Thiet ke bo dieu khien pid(fileminimizer)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

THIẾT KẾ MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Đề số 37 : Cho một hệ truyền động động cơ-xe. Xây dựng
bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ
độc lập.
u cầu nội dung

Thơng số kỹ thuật

- Xây dựng mơ hình động cơ một chiều kích Động cơ JI-72:
từ độc lập.
- Xây dựng mơ hình điều khiển truyền động
cho xe .

Pđm=25(kW),Uđm=220(V),
Iđm=132(A),

1500

(v/p), Rư= 0.0966 (Ω), Lư=

- Tính chọn các bộ điều khiển .
- Mô phỏng đáp ứng trên Simulink với các

0.0063 (H), J= 1.2 (kg.m2)

nhiễu tải khác nhau và đánh giá kết quả.

Giáo viên hướng dẫn: TRẦN TIẾN LƯƠNG
Sinh viên thực hiện : PHẠM ĐỨC LONG
Mã sinh viên

: 39187

Nhóm

: N03

Ketnooi.com kết nối cơng dân điện tử

nđm=

0


Hải Phịng-năm 2013
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
Mục lục
Lời nói đầu
Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động
1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều
1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều
1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều
1.2.Yêu cầu công nghệ
1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều
1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID
1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động
2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động
2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mơ hình tốn của các thành phần
2.2.1.Bộ điều khiển
2.2.2.Bộ biến đổi
2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
2.2.4.Thiết bị đo lường

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

1


Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng
3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển
3.1.1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện
3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí
3.2.Kết quả mơ phỏng
3.2.1.Tính tốn thông số
3.2.2.Kết quả mô phỏng
Kết luận

Sinh viên thực hiện

Giáo viên hướng dẫn

Phạm Đức Long

Trần Tiến Lương

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

2


MỤC LỤC
Lời nói đầu

5

Chương 1. Tổng quan về hệ truyền động

6

1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều

6

1.1.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều

6

1.1.2.Phân loại động cơ điện một chiều

7

1.1.3.Điều khiển động cơ điện một chiều

8

1.2.Yêu cầu công nghệ

8

1.3.Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển động cơ điện một chiều

9

1.3.1.Khái quát về bộ điều khiển PID

9

1.3.2.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

11

Chương 2. Giới thiệu cấu trúc hệ truyền động

17

2.1.Đề xuất cấu trúc chung của hệ truyền động

17

2.2.Các thành phần của hệ truyền động và mô hình

17

tốn của các thành phần

2.2.1.Bộ điều khiển

17

2.2.2.Bộ biến đổi

23

2.2.3.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

24

Ketnooi.com kết nối cơng dân điện tử

3


2.2.4.Thiết bị đo lường

30

Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển và kết quả mô phỏng

32

3.1.Tổng hợp các bộ điều khiển

32

3.1.1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

32

3.1.2.Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ

35

3.1.3.Tổng hợp bộ điều khiển vị trí

37

3.2.Kết quả mơ phỏng

39

3.2.1.Tính tốn thơng số

39

3.2.2.Kết quả mơ phỏng

42

Kết luận

51

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

4

Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển khơng ngừng của khoa học kỹ thuật, truyền động điện
có vai trị rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Truyền động điện làm tăng
năng suất lao động và chất lượng sản phẩm. Để đáp ứng được yêu cầu thực tế các
hệ truyền động điện có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày càng cao
đã ra đời.
Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế
hệ thống truyền động, góp phần hồn thiện và củng cố kiến thức của mơn học nên
em được thầy giao cho đề tài: “Cho một hệ truyền động động cơ – xe. Xây dựng bộ
điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập”.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tiến Lương, cùng các thầy cô giáo
khoa Điện - Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời
gian vừa qua để em có thể hồn thành bài thiết kế này.
Trong q trình thiết kế cịn tồn tại những sai sót, mong các thầy cơ giáo góp
ý để bài thiết kế của em hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ
thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ vài
W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu
momen, tăng tốc và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng

đáp ứng các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh
với nhiều đặc tuyến quan hệ momen- tốc độ.
Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu
điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng. Chỉnh
lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha.
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện.

Hình 1: Mặt cắt ngang động cơ điện một chiều
Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

6


 Stator : còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tậptrung
trên các cực từ stator. Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật
điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm và được gắn trên gông từ bằng
thép đúc, cũng chính là vỏ máy.
 Rotor : cịn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần
ứng. Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép
cách điện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh
trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá
góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor.
 Cổ góp và chổi điện : làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn
phần ứng.
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các
loại sau:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dịng điện kích từ được lấy từ
nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thơng kích từ được

tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích từ
vĩnh cửu.
Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song
song với mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp
với mạch phần ứng.

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

7


Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây
quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong đó, cuộn kích từ song
song thường là cuộn chủ đạo.

Hình 2: Các loại động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.3. Điều khiển động cơ điện một chiều
Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện
khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ
chế tạo. Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có u cầu chất
lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử
dụng động cơ điện một chiều.
Đối với các hệ thống truyền động điện có yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường
sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ketnooi.com kết nối cơng dân điện tử

8


1.2. U CẦU CƠNG NGHỆ
Hệ truyền động động cơ-xe có kết cấu khá phức tạp. Về phần điện hệ thống
bao gồm từ nhận năng lượng từ một nguồn cố định, biến đổi năng lượng thật phù
hợp để đưa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiển nguồn
năng lượng đó để phù hợp với yêu cầu thay đổi tốc độ của động cơ. Về phần cơ bao
gồm cơ cấu bánh răng, xích truyền, hộp số,…để truyền chuyển động từ động cơ
đến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanh
hãm….
Trong quá trình hoạt động của hệ thống yêu cầu khi tăng tốc và giảm tốc phải
êm. Độ bền cơ khí của hệ thống phải cao. Dải điều chỉnh tốc độ phải trơn.
Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động và hệ điều khiển tự động phải đơn giản, các
phần tử cấu thành phải có độ tin cậy cao, đơn giản, sửa chữa và thay thế dễ dàng.
1.3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền
vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được phổ biến trong các
hệ điều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K P,
TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được
tính tốn cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận
hành ln phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt
hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối
tượng cần điều khiển. Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn
tuyến tính cịn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển
khơng thực hiện được.
1.3.1. Khái quát về bộ điều khiển PID
Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

9


Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P),
khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải
lựa chọn chế độ làm việc là P,I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã
chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID.

Hình 3: Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng
rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID có nhiệm
vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu
cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần u p(t), tín hiệu điều
chỉnh u(t) càng lớn.
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua thành phần u I(t), PID vẫn cịn tạo
tín hiệu điều chỉnh.
- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần u D(t),
phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

10


Hình 4: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được mơ tả bằng mơ hình vào-ra:

Trong đó:
e(t) - tín hiệu đầu vào
u(t) - tín hiệu đầu ra
kP - hệ số khuếch đại
TI - hằng số tích phân
TD - hằng số vi phân
Từ mơ hình vào-ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:
- Phương pháp Ziegler-Nichols
- Phương pháp tối ưu modul
- Phương pháp tối ưu đối xứng
1.3.2. Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID
Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

11


a) Phương pháp Ziegler-Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham
số bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng các dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng
điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng , Ziegler và Nichols đưa ra hai
phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:
 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các
đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như lị nhiệt
độ, tốc độ động cơ,…

Hình 5: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S
 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối
tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ

truyền động dùng động cơ,…. Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô
cùng. Phương pháp này được thực hiện như sau:

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

12


Hình 6: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại.
- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn k th để hệ kín ở chế độ biên
giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hịa.
- Xác định chu kỳ Tth của dao động.

Hình 7: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k=kth
b) Phương pháp module tối ưu
Phương pháp module tối ưu là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển
PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S.

Ketnooi.com kết nối cơng dân điện tử

13


Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 8. Bộ điều khiển R(s) điều khiển
cho đối tượng S(s).

Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín
Tiêu chuẩn module tối ưu được sử dụng để tổng hợp nên bộ điều khiển với
hàm kín của tồn hệ phải thỏa mãn dạng:

Hàm truyền kín của hệ khi thỏa mãn dạng này sẽ có các đặc điểm sau:
- Vơ sai cấp 1 theo tín hiệu điều khiển.
- Độ quá chỉnh là 8,6%.
- Hệ có dao động.
Ta có:

Với F có dạng mong muốn thì bộ điều khiển R được xác định:

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

14


Như vậy, bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn module tối ưu có dạng:

Nếu đối tượng điều khiển S có dạng:

Với Ti là những hằng số thời gian nhỏ.
Với những hằng số thời gian nhỏ ta có thể xấp xỉ gần đúng bằng cách bỏ qua
các hệ số bậc cao.

Với
Khi đó đối tượng S có dạng:

c) Phương pháp module tối ưu đối xứng
Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp module tối ưu đối xứng có
nhược điểm là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và
có dạng hình chữ S. Trong trường hợp này có thể chọn tham số PID theo nguyên
tắc module tối ưu đối xứng.

Tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng sẽ cho hệ là
vô sai cấp 2 và hàm truyền kín mong muốn của hệ đạt được thỏa mãn dạng:
Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

15


Ta có hàm kín mong muốn của hệ:

Theo dạng hàm kín mong muốn ta tìm được bộ điều khiển R có dạng:

Khi tổng hợp bộ điều khiển theo tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng, đáp ứng
của hệ tuy có vô sai bậc 2 nhưng độ quá chỉnh lại lên đến 43%. Vì vậy, để giảm
được độ quá chỉnh người ta mắc thêm vào một bộ lọc tín hiệu điều khiển với hàm
truyền:

Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

16


CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
2.1. ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG

Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện.
Trong đó:
R- các bộ điều khiển
BBĐ- bộ biến đổi
M- động cơ
Ketnooi.com kết nối công dân điện tử

17


TB Đo- thiết bị đo
2.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH TỐN
CỦA CÁC THÀNH PHẦN
2.2.1. Bộ điều khiển
Trong hệ thống, bộ điều khiển có nhiệm vụ nhận các tín hiệu đo từ động cơ và
hộp số để điều khiển hệ thống theo đúng tín hiệu đặt. Tín hiệu từ bộ điều khiển
được gửi tới bộ biến đổi công suất.
a) Bộ điều khiển P
Bộ điều khiển P là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID. Thuật toán khuếch đại tỉ
lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điều
khiển e(t):
u(t)=kP.e(t) với kP - hệ số tỉ lệ
Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thơng qua bộ điều khiển tín hiệu này được
khuếch đại lên kP lần. Mục đích của việc khuếch đại tín hiệu đầu vào của bộ điều
khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra.

Ketnooi.com kết nối cơng dân điện tử

18


Hình 10: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P
Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ rất
nhỏ so với tín hiệu đặt x(t). Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộ điều
khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu điều khiển
có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khi tín hiệu sai lệch

e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tác động của điều khiển
lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
Bộ điều khiển P có cấu trúc đơn giản song nó ln tồn tại sai số ở chế độ xác
lập. Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống khơng chứa khâu tích phân thì sai
số xác lập sẽ là một hằng số.

X0 – biên độ tín hiệu đầu vào
k – hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệ
thống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh
Từ cơng thức rút ra kết luận:
Khi hệ điều khiển có hệ số khuếch đại kP nhỏ dẫn tới k nhỏ lúc này sai lệch
tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo
sai số nhỏ thì kP phải có giá trị lớn. u cầu này mâu thuẫn với điều kiện để đạt
được chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ. Vì khi tăng hệ số khuếch đại
kP đến một giá trị xác định nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và làm cho nó mất
ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn.
b) Bộ điều khiển tích phân – tỉ lệ (PI)

Ketnooi.com kết nối cơng dân điện tử

19