Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN ĐÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI. Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Mã số:60520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào. Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975. Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” do thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Đào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng, luận văn với đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI” đã đƣợc hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Công ty cổ phần tự động hóa Hoàng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Đào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII LỜI NÓI ĐẦU X CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC. 1 1.1 Bài toán thực tế: 1 1.1.1 Giải pháp truyền thống 3 1.1.2 Giải pháp đề xuất 6 1.2 Mô hình hệ thống. 8 1.2.1 Giới thiệu: 8 1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống. 9 1.3 Tham số hệ thống. 13 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU MRAS 2-15 2.1 GIỚI THIỆU 2-15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp 2-15 2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 2-15 2.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 2-19 2.3 Phƣơng pháp ổn định của Lyapunov. 2-29 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN. 39 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển. 39 3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1. 40 3.3 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS. 45 3.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ. 54 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM 62 4.1 Giới thiệu: 62 4.2 Các mạch điện thực hiện. 63 4.3 Thực nghiệm trên mô hình. 67 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ Viết Tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt LFFC Learning Feed Forward Control MRAS Model Reference Adaptive System Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu PID Proportional - Integral - Derivative Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm STR Self Tuning Regulator Bộ điều khiển tự chỉnh FEL Learning Feedback Error Điều khiển học sai lệch phản hồi ILC Interative learning control Điều khiển học theo quá trình lặp AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều PWM Pulse – width modulation Điều chế độ rộng xung AD Analog digital Bộ biến đổi tƣơng tự -số MLP Multilayer perceptron LC Learning Control Bộ điều khiển học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ 1 Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ. 2 Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau. 3 Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ. 5 Hình 1-5: Giải pháp truyền thống. 6 Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. 7 Hình 1-7: Mô hình hệ thống. 9 Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 10 Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. 12 Hình 1-10: Mô hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải 13 Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số. 2-16 Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu. 2-17 Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp 2-18 Hình 2-4: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu 2-21 Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. 2-22 Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng khi thay đổi tham số bp. 2-23 Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp. 2-23 Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb. 2-24 Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT. 2-24 Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tƣợng và mô hình mẫu. 2-25 Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT. 2-25 Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb. 2-27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tƣợng và mô hình mẫu. .2- 27 Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb. 2-28 Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi. 2-28 Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov. .2- 36 Hình 2-17: Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tƣợng và mô hình mẫu. 2-37 Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb. 2-37 Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển. 40 Hình 3-2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện. 41 Hình 3-3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện 1. 44 Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện 1. 44 Hình 3-5: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2. 51 Hình 3-6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu. 51 Hình 3-7: Các tham số của bộ điều khiển. 52 Hình 3-8: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu khi thông số phần ứng thay đổi. 53 Hình 3-9: Các tham số của bộ điều khiển khi thông số phần ứng thay đổi. 53 Hình 3-10: Cấu trúc mạch vòng tốc độ. 55 Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ. 57 Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ. 58 Hình 3-13: Tốc độ động cơ dƣới điều kiện định mức. 59 Hình 3-14: Đáp ứng và sai lệch dòng điện của hai động cơ. 59 Hình 3-15: Tham số của bộ điều khiển. 60 Hình 4-1: Mô hình đối tƣợng. 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 4-2: Tổng thể hệ thống. 63 Hình 4-4: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực hiện. 64 Hình 4-4: Mặt trƣớc tủ điều khiển. 65 Hình 4-5: 06 Thyristor của mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha. 65 Hình 4-5: Mạch khuếch đại và truyền xung. 65 Hình 4-5: Mạch điều khiển pha xung. 66 Hình 4-5: Mạch điều khiển. 66 Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm. 67 Hình 4-10: Điện áp đồng bộ và điện áp răng cƣa. 68 Hình 4-11: Điện áp điều khiển và điện áp răng cƣa 68 Hình 4-12: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu so sánh. 69 Hình 4-13: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu sửa xung. 69 Hình 4-14: Xung chùm. 70 Hình 4-15: Nhân xung chùm. 70 Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor. 71 Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ của động cơ. 71 Hình 4-17: Dòng điện 2 động cơ. 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay, việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển, từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ở một ngã tƣ cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong nhà máy, xí nghiệp đƣợc đặc biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ thuật phải có trình độ ngày càng cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công nghệ mới tốt. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang đƣợc sử dụng lại yêu cầu ngƣời cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ cho các hệ thống đó. Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng tự nhƣ đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tƣơng xứng. Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”, tác giả đƣa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng [...]... hai động cơ nối cứng trục Vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục đƣợc xem xét Đồng thời xây dựng mô hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ nối cứng trục Chương 2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu - Model Reference Adaptive Systems – MRAS Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp đƣợc giới thiệu... hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS áp dụng cho bài toán chia tải hai động cơ - Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink - Thiết kế chế tạo mô hình và bộ điều khiển bằng mạch điện tử sử dụng khuếch đại thuật toán Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chƣơng, nội dung tóm tắt của các chƣơng nhƣ sau: Chương 1: Bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục... hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn Tƣơng tự nhƣ đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tƣơng xứng Động cơ 1 Động cơ 2 Tải. . .công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ đƣợc chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục Ƣu điểm của giải pháp là: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng nhƣ bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn Phương pháp nghi n cứu của đề tài như sau: - Nghi n cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ một chiều nối cứng trục - Nghi n... định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai đƣợc hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1-6) Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế dựa trên mô hình mẫu đƣợc tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó Với cấu trúc này trong... thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải; Trƣờng hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả động cơ còn lại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ AC AC Driver 2 Driver 1 Động cơ 2 Động cơ 1 Tải Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch... 2 Tải Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 hay nhiều hơn 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ đƣợc chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục... hai động cơ nối cứng trục, vấn đề phân chia tải giữa chúng đƣợc thực hiện thông qua việc điều khiển dòng điện của hai động cơ luôn bám theo nhau Để đạt đƣợc yêu cầu khắt khe này trong điều kiện hệ thống chịu tác động của nhiễu, cũng nhƣ bất định tham số, giải pháp đƣa ra là sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS Cũng trong chƣơng I, mô hình toán của hai động cơ nối cứng trục, và các... ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU MRAS Nội dung chương giới thiệu về hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS (Model Reference Adaptive Systems) do giáo sư Job Van Amerongen – đại học Twente – Hà lan đề xuất Các khái niệm về mô hình mẫu, điều khiển thích nghi tham số, điều khiển thích nghi tín hiệu, điều khiển thích nghi trực tiếp... điển hình mà ở đó thƣờng yêu cầu sử dụng động cơ công suất lớn AC BBĐ Động cơ Tải Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Việc sử dụng động cơ công suất lớn áp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử dụng . THUẬT CÔNG NGHI P NGUYỄN VĂN ĐÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG. các bộ biến đổi công suất lớn tƣơng xứng. Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG. Công nghi p Thái Nguyên. Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG