k đm = 240 VDC - I k đm = 1,0 A - Ru , = 0,6 Ω - Lu , = 0,012 H - Rk = 240 Ω - Lk = 120 H - Lm = 1,8 H - kM = 1,0014 - Φ đm = 1,8 Wb -J = 1,0 kg.m2 Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 16 Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ động sau: * Uω − Rω * U iu − RI U đk Chỉnh lưu Uu, ĐMđl1 Iu , ω ĐMđl2 U iu Uω Cảm biến dịng Phát tốc Hình 3.2: Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ động điện chiều Để đơn giản ta tổng hợp mạch vòng tốc độ tổng hợp mạch vòng dòng điện nghĩa sử dụng kết giả thiết trước (tức E = 0) Ta có mơ hình đối tượng có mạch vịng điều chỉnh tốc độ với điều chỉnh tốc độ R ω hình : U ω* Rω ω J.p − Uω Mc − Hình 3.3: Cấu trúc thu gọn mạch vịng điều chỉnh tốc độ động điện chiều Wđc ( p) = K đc KĐ = Tu , Tc p + Tc p + (T1 p + 1)(T2 p + 1) 3.3 Thiết kế bộ điều khiển số điều khiển đợng điện mợt chiều kích từ đợc lập Từ sơ đồ hình 2.2 ta có cấu trúc điều khiển số mạch vòng điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập: Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển số mạch vòng điều chỉnh tốc độ động điện chiều Trong đó: * * - GC ( p ) hàm truyền điều khiển số ( Rω ( p) ) mạch vòng điều chỉnh tốc độ Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 17 Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hoàng Mai * - GC1 ( p ) hàm truyền điều khiển số ( RI* ( p ) ) mạch vòng điều chỉnh dòng điện - G p1 ( p ) = K cl K dc J.p Tcl p +1 Tu Tc p + Tc p +1 k M Φ đm - G p ( p) = k M Φ đm J.p - M ( p ) = K dđ hàm truyền cảm biến dòng điện - M ( p ) = K ft hàm truyền máy phát tốc Khai triển sơ đồ khối ta có sơ đồ sau: Viết lại biểu thức mô tả mối quan hệ tín hiệu hệ thống sau: * * * - E2 ( p) = X ( p) − Ym ( p ) (1) * * * - X ( p ) = Gc ( p ).E2 ( p ) (2) * * * - E1 ( p ) = X ( p) − Y1m ( p) (3) * * * - U ( p) = Gc1 ( p ).E1 ( p) (4) - Y ( p ) = H 0G p1G p ( p ).U ( p ) * [ ⇒ Y * ( p ) = H 0G p1G p ( p).U * ( p ) ] * * ⇒ Y * ( p ) = H 0G p1G p ( p ).U * ( p ) * - Y1m ( p ) = H 0G p1M ( p).U ( p ) [ ⇒ Y1* ( p ) = H 0G p1M ( p ).U * ( p ) m ] (5) * * ⇒ Y1* ( p) = H 0G p1M ( p).U * ( p) m * - Ym ( p ) = H 0G p1G p M ( p ).U ( p ) [ * ⇒ Ym ( p) = H 0G p1G p M ( p ).U * ( p ) * (6) ] * ⇒ Ym ( p) = H 0G p1G p M ( p).U * ( p ) * (7) T Chuyển biểu thức (*) sang toán tử Z cách thay p = ln z ta có hệ phương trình sau: - E2 ( z ) = X ( z ) − Ym ( z ) (1') Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 18 Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hoàng Mai - X ( z ) = Gc ( z ).E2 ( z ) (2') - E1 ( z ) = X ( z ) − Y1m ( z ) (3') - U ( z ) = Gc1 ( z ).E1 ( z ) (4') - Y ( z ) = H 0G p1G p ( z ).U ( z ) (5') - Y1m ( z ) = H 0G p1M ( z ).U ( z ) (6') - Ym ( z ) = H 0G p1G p M ( z ).U ( z ) (7') Từ hệ phương trình M ( p) = K dđ = K1 , M ( p) = K ft = K ta vẽ lại sơ đồ khối sau: Trong đó: - Gc ( z ) = A0td z + A1td z −1 Với Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 19 Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hoàng Mai K Itd T K T + A1td = − K ptd + Itd + A0td = K ptd + A0td z + A1td E2 ( z ) z −1 zX ( z ) − X ( z ) = A0td zE2 ( z ) + A1td E2 ( z ) Mặt khác, ta có: X ( z ) = Gc ( z ).E2 ( z ) = X ( z ) − z −1 X ( z ) = A0td E2 ( z ) + A1td z −1E2 ( z ) x1 (kT ) − x1[(k − 1)T ] = A0td e2 (kT ) + A1td e2 [(k − 1)T ] x1 (kT ) = x1[(k − 1)T ] + A0td e2 (kT ) + A1td e2 [(k − 1)T ] x1 (k ) = x1 (k − 1) + A0td e2 (k ) + A1td e2 (k − 1) - H 0G p1 ( z ) = (8) G p1 ( p ) z − G p1 ( p ) K cl K dc J.p Ζ = Với z p Tcl p + (T1 p + 1)(T2 p + 1) k M Φ đm p p Trong số thời gian Tcl nhỏ nên đặt TΣ = Tcl + T1 = 0,0245 Lúc ta xấp xỉ hàm truyền: ⇒ H 0G p1 ( z ) = = p = K dc K cl J k M Φ đm (T∑ p + 1)(T2 p + 1) z − K dc K cl J Ζ z k M Φ đm (T∑ p + 1)(T2 p + 1) T∑ z − K dc K cl J T2 Ζ − T p + T p + z k M Φ đm T2 − T∑ ∑ = K Với: K = G p1 ( p) z −1 z z − z z − B z −C K dc K cl J T T , B = e − T2 , C = e − T∑ k M Φ đm T2 − T∑ ⇒ H 0G p1 ( z ) = K1 ( z − 1) Với K1 = K ( B − C ) ( z − B )( z − C ) A0 dd z + A1dd Với z −1 K T + A0 dd = K pdd + Idd K T + A1dd = − K pdd + Idd Gc1 ( z ) - Ta có: U ( z ) = + K G ( z ).H G ( z ) X ( z ) dd c1 p1 - Gc1 ( z ) = = + K dd A0 dd z + A1dđ z −1 A0 dd z + A1dđ z −1 K1 z −1 ( z − B )( z − C ) Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 20 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ = TS Nguyễn Hồng Mai a1 z + a2 z + a3 z1 + a4 X1( z) b1 z + b2 z + b3 z1 + b4 Trong đó: + a1 = A0 dd + a2 = A1dd − A0 dd ( B + C ) + a3 = A0 dd B.C − A1dd ( B + C ) + a4 = A1dd B.C + b1 = + b2 = K dd K1 A0 dd − B − C − + b3 = B.C + K dd K1 A1dd − ( K dd K1 A0 dd − B − C ) + b4 = − B.C − K dd K1 A1dd ⇒ b1 z 3U ( z ) + b2 z 2U ( z ) + b3 zU ( z ) + b4U ( z ) = a1 z X ( z ) + a2 z X ( z ) + a3 zX ( z ) + a4 X ( z ) b1U ( z ) + b2 z −1U ( z ) + b3 z −2U ( z ) + b4 z −3U ( z ) = a1 X ( z ) + a2 z −1 X ( z ) + a3 z −2 X ( z ) + a4 z −3 X ( z ) b1u ( kT ) + b2u[( k − 1)T ] + b3u[( k − 2)T ] + b4u[( k − 3)T ] = a1x1 ( kT ) + a x1[( k − 1)T ] + a3 x1[( k − 2)T ] + a4 x1[( k − 3)T ] b1u (k ) + b2u (k − 1) + b3u (k − 2) + b4u (k − 3) = a1 x1 (k ) + a2 x1 (k − 1) + a3 x1 (k − 2) + a4 x1 (k − 3) u (k ) = b1 [ − b2u (k − 1) − b3u (k − 2) − b4u (k − 3) + a1x1(k ) + a2 x1(k − 1) + a3x1(k − 2) + a4 x1(k − 3)] - Ta có: (9) Y (z) = H 0G p1G p ( z ) U ( z) = z − G p1 ( p ).G p ( p ) Ζ z p = z −1 K dc K cl Ζ z p (Tcl p + 1)(T1 p + 1)(T2 p + 1) = z −1 K dc K cl Ζ z p(T∑ p + 1)(T2 p + 1) = 1 T∑ z −1 T22 K Ζ + − z p (T2 − T∑ )(T∑ p + 1) (T2 − T∑ )(T2 p + 1) = z −1 z z z K + K3 − K4 z z −C z−B z −1 Trong đó: + K = K cl K dc + K3 = T∑ T2 − T∑ + K4 = T2 T2 − T∑ Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 21 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ ⇒ TS Nguyễn Hồng Mai Y ( z ) c1 z + c2 z + c3 = Với: U ( z ) d1 z + d z + d3 + c1 = K (1 + K − K ) + c2 = K ( K C + K − B − C − B.K − K ) + c3 = K ( B.C + B.K − C.K ) + d1 = + d2 = −B − C + d = B.C ⇒ d1 z 2Y ( z ) + d zY ( z ) + d 3Y ( z ) = c1 z 2U ( z ) + c2 zU ( z ) + c3U ( z ) d1Y ( z ) + d z −1Y ( z ) + d z −2Y ( z ) = c1U ( z ) + c2 z −1U ( z ) + c3 z −2U ( z ) d1 y (kT ) + d y[(k − 1)T ] + d y[(k − 2)T ] = c1u (kT ) + c2u[(k − 1)T ] + c3u[(k − 2)T ] d1 y (k ) + d y (k − 1) + d y (k − 2) = c1u (k ) + c2u (k − 1) + c3u (k − 2) y (k ) = [ − d y(k − 1) − d3 y(k − 2) + c1u (k ) + c2u (k − 1) + c3u (k − 2)] d1 (10) - Ym ( z ) = K ft Y ( z ) ⇒ ym ( k ) = K ft y ( k ) (11) - E2 ( z ) = X ( z ) − Ym ( z ) ⇒ e2 (k ) = x(k ) − ym (k ) (12) 3.4 Mô kết quả: 3.4.1 Chương trình viết matlab clear all % Tan so dien ap luoi f = 50; % Thong so cua dong co dien mot chieu Pdm = 10000; % Cong suat dinh muc Uudm = 220; % Dien ap phan ung dinh muc Iudm = 16.2; % Dong dien phan ung dinh muc Uktdm = 240; %Dien ap kich tu dinh muc Iktdm = 1; % Dong dien kich tu dinh muc ndm = 1500; %[v/f] Toc dinh muc wdm = ndm*2*pi/60; % Toc dinh muc [rad/s] Mdm = Pdm/wdm; %Momen dinh muc Ru = 0.6; %Dien tro mach phan ung Lu = 0.012; %Dien khang mach phan ung Tu = Lu/Ru; %Hang so thoi gian dien tu mach phan ung Rkt = 240; % Dien tro mach kich tu Lkt = 120;% Dien khang mach kich tu Tkt = Lkt/Rkt; %Hang so thoi gian mach kich tu Lm = 1.8; %Dien khang tu hoa J = 1; %Momen quan tinh Eudm = Uudm-Ru*Iudm; %Suc dien dong dinh muc KFidm = Eudm/wdm; %K*Phi dinh muc Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 Trang 22 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai kM = KFidm/(Lm*Iktdm); %Hang so dong co Fidm = KFidm/kM; % Tu thong dinh muc Kdc = 1/KFidm; %He so khuyech dai cua dong co Tc = Ru*J/(KFidm^2); %Hang so thoi gian co % Thong so bo chinh luu Kcl = Uudm/10; %He so khuyech dai chinh luu p = 6; % So xung(chinh luu ba pha) Tcl = 1/(2*p*f); % He so tre cua chinh luu % Thong so cua may phat toc Kft = wdm/10; %He so khuech dai cua may phat toc % Thong so cua cam bien dong dien Kdd = Iudm/10; %He so khuech dai cua cam bien dong dien % Chu ky lay mau T = 0.001; % Thoi gian mo phong Time = 0.4; % So buoc tinh Kmax = floor(Time/T); % Cac thong so cua bo dieu khien PI tuong tu mach vong dong dien Kpdd = 0.091; Kidd = 4.55; % Cac thong so cua bo dieu khien PI tuong tu mach vong toc Kptd = 10.346; Kitd = 739; % Xac dinh cac hang so cua bo dieu khien PI so mach vong dong dien A0dd = Kpdd + Kidd*T/2; A1dd = -Kpdd + Kidd*T/2; % Xac dinh cac hang so cua bo dieu khien PI so mach vong toc A0td = Kptd + Kitd*T/2; A1td = -Kptd + Kitd*T/2; % Cac hang so cua ham truyen HoGp1(z) T1 = 0.0228; T2 = 0.1619; Txichma = Tcl + T1; K = (Kdc*Kcl*J)/(kM*Fidm*(T2 - Txichma)); B = exp(-T/T2); C = exp(-T/Txichma); K1 = K*(B - C); Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang 23 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai % Cac hang so cua ham truyen cua U(z)/X1(z) a1 = A0dd; a2 = A1dd - A0dd*(B + C); a3 = A0dd*B*C - A1dd*(B + C); a4 = A1dd*B*C; b1 = 1; b2 = Kdd*K1*A0dd - B - C - 1; b3 = B*C + Kdd*K1*A1dd - (Kdd*K1*A0dd - B - C); b4 = -B*C - Kdd*K1*A1dd; % Cac hang so cua ham truyen cua Y(z)/U(z) K2 = Kcl*Kdc; K3 = Txichma/(T2 - Txichma); K4 = T2/(T2 - Txichma); c1 = K2*(1 + K3 - K4); c2 = K2*(K4*C + K4 - B - C - B*K3 - K3); c3 = K2*(B*C + B*K3 - C*K4); d1 = 1; d2 = -B -C; d3 = B*C; % Tao cac gia tri ban dau u(1) = 0; u(2) = 0; u(3) = 0; y(1) = 0; y(2) = 0; y(3) = 0; y(4) = 0; x(1) = 0; x(2) = 0; x(3) = 0; x1(1) = 0; x1(2) = 0; x1(3) = 0; e2(1) = 0; e2(2) = 0; e2(3) = 0; % Tinh cac tin hieu theo phuong phap de quy for k = 4:Kmax +1 % Dua dien ap dat vao de co toc dinh muc (X = Uwd) x(k) = wdm*Kft; % Dien ap phan hoi sau phat toc (Ym = Uw) ym(k) = Kft*y(k); % Tin hieu sai lech (E2(z) = X(z) - Ym(z)) e2(k) = x(k) - ym(k); % Tin hieu sau bo dieu khien PI mach vong toc (X1 = Uiud) x1(k) = x1(k-1) + A0td*e2(k) + A1td*e2(k-1); % Tin hieu sau bo dieu khien PI mach vong dong dien (U = Udk) u(k) = (-b2*u(k-1) - b3*u(k-2) - b4*u(k-3) + a1*x1(k) + a2*x1(k-1) + a3*x1(k-2) + a4*x1(k-3))/b1; % Toc w (Y = w) y(k) = (-d2*y(k-1) - d3*y(k-2) + c1*u(k) + c2*u(k-1) + c3*u(k-2))/d1; y(k+1) = y(k); end; % Xoa gia tri y(k) cuoi cung Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang 24 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai y(Kmax+2)=[]; % Tao truc thoi gian t = (0:Kmax)*T; 3.4.2.Sơ đồ mô Simulink: Học viên: Huỳnh Đức Hòa – Lớp: Tự Động Hóa – K24 Trang 25 Tiểu luận môn học ĐIỀU KHIỂN SỚ Học viên: Huỳnh Đức Hịa – Lớp: Tự Đợng Hóa – K24 TS Nguyễn Hồng Mai Trang 26 ... 1)(T2 p + 1) 3.3 Thiết kế bộ điều khiển số điều khiển động điện một chiều kích từ đợc lập Từ sơ đồ hình 2.2 ta có cấu trúc điều khiển số mạch vịng điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ... trình lượng tử hoá Hệ điều khiển số bao gồm hệ thu thập xử lý tín hiệu vi xử lý, vi điều khiển, hệ thống lớn có máy tính số 1.1 Sơ đồ một hệ điều khiển số x(t) - ADC Khâu điều chỉnh DAC u(t)...Tiểu ḷn mơn học ĐIỀU KHIỂN SỚ TS Nguyễn Hồng Mai Đề bài: Thiết kế hệ DCS để điều khiển động điện một chiều Thông số: Pđm = 10kW, Uđm = 220/380V, fđm = 50Hz,