Đang tải... (xem toàn văn)
Việc sử dụng máy tính số như là một thiết bị bù (compensator) hay một thiết bị điều khiển (controller) đã phát triển suốt hơn hai thập kỷ qua bởi sự hiệu quả và độ tin cậy ngày càng cao của nó. Hình 1 dưới đây là ví dụ cho sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển số mạch đơn. Máy tính số trong hệ thống này có nhiệm vụ nhận sự sai khác giữa tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi về dạng số và thực hiện việc tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển dạng số. Máy tính có thể được lập trình để với đầu ra đó, chất lượng của hệ thống đạt được hoặc gần đạt được chất lượng mong muốn. Nhiều máy tính còn có thể nhận và thao tác với một số đầu vào, do đó một hệ thống điều khiển số thường có thể là một hệ thống đa biến.
Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha MC LC LI M U. CHNG I TNG QUAN V H THNG IU KHIN S NG C KB PHA GII THIU H THNG IU KHIN S CKB PHA 1.1 S cu trỳc hờ thng iu khin s 1.2 Cỏc phng phỏp iu khin ng c khụng ng b 1.2.1 P hng phỏp iu chnh in ỏp CKB pha ( gi nguyờn tn s) 1.2.2 iu chnh tc CKB bng iu chnh in tr mch roto . 1.2.3 P hng phỏp iu chnh tn s .8 PHN TCH H THNG IU KHIN S. 12 2.1 H m truyn t v phng trỡnh trng thi i tng 12 2.2 K im tra tớnh iu khin c v tớnh quan sỏt c ca i tng 13 2.3 X ột n nh ca i Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha tng. 14 2.4 X ột n nh ca h thng kớn chua cú b iu khin 14 2.5 Q uỏ trỡnh quỏ ca h thng kớn chua cú b iu khin. 15 2.6 S o sỏnh kt qu vi Matlab / Simulink18 TNG HP H THNG 20 3.1 T ng hp h thng dung b iu khin PID 20 3.1.1 B iu khin PID v vic tỡm cỏc thụng s cho b iu khin PID 20 3.1.2 Chn thụng s cho b iu khin PID22 3.2 Tng hp h thng dung hi tip trng thỏi ..26 3.2.1.Nhc li v mụ hỡnh ca i tng 26 3.2.2.Cỏc phng phỏp tỡm b hi tip trng thỏi 27 3.2.3 Phng phỏp chn im cc ca Bassel 28 3.2.4 Xõy dng b c lng trng thỏi ( b quan sỏt trng thỏi ) 29 3.2.5 Tng hp h thng dung hi tip trng thỏi .31 3.2.6 So sỏnh hai b iu khin tỡm c 36 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha CHNG II THIT K PHN CNG H THNG IU KHIN S NG C KB PHA 37 S KHI V í TNG THIT K .. 37 MCH GẫP NI VO / RA S . 40 G II THCH S MCH NGUYấN Lí 40 CHNG III THIT K PHN MM H THNG IU KHIN S NG C KB PHA 46 PHNG THèNH SAI PHN CA B IU KH IN 46 P HNG N XY DNG CHNG TRèNH IU KHIN 47 CHN CễNG C LP TRèNH.48 M NGUN CHNG TRèNH .48 KT LUN.. 65 TI LIU THAM KHO . 66 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha Ch-ơng I TNG QUAN V H THNG IU KHIN S NG C KB PHA GII THIU H THNG IU KHIN S CKB PHA 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển số Các hệ thống điều khiển máy tính (điều khiển số) ngày đ-ợc sử dụng rộng rãi công nghiệp Chúng đóng vai trò quan trọng việc điều khiển trình công nghệ, nơi đòi hỏi kết hợp máy tính với cấu chấp hành để thực loạt nhiệm vụ khác Việc sử dụng máy tính số nh- thiết bị bù (compensator) hay thiết bị điều khiển (controller) phát triển suốt hai thập kỷ qua hiệu độ tin cậy ngày cao Hình d-ới ví dụ cho sơ đồ khối hệ thống điều khiển số mạch đơn Máy tính số hệ thống có nhiệm vụ nhận sai khác tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi dạng số thực việc tính toán để đ-a tín hiệu điều khiển dạng số Máy tính đ-ợc lập trình để với đầu đó, chất l-ợng hệ thống đạt đ-ợc gần đạt đ-ợc chất l-ợng mong muốn Nhiều máy tính nhận thao tác với số đầu vào, hệ thống điều khiển số th-ờng hệ thống đa biến Máy tính nhận xử lý tín hiệu dạng số, trái ng-ợc với tín hiệu liên tục Một hệ thống điều khiển số sử dụng tín hiệu số máy tính để điều khiển trình Do số liệu đo đ-ợc chuyển đổi từ dạng t-ơng tự sang dạng số biến đổi t-ơng tự - số (ADC - Analog to Digital Converter) nh- đ-ợc hình Sau xử lý đầu vào, máy tính đ-a đầu dạng số sau Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha tín hiệu đ-ợc chuyển đổi sang dạng t-ơng tự nhờ biến đổi số - t-ơng tự (DAC - Digital to Analog Converter) Reference Input (digital ) Digital (digital ) computer DAC (digital ) (analog ) (analog ) ADC Output (analog ) Actuator Sensors Hình 1: Ví dụ sơ đồ khối hệ thống điều khiển số Một cách tổng quát, ta có sơ đồ khối hệ thống điều khiển số (HTĐKS) nh- hình Interface out Power Amplifier Interface in PreAmplifier Object PC Senso r Hình 2: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều 1.2 Các ph-ơng pháp điều khiển động không đồng ba pha Động không đồng (ĐCKĐB) ba pha đ-ợc sử dụng rộng rãi công nghiệp, từ công suất nhỏ đến công suất trung bình chiếm tỷ lệ lớn so với động khác Ưu điểm dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn áp trực tiếp từ l-ới điện xoay chiều pha Tuy nhiên, tr-ớc đây, hệ thống truyền động ĐCKĐB có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ nhỏ việc điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB khó khăn ĐC chiều Trong thời gian gần đây, việc phát triển mạnh công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất kỹ thuật điện tử tin học, ĐCKĐB khai thác đ-ợc -u điểm dần có xu h-ớng thay cho ĐC chiều hệ truyền động Để điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB pha, tr-ớc hết ta viết lại phơng trình đặc tính : Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha (1) M 3U R2 s R1 R2 s X nm : _tốc độ góc từ tr-ờng quay ff với f1 _ tần số điện áp stator p p _ số đôi cực từ U1 _ trị số hiệu dụng điện áp pha stator R1_ điện trở cuộn dây stator R2' _ điện trở rotor quy đổi stator Xnm _ điện kháng ngắn mạch s _ hệ số trợt động s tốc độ góc động 1 với Ph-ơng trình (1) cho thấy M=f(s) phụ thuộc vào đại l1 ợng U1, , R2 T-ơng ứng với đại l-ợng ta có ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp động cơ, ph-ơng pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor ph-ơng pháp điều chỉnh tần số Sau xem xét lần l-ợt ph-ơng pháp ý t-ởng thực chúng HTĐKS 1.2.1 Ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp ĐCKĐB ba pha (giữ nguyên tần số) Nh- trình bày phần trên, momen ĐCKĐB ba pha tỷ lệ với bình ph-ơng điện áp đặt lên stator Điều có nghĩa thay đổi điện áp stator mô men động thay đổi bình ph-ơng lần Dựa vào điều khiển đ-ợc tốc độ ĐCKĐB ba pha Sơ đồ khối nguyên lí đặc tính điều chỉnh ph-ơng pháp đ-ợc hình Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha a) b) Ul,fl f ĐAXCC fl đttn,đ ,Rf=0 m U Uđ k Ub st Ub2 h Rf đtgh,đ ,R m U Ub1 Mc Mt M h Hình 3: Điều chỉnh điện áp ĐCKĐB: a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Đặc tính điều chỉnh Để điều chỉnh điện áp ĐCKĐB, phải dùng biến đổi điện áp xoay chiều Bộ biến đổi điện áp xoay chiều phổ biến sử dụng van bán dẫn có cực điều khiển (hình 4) Bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đóng mở van bán dẫn, ta điều chỉnh đ-ợc điện áp stator, từ thay đổi đ-ợc tốc độ động Việc phát xung điều khiển hoàn toàn thực đ-ợc máy tính Tín hiệu từ vi xử lý qua biến đổi đ-a tới khối điều khiển Thyristor Đồng thời tín hiệu phản hồi dòng phản hồi tốc độ động đ-ợc đ-a vi xử lý thông qua biến đổi để vi xử lý tính toán đ-a tín hiệu điều khiển Hình sau minh hoạ cho diễn giải Hình 4: ĐAXC dùng van bán dẫn Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha ĐAXC Data Buffer Latch ADC Mạch giải mã Latch DAC > VXL KĐ BĐ Hình 5: Sơ đồ khối ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp stator Ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp stator có nh-ợc điểm gây tổn thất l-ợng, điện áp không sin sinh dòng Fucô làm nóng động 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động không đồng điều chỉnh điện trở mạch rotor a Sơ đồ mạch nguyên lý 10 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha b Nguyên lý điều chỉnh Điều chỉnh điện trở rotor ph-ơng pháp xung Khi điện áp đ-ợc chỉnh l-u cầu diode, đ-ợc cấp vào mạch điều chỉnh gồm có điện trở R nối song song với khoá bán dẫn T1 Khoá đ-ợc đóng cắt theo chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình điện trở toàn mạch c.Ph-ơng pháp điều chỉnh Khi khoá T1 đóng, điện trở R0 bị loại khỏi mạch, dòng rotor tăng lên, khoá T1 mở điện trở R0 lại đ-ợc đa vào mạch, dòng điện rotor giảm Nhờ có điện cảm L mà dòng rotor coi nh- không đổi Với tần số đóng ngắt định, ta có giá trị điện trở t-ơng đ-ơng R e mạch 11 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha Ph-ơng pháp điều chỉnh rõ ràng áp dụng đợc với động không đồng rotor dây quấn, động không đồng rotor lồng sóc đ-ợc dùng phổ biến cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao không cần bảo d-ỡng Vì ta không cần quan tâm đến phơng pháp 1.2.3 Ph-ơng pháp điều chỉnh tần số Ph-ơng pháp điều chỉnh điện áp stator điều chỉnh điện trở rotor áp dụng chủ yếu cho việc điều khiển ĐCKĐB ba pha rotor dây quấn Việc điều khiển ĐCKĐB pha rotor lồng sóc tr-ớc khó thực Ngày nay, phát triển mạnh mẽ điện tử công suất lớn kỹ thuật vi xử lý mở khả ứng dụng có hiệu ph-ơng pháp điều khiển động lồng sóc thiết bị biến tần Ph-ơng pháp cho phép điều chỉnh tốc độ động phạm vi rộng với độ xác cao Khi điều chỉnh tần số, để trì chế độ làm việc tốt nhất, phải điều chỉnh điện áp stator Đối với hệ thống biến tần nguồn áp th-ờng có yêu cầu giữ cho khả tải momen không đổi: M const th M đó: 12 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha c Module hộp thoại About: File UAbout.h #ifndef UAboutH #define UAboutH // #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include // class TAboutBox : public TForm { published: TPanel *Panel1; TLabel *ProductName; TLabel *Copyright; TButton *OKButton; TMemo *Memo1; TLabel *Notice; void fastcall FormClose(TObject *Sender, TCloseAction &Action); void fastcall OKButtonClick(TObject *Sender); private: public: virtual fastcall TAboutBox(TComponent* AOwner); }; // extern PACKAGE TAboutBox *AboutBox; // #endif 74 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha File UAbout.cpp // #include #pragma hdrstop #include "UAbout.h" // -#pragma resource "*.dfm" TAboutBox *AboutBox; // - fastcall TAboutBox::TAboutBox(TComponent* AOwner) : TForm(AOwner) { } // -void fastcall TAboutBox::FormClose(TObject *Sender, TCloseAction &Action) { Action = caHide; } // -void fastcall TAboutBox::OKButtonClick(TObject *Sender) { Close(); } // 75 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha d Module chứa Thread Class điều khiển: File UControl.h // -#ifndef UControlH #define UControlH // #include #include "GraphScope.h" // class TControlThread : public TThread { private: int64 SmplCnt; //Sampling Time Count Value protected: void fastcall Execute(); void fastcall RunWhenTerminate(TObject *Sender); void fastcall ChangebControlling(); public: fastcall TControlThread(bool CreateSuspended); }; // #endif File UControl.cpp 76 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha // #include #pragma hdrstop #include #include #include #include "UControl.h" "common.h" "UMain.h" #pragma package(smart_init) // -// Important: Methods and properties of objects in VCL can only // be // used in a method called using Synchronize, for example: // // Synchronize(UpdateCaption); // 77 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha // where UpdateCaption could look like: // // void fastcall Unit1::UpdateCaption() // { // Form1->Caption = "Updated in a thread"; // } // fastcall TControlThread::TControlThread(bool CreateSuspended) : TThread(CreateSuspended) { Priority = tpHighest; FreeOnTerminate = true; OnTerminate = RunWhenTerminate; //Khoi tao phan cung //So dem cho 8254 unsigned short int Count8254 = TSamp * 20000; asm { MOV DX, 0x313 78 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha MOV OUT AL, 0xB6 DX, AL MOV MOV OUT DX, 0x312 AX, Count8254 DX, AL XCHG AH, AL OUT DX, AL //Counter0: mode 2, 16bit, value=FFFF MOV DX, 0x313 MOV AL, 0x34 OUT DX, AL MOV DX, 0x310 MOV AL, 0xFF OUT DX, AL NOP //delay OUT DX, AL //Counter1: mode 2, 16bit, value=FFFF MOV DX, 0x313 MOV AL, 0x74 OUT DX, AL MOV DX, 0x311 MOV AL, 0xFF OUT DX, AL NOP //delay OUT DX, AL } } 79 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha // void fastcall TControlThread::Execute() { double u_old, e_old[2]; double y, w, u, e; double A,B,C; Synchronize(ChangebControlling); u_old = 0.0; e_old[0] = e_old[1] = 0.0; A = (Ki*TSamp*TSamp + 2*Kd + 2*Kp*TSamp)/2/TSamp; B = (Ki*TSamp*TSamp - 2*Kp*TSamp - 4*Kd)/2/TSamp; C = Kd/TSamp; _LARGE_INTEGER freq; if (!(::QueryPerformanceFrequency(&freq))) 80 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha { MessageDlg("No high-accuracy timer found.", mtError, TMsgDlgButtons() Acquire(); dSpeed = y; w = desSpeed; ThreadProtect>Release(); //Thuat toan dieu khien e = w - y; u = u_old + A*e + B*e_old[0] + C*e_old[1]; //Va xuat tin hieu dieu khien u_dk = u*heso_u; asm { MOV DX, 0x314 MOV AL, u_dk OUT DX, AL } 82 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha u_old = u; e_old[1] = e_old[0]; e_old[0] = e; lastTime = curTime; } } // -void fastcall TControlThread::RunWhenTerminate(TObject *Sender) { Synchronize(ChangebControlling); } void fastcall TControlThread::ChangebControlling() { bControlling = !bControlling; frmMain->ChangeControlState(); } e Module hộp thoại Settings: File USettings.h 83 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha // #ifndef USettingsH #define USettingsH // #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "CSPIN.h" // class TdlgSettings : public TForm 84 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha { published: TButton *OKBtn; TButton *CancelBtn; TGroupBox *GroupBox1; TLabel *Label1; TEdit *EncNumPulse; TButton *Button1; TGroupBox *GroupBox2; TLabel *Label4; TCSpinEdit *SampTime; TButton *Button2; void fastcall Button1Click(TObject *Sender); void fastcall Button2Click(TObject *Sender); private: public: virtual fastcall TdlgSettings(TComponent* AOwner); }; // extern PACKAGE TdlgSettings *dlgSettings; // #endif File USettings.cpp // #include #pragma hdrstop #include "USettings.h" // #pragma link "CSPIN" #pragma resource "*.dfm" TdlgSettings *dlgSettings; // fastcall TdlgSettings::TdlgSettings(TComponent* AOwner) : TForm(AOwner) 85 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha { } // void fastcall TdlgSettings::Button1Click(TObject *Sender) { EncNumPulse->Text = "2000"; } // void fastcall TdlgSettings::Button2Click(TObject *Sender) { SampTime->Value = 5; } // -f Module chứa định nghĩa biến chung: File common.h 86 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha #ifndef COMMONH #define COMMONH #include #include //bControlling: is the computer controlling the Motor ? extern bool bControlling; //dSpeed: current speed (rpm) extern double dSpeed; //StartControlTime: the time at which controlling starts extern time_t StartControlTime; //ThreadProtect: protect thread crisis extern TCriticalSection *ThreadProtect; //NumPulse: Number of Pulse per Rotate extern unsigned int NumPulse; //TSamp: Sampling Time extern double TSamp; //desSpeed: desired speed extern double desSpeed; //Kp, Ki, Kd: parameters of PID controller extern double Kp, Ki, Kd; #endif COMMONH File common.cpp #include "common.h" bool bControlling = false; double dSpeed = 0.0; double desSpeed = 0.0; //desired speed time_t StartControlTime; TCriticalSection *ThreadProtect; unsigned int NumPulse = 2000; double TSamp = 0.005; double Kp, Ki, Kd; 87 Nghiờn cu, thit k h thng iu khin s cho ng c KB pha 88 ... (z) 0 .37 05Kdc z 0 .33 11K z dc 1.73z 0.7408 0 .37 05Kdc z 0 .33 11Kdc 0 .37 05Kdc z 0 .33 11Kdc z2 (0 .37 05Kdc 1. 73) z (0.7408 Với Kdc = ta có: 3. 334 5z 2.9799 Wht (z) z 1.6045z 3. 7207 19 0 .33 11Kdc ) Nghiờn... H THNG 3. 1 Tổng hợp hệ thống dùng điều khiển PID: 3. 1.1 Bộ điều khiển PID việc tìm thông số cho điều khiển PID: Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) điều khiển kinh điển, đ-ợc... s cho ng c KB pha Ch-ơng I TNG QUAN V H THNG IU KHIN S NG C KB PHA GII THIU H THNG IU KHIN S CKB PHA 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển số Các hệ thống điều khiển máy tính (điều khiển số)