ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO
HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC
Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: ĐỖ ĐỨC THÀNH
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY CƯƠNG
THÁI NGUYÊN – 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO
HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC
Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: ĐỖ ĐỨC THÀNH
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY CƯƠNG
THÁI NGUYÊN – 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐỖ ĐỨC THÀNH
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO
HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC
Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu dây chuyền công nghệ nhà máy Cán Thép Lưu Xá Thái
Nguyên.
Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC.
Chương 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán cân bằng
tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block). Lập mô hình, chạy mô phỏng, hiệu
chỉnh và đánh giá chất lượng.
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY
CÁN THÉP LƯU XÁ – CÔNG TY GANG THÉP THÁI NGUYÊN
1.1. Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy cán thép Lưu Xá.
1.2. Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Cán thép Lưu Xá.
1.3. Công nghệ sản xuất thép của Nhà máy.
Với quy trình công nghệ một lần nung được áp dụng để sản xuất ra thép dây φ6,
φ8 theo sơ đồ sau.
Hình 1.2 Quy trình công nghệ cán thép
Bước 1: Chuẩn bị phôi.
Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất là thép thỏi và thép phôi nhập khẩu từ Nga,
Trung Quốc và nhập từ các đơn vị thành viên.
Bước 2: Nung phôi.
Khi phôi đã được chuẩn bị kiểm tra được đưa vào lò nung. Nung theo chế độ
nung kim loại đối với từng loại mác thép, định ra chế độ nung phù hợp như: chế độ
nung, tốc độ nung và nhiệt độ nung.
Bước 3: cán thép thô, trung.
Cán thép thô dùng động cơ 2000Kw cho thép ra φ50 và cán trung dùng 9 giá cán
liên tiếp liên hệ về tốc độ K10 – K19 ra đường kính D32-D12, tiếp sau giá cán K20 là
đầu vào Cán thành phẩm Block.
Bước 4: Cán Thành phẩm _ Cán Block.
Cán Block là khâu rất quan trọng: một khối chi tiết máy gồm 6 bộ trục cán được
dẫn động qua các hộp bánh răng truyền lực do hai động cơ một chiều 600kw nối cứng
trục, nguồn điện áp vào lấy từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam giác của máy biến áp
Chuẩn
bị phôi
Cán
thép thô
và trung
Nung
phôi
Cán
Block
Làm
nguội
Đóng
bó, nhập
kho
Kiểm tra
Kiểm tra
10B. Thông thường, nhiệt độ cán kết thúc hợp lý nhất là 750
0
C đến 800
0
C. Thép cán
sau khi kiểm tra, đạt chất lượng được đưa lên sàn làm nguội.
Bước 5: Làm nguội.
Thép sau khi cắt đoạn được làm nguội trên sàn nguội. Nhiệt độ kết thúc của việc
làm nguội từ 150
0
C đến 200
0
C.
Bước 6: Đóng bó và nhập kho sản phẩm.
Chất lượng sản phẩm sản xuất ra được kiểm tra kỹ, cho ra đóng bó, nhập kho và
đều đạt tiêu chuẩn quy định của TCVN.
1.4. Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại.
Trong dây chuyền Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá thì máy cán Block là khâu quan
trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai động cơ một chiều 600kw cùng thông số
giống nhau, nối cứng trục và chung một tải cán thép qua hệ truyền động bánh răng,
hộp truyền lực. Hai tủ động lực lấy nguồn điện áp từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam
giác của máy biến áp 10B.
Hai động cơ được điều khiển bởi hai bộ điều khiển một chiều phối hợp theo kiểu
Master_ Slave. Bộ điều khiển động cơ chính số 1 xử lý các tín hiệu: phản hồi từ
loopscan phát hiện sức căng trùng của thép; phản hồi tốc độ từ máy phát tốc. Sau đó,
truyền tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện (tạo mô men quay cho hai
động cơ) theo hệ số cố định.
Ưu điểm : Việc sử dụng 02 động cơ có cùng công suất và thông số chế tạo thay
vì dùng 01 động cơ công suất lớn tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc chế tạo cũng
như việc sử dụng các thiết bị phụ trợ đi kèm, đồng thời giảm chi phí vận chuyển, lắp
đặt, bảo dưỡng.
Nhược điểm : Các động cơ được chế tạo có công suất cùng các thông số kỹ thuật
tương ứng giống nhau, tuy nhiên luôn có sự sai lệch đặc biệt trong quá trình làm việc.
Bộ điều khiển hiện tại dưới dạng phối hợp theo kiểu Master - Slaver với hệ số hiệu
chỉnh cân bằng cố định. Sau một thời gian sử dụng, do ảnh hưởng ngoại cảnh, thông số
của các động cơ cũng như thông số của các bộ điều khiển tương ứng bị trôi dẫn đến sự
sai lệch về dòng điện của 02 động cơ trong tất cả các chế độ làm việc đặc biệt khi tải
định mức.
Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển cán Block
Phat Toc
DC1 DC2
CHINH LUU 1 CHINH LUU 2
I1 I2
MASTER SLAVE
Bo Dieu
Khien 1
Bo Dieu
Khien 2
BLOCK
1 i
HOP_SO
i i
Thực tế bây giờ khi có tải dòng của động cơ 2 dao động rất lớn (dòng động cơ 1
là khoảng 480 (A), còn dòng động cơ 2 dao động quanh giá trị 830 (A)) và không cùng
tăng hay không cùng giảm dòng với động cơ số 1, làm hai động cơ ghì nhau (trở thành
tải của nhau). Dẫn đến trong quá trình vận hành bảo vệ dòng thường tác động dừng
máy sự cố, về lâu dài gây nóng máy, phá hỏng phần cơ khí, năng suất kém.
Việc chế tạo ra bộ điều khiển mới nhằm khắc phục các nhược điểm như đã nêu là
cần thiết và mang tính cấp bách. Thiết kế mới bộ điều khiển cho cán Block là nội dung
chính của bản luận văn và được trình bày ở các chương tiếp sau.
CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU MRAC
2.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
2.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi
2.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT:
Trong ví dụ này, đối tượng (tuyến tính) được mô tả bằng hàm truyền:
p
2
p
b
s + a s +1
và mô hình hoá bởi:
m
2
m
b
s + a s+1
hoặc
2
n
2 2
n n
Kω
s + 2ξω s+ ω
Sự biến đổi trong tham số a
p
được bù lại bằng cách hiệu chỉnh K
a
và những biến
đổi trong tham số b
p
được chỉnh định bằng cách điều chỉnh K
b
.
b p
2
p a
K + b
s + (a + K )s +1
(2.5)
Điều này nhận được luật điều chỉnh được gọi là luật MIT:
b b
a a 2
K (t) = K (0) +β (eu)dt (2.8)
K (t) = K (0) +α (ex )dt (2.9)
∫
∫
Đối tượng
Bộ điều
khiển
Thích nghi
Mô hình
mẫu
Bộ DK
u
+
- y
+
-
+
-
Hình 2.1b: Hệ thích nghi tín hiệu
Hình 2.6: Kết quả việc thích nghi của K
a
và K
b
.
bp
Alpha
Beta
Ka
Kb
s + 2 s +
k
2
2
2
nhieu1
ap
Sailech_e
SignalMonitor
Square
Square1
Ym
Yp
model
0
0.5
1
1.5
setpoint
-0.5
0
0.5
1
Ym
0
0.5
1
1.5
Yp
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
sailech-e
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Ka
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
time {s}
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Kb
2.4. Phương pháp độ nhạy:
2.5. Phương pháp ổn định của liapunov.
1. Xác định phương trình vi phân cho e:
m p
e A e Ax Bu= + +
&
2. Chọn một hàm liapunov:
( )
T T T
V e e Pe a a b b
α β
= + +
2 2
T T T T
V e Pe e Pe a a b b
α β
= + + +
&
&
& & &
3. Xác định điều kiện dưới để V xác định âm.
0
T T
p
e PAx a a
α
+ =
& &
,
0
T T
e PBu b b
β
+ =
&
4. Giải tìm P từ phương trình
T
m m
A P PA Q+ = −
Hình 2.10.c: Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương
pháp ổn định Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ.
Luật thích nghi theo Liapunov:
21 1 22 2 2
22
0
1
( ) (0)
t
a a
K p e p e x dt K
α
= − + +
∫
21 1 22 2
2
0
1
( ) (0)
t
b b
K p e p e u dt K
β
= + +
∫
ap
Ap_process
bp
Bp
d/dt
alphabeta
Ka
Kb
s + 2 s +
k
2
2
2
model_adaptive
P21
P22
Sailech_e
SignalMonitor
Square
Ym
Yp
model
0
0.5
1
1.5
SignalMonitor
-0.5
0
0.5
1
Ym
0
0.5
1
1.5
Yp
-1
-0.5
0
0.5
sailech-e
-1
0
1
2
3
Ka
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
time {s}
-2
-1
0
1
2
Kb
2.6. Áp dụng nhận dạng và ước lượng trạng thái để thiết kế bộ điều khiển
thích nghi gián tiếp.
Đối tượng
Bộ điều khiển
Thích nghi
u
+
-
x
P
-
+
Bộ điều khiển
Mô hình
chỉnh định
Hình 2.12: MRAS áp dụng để nhận dạng
Hình 2.10.d: Các đáp ứng nhận được khi tham số K
a
, K
b
bổ xung khâu tỷ lệ.
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ ĐKTN
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG
TRỤC (CÁN BLOCK), LẬP MÔ HÌNH, CHẠY MÔ PHỎNG, HIỆU
CHỈNH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
Cán Block là khối quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, yêu cầu chính của
các bộ điều khiển cho khối này là ổn định tốc độ và chia đều tải cho 02 động cơ khi tải
cán thép thay đổi. Tuy nhiên bộ điều khiển đang sử dụng với các thông số cố định
không đáp ứng được khi thông số thay đổi gây ra dòng hai động cơ có sự sai lệch lớn.
Nên nội dung chương này là đề xuất và thiết kế bộ điều khiển thích nghi gồm hai
mạch vòng: mạch vòng tốc độ sử dụng bộ chỉnh PID với các thông số cố định để ổn
định tốc độ và mạch vòng dòng điện với với bộ điều khiển thích nghi để cân bằng
dòng điện (bám sát nhau) hai động cơ trong phạm vi cho phép. Nội dung Chương 3 sẽ
gồm:
-Mô hình hóa động cơ điện một chiều, tính toán các tham số liên quan.
-Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện của động cơ 1 và đây được xem là mô hình
mẫu để xây dựng bộ điều chỉnh cho mạch vòng dòng điện động cơ 2.
-Xây dựng bộ điều chỉnh thích nghi cho mạch vòng dòng điện của động cơ thứ 2
sao cho dòng điện hai động cơ 2 luôn bám sát dòng điện của động cơ 1.
-Xây dựng bộ điều khiển mạch vòng tốc độ, tính toán bộ thông số PID. Hiệu
chỉnh lại bộ thông số PID sao cho độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ theo yêu cầu.
i
1
i
2
i
1+2
sailech_e
Toc_do_dat
DKD_1
BDK_DONGDIEN_1
DC_1
DONG_CO_1
DC_2
DONG_CO_2
R_W
BDK_TOCDO
CO CAU
THICH NGHI
DKTN
DKTN_DONGDIEN_2
Cu 1/J
J
Toc_do
Mc
BBD_1
BBD_1
BBD_2
BBD_2
Hình 3.1: Đề xuất bộ điều khiển mới
3.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều.
Eu
i_u
Mc
U_u
1/Ru
1+Tu.s
Phan_ung
Cu 1/J
J
Cu
W_Tocdo
1
s
Hình 3.3: Cấu trúc động cơ một chiều từ thông không đổi
3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu MRAC .
i1
i2
Sailech_e
ε
ε
1
2
Dong_dien_dat Dong_dien_1
BDK_D1
BDK_Dongdien_1
DC_1
Phan_ung_1
BDK_TN
BDK_TN
DC_2
Phan_ung_2
CO CAU
THICH NGHI
Dong_dien_2
BBD_1
BBD_1
BBD_2
BBD_2
Hình 3.4: Mô hình điều chỉnh dòng cho hai động cơ
3.2.1 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu độ lớn .
I_dat
Dong_dien_dat
9.3
0.045 s + 1
Chinh_luu_1
1
0.13 s + 1
Phan_ung_1
0.13 s + 1
0.837 s
R_I
Dong_dien_1
Hình 3.7: Mạch vòng dòng điện 1 có bộ điều chỉnh tối ưu độ lớn
Dap ung buoc nhay cua dong dien mau
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
time
0
0.5
1
1.5
Step
Steady State = 1
overshoot = 4.321%
rise time = 0.136799
settling time = 0.186508
3.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi .
Bộ điều chỉnh dòng điện 2 dùng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC (bộ điều chỉnh tối ưu độ lớn của bộ điều chỉnh dòng điện 1). Xây dựng bộ điều
khiển thích nghi thực tế theo 4 bước như sau:
Bước 1: Hàm truyền của mạch vòng dòng điện 2 chưa có bộ điều chỉnh.
,
( )
( , . ).( , . )
OI
9 3
H s
0 045 s 1 0 13 s 1
=
+ +
Dùng phần mềm 20.sim chuyển hàm truyền thành ma trận trạng thái.
, ,
p
0 1
A
170 9 29 91
=
− −
p
0
B
1059
=
Mô hình mẫu theo tối ưu độ lớn (3.24) có ma trận trạng thái.
, .
m
0 1
A
246 9 22 22
=
− −
,
m
0
B
246 9
=
Ta định nghĩa : u _ tín hiệu vào, x
1
= x
p
: tín hiệu ra,
.
2 1
x x=
.
p p p
x A x B u= +
,
.
m m m
x A x B u= +
,
.
1
1 2
, ,
p m p
x x x x e x x= = = −
Phương trình vi phân của e là:
. . .
m p
m p
e x x A e Ax Bu= − = + +
Với: A = A
m
- A
p
B = B
m
- B
p
⇒
0 0
76 7,69
A
=
÷
−
0
812,1
B
=
÷
−
Đặt các biến hệ số thích nghi K
A
, K
B
, K
C
, sao cho các ma trận |A|, |B| → 0.
0 0
76 7,69
A B
A
K K
=
÷
− + +
0
812,1
C
B
K
=
÷
− +
.
1
2
0
0 0
. .
812.1
76 7,69
m
C
A B
x
e A e u
K
K K
x
= + +
− +
− + +
Bước 2: Lựa chọn một hàm Liapunov V, chú ý các phần tử khác 0 của ma trận A,B.
2 2 2
( ) 2 2 2
T
P D TN
V e e Pe K K B= + + +
Bước 3: Xác định các điều kiện dưới đây mà dV/dt là xác định âm.
.
. .
2 1
( ) ( ) 2 2
2 2 2 2
T T T
m m P P
T T
D D TN TN
V A e Pe e P A e e PB K K
e PAx K K e PAx B B
= + + +
+ + + +
&
&
ε α
β λ
Đặt :
( )
T T T T
m m m m
e A P PA e e Qe A P PA Q+ = − ⇔ + =−
Các thành phần còn lại của (3.30) giải bằng 0: α, β, λ các hệ số thích nghi > 0.
.
0
T
P P
e PA K K+ =
&
ε α
. .
2
0
T
D
D
e PAx K K+ =
β
. .
1
0
T
TN
TN
e PBx B B+ =
λ
Đây là các luật điều chỉnh thích nghi cho bộ điều khiển dòng điện 2:
.
21 22
0
1
( ) . (0)
t
P P
K P e P e dt K= + +
∫
ε
α
.
21 22 2
0
1
( ) . (0)
t
D D
K P e P e x dt K= + +
∫
β
.
21 22 1
0
1
( ) . (0)
t
TN TN
B P e P e x dt B= + +
∫
λ
Bước 4: Giải P từ phương trình (3.31):
T
m m
A P PA Q+ = −
Ta lựa chọn một ma trận Q bất kỳ xác định dương, thì hệ thích nghi cho kết quả
được bảo đảm ổn định. Chọn giá trị Q như sau:
500 200
200 400
Q
=
÷
Thay Q, A
m
vào phương trình (3.31) và cân bằng hệ số trong phương trình:
11 12 11 12
21 22 21 22
0 1 0 246,9 500 200
. .
246.9 22.22 1 22,22 200 400
p p p p
p p p p
−
+ =
÷ ÷
÷ ÷ ÷
− − −
(3.39)
Từ (3.39) tính ra:
2056 1.01
1.01 9.04
P
=
÷
ε
U
Toi uu do lon
e
x
m
x
p
x
1
x
2
i_dk
Bu thich nghi
u
I_v
Dong_dien_1
Dong_dien_2
P21
P22
d/dt
K
d
B
TN
d/dt
K
p
Liapunov
Dong_dien_dat
9.3
0.045 s + 1
Chinh_luu_1
1
0.13 s + 1
Phan_ung_1
0.13 s + 1
0.837 s
R_I
9.3
0.045 s + 1
Chinh_luu_2
1
0.13 s + 1
Phan_ung_2
sailech_e
Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển cán Block có bộ điều chỉnh dòng điện 2
dùng bộ điều chỉnh thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
Sơ đồ điều khiển có bộ điều chỉnh dòng điện 2 cấu trúc có dạng : PD
-Khâu tỷ lệ P lấy tín hiệu từ sai lệch đầu vào ε.
-Khâu vi phân D lấy tín hiệu từ đầu ra x
1
.
-Khâu bù thích nghi B
TN
lấy tín hiệu qua phản hồi đầu ra x
1.
-Biến trạng thái x
2
:
đạo hàm từ đầu ra x
1
.
-Liapunov: block giải phương trình (3.31) bằng phần mềm 20.sim
-P21, P22: được giải từ phương trình Liapunov (3.31).
Dap ung dong dien dung MRAC
0
0.5
1
1.5
Dong_dien_dat
-0.5
0
0.5
1
Dong_dien_1
-0.5
0
0.5
1
Dong_dien_2
0 5 10 15 20 25 30
time {s}
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
sailech_e
Hình 3.11: Đáp ứng mạch vòng dòng điện
Dac tinh he so thich nghi - on dinh
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Kp
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Kd
0 5 10 15 20 25 30
time {s}
0
0.05
0.1
0.15
B_TN
Hình 3.12 : hệ số thích nghi –ổn định sau 25(s)
Nhận xét: sau một khoảng thời gian ngắn sự sai lệch giữa hai dòng điện tiến về một
giá trị rất nhỏ, dòng điện 2 bám theo dòng điện 1. Các hệ số thích nghi sau khoảng tời
gian 25(s) tiến tới giá trị ổn định. Mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC làm việc rất ổn định khi thông số mạch phần ứng thay đổi lớn.
Thông số phần ứng :
( . ) ( , . )
U
k 1
T s 1 0 13 s 1
=
+ +
Khi thời gian t = 30 (s) thay đổi hệ số khuyếch đại : k = 2
( . ) ( , . )
U
k 2
T s 1 0 13 s 1
=
+ +
Khi thời gian t = 70(s) thay đổi thời gian T
U
: T
U
= 0.5
( . ) ( , . )
U
k 2
T s 1 0 5 s 1
=
+ +
Dap ung dong dien - dung MRAC
0
0.5
1
1.5
Dong_dien_dat
0
0.5
1
Dong_dien_1
0
0.5
1
Dong_dien_2
0.5
1
1.5
2
k
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Tu
0 20 40 60 80 100 120
time {s}
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
Sailech_e
Hình 3.13: Đáp ứng mạch vòng dòng điện thích nghi (khi thông số k,T
u
thay đổi tại thời điểm t =30(s), t =70(s)
)
Sau khi thay đổi thông số mạch phần ứng k, T
u
tại các thời điểm t =30(s), t =70(s).
Theo kết quả mô phỏng sai lệch giữa hai dòng điện sai lệch rất nhỏ gần về giá trị 0, hệ
số thích nghi tiến về giá trị ổn định.
He so thich nghi - on dinh khi co nhieu o 30 va 70 (s)
0.5
1
1.5
2
k
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Tu
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Kp
-0.05
0
0.05
Kd
0 20 40 60 80 100 120
time {s}
0
0.05
0.1
0.15
B_TN
Hình 3.14 : hệ số thích nghi - ổn định sau khi thông số k,T
u
thay đổi tại thời điểm t =30(s), t =70(s)
3.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.
Vấn đề đặt ra ở mạch vòng tốc độ là phải luôn ổn định tốc độ theo yêu cầu của
tải (cho các loại sản phẩm khác nhau) hay có sự thay đổi mô men quán tính J quy đổi
về trục động cơ (ma sát do bi, bánh răng ). Bộ điều chỉnh tốc độ phải xử lý các tín
hiệu đầu vào (tín hiệu phản hồi tốc độ từ máy phát tốc, sen sơ phát hiện thép vào,
cảm biến sức căng trùng giữa hai giá cán) tạo ra tín hiệu điều khiển cho hai bộ điều
chỉnh dòng (hai động cơ nối cứng trục). Từ đó xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển
mạch vòng tốc độ.
Khi chưa có bộ điều chỉnh tốc độ R
w
(s), ta có hàm truyền mạch vòng tốc độ
như sau:
( )
( . . . . )
u
ho
2
C
W s
J 0 00405 s 0 09 s 1 s
=
+ +
Từ (p.3) và (p.6) ở phần phụ lục có : J = 23,4 ; C
u
=3,206
Dùng phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai : (trang 176 tài liệu [2] ) ta cho
bộ điều chỉnh R
w
là bộ khuếch đại K
p
Hình (3.16), sau đó tăng hệ số khuếch đại K
p
tới giá trị K
th
để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định (dao động điều hòa). Xác định chu
kỳ T
th
của dao động dựa trên trên phần mềm mô phỏng 20.sim.
Kth = 162.201559
0 0.5 1 1.5 2
time {s}
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Toc_do
Hình 3.19 : với K
th
=162.201559 hệ kín dao động điều hòa
Dùng phần mềm 20.sim lấy hiệu tọa độ hai đỉnh dao động max liên tiếp trên
trục hoành, ta xác định được T
th
:
T
th
= 0.401602012357828 ∼ 0.4016
ε
U
e
x
m
x
p
x
1
x
2
i_dk
Bu thich nghi
i
2
i
1+2
2
ε
1
K
Ki
K
Kp
SVF
Toc_do_dat
K
Kd
d/dt
Toc_do
1/J
J
Cu
Cu
Dong_dien_1
Dong_dien_2
P21
P22
d/dt
K
d
B
TN
d/dt
K
p
Liapunov
9.3
0.045 s + 1
Chinh_luu_1
1
0.13s + 1
Phan_ung_1
0.13s + 1
0.837s
R_I
9.3
0.045s + 1
Chinh_luu_2
1
0.13s + 1
Phan_ung_2
sailech_e
Mc
Hình 3.20 : mạch vòng tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID
Sử dụng bộ điều chỉnh PID theo công thức trong tài liệu [2] trang 177.
( . )
.
W p D
I
1
R (s) =K 1 T s
T s
+ +
,
( . ) , . .
.
W p D
I
1 486 6
R (s) =K 1 T s 97 32 4 681 s
T s s
+ + = + +
Ta hiệu chỉnh lại thông số bộ PID dựa trên (3.45) để giảm độ quá điều chỉnh và
thời gian quá độ, dùng phần mềm mô phỏng 20.sim thực hiện, chọn được như sau:
, .
W
17
R (s) =81 4 6 s
s
+ +
Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng đối với bộ điều khiển mới (mạch vòng tốc độ) khi
thay đổi mô men tải M
C
và tín hiệu vào tốc độ đặt tại các thời điểm t
1
, t
2
, t
3
: Hình 3.23
t
1
= 10(s) với M
C
= 0→ M
C
= 2
t
2
= 30(s) với M
C
= 2→ M
C
= 1
Hình 3.22 : Đáp ứng mạch vòng tốc độ - khi sử dụng bộ PID đã hiệu chỉnh
t
3
= 25(s) → 2*Toc_do_dat
Dap ung khi tai Mc va tin hieu dat thay doi
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Toc_do_dat
0
0.5
1
1.5
2
Mc
0 10 20 30 40 50
time {s}
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Toc_do
Hình 3.23 : Đáp ứng mạch vòng tốc độ - tốc độ ổn định khi tải M
C
và
tín hiệu vào tốc độ đặt thay đổi
Nhận xét:
Hệ thống đã đáp ứng được yêu cầu ổn định tốc độ: thời gian quá độ nhỏ <
0,5(s), độ quá điều chỉnh:
.
0
0
1,16-1
100 16
1
=
, trong phạm vi cho phép.
KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS.
Nguyễn Duy Cương. Tác giả đã hoàn thành những nội dung công việc cụ thể của luận
văn như sau:
Phần thứ nhất: Giới thiệu tổng quan nhà máy Cán Thép Lưu Xá, cán Block và
những vấn đề cần giải quyết.
Trong phần thứ hai: Tác giả đã khái quát lại và kiểm chứng bằng mô phỏng
một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa theo mô hình mẫu, áp dụng
lý thuyết ổn định Liapunov cho việc thiết kế, đây là một nền lý thuyết thường được các
nhà điều khiển khai thác và vận dụng khi thiết kế bộ ĐKTN. Đã có nhiều đề tài nghiên
cứu ĐKTN theo mô hình mẫu dựa trên lý thuyết ổn định Liapunov. Những đề tài trước
đây khi tính toán để xây dựng cơ cấu ĐKTN mới chỉ đưa ra phương pháp thiết kế nói
chung. Khi thiết kế bộ ĐKTN, để thỏa mãn điều kiện ổn định có nhiều cách lựa chọn
hàm Liapunov. Do đó, cơ cấu điều khiển thiết kế ra cũng có nhiều kết quả khác nhau.
Công thức do Job van Amerongen đưa ra là một trong số những kết quả nhận
được. Ưu điểm của công thức là thực sự chính xác, rõ ràng, dễ hiểu, dễ áp dụng vào
thực tế khi điều khiển đối tượng cụ thể. Khi nghiên cứu ĐKTN theo mô hình mẫu,
công thức này đã được tác giả giới thiệu trong luận văn. Công thức được tác giả áp
dụng để xây dựng bộ ĐKTN trực tiếp và bộ ĐKTN gián tiếp, tham số và trạng thái
nhận dạng của đối tượng hoàn toàn không còn nhiễu. Vì vậy, tham số và trạng thái
được nhận dạng khi đưa vào bộ điều khiển sẽ cho tín hiệu điều khiển tốt. Tín hiệu ra
của đối tượng bám chính xác tín hiệu vào, sai lệch điều khiển rất nhỏ và tiến tới bằng
không trong một thời gian rất ngắn. Các thông số bộ điều khiển được thiết kế sẽ tiến
đến giá trị xác lập ổn định. Tính khả thi đã được kiểm chứng tính bằng mô phỏng dựa
trên phần mềm 20-SIM.
Phần thứ ba: Đây là phần nội dung chính của bản luận văn đồng thời tác giả hy
vọng đây là sự đóng góp nhỏ bé của mình trong lĩnh vực điều khiển, tác giả áp dụng lý
thuyết ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC để cân bằng tải cho hai động cơ một chiều
nối cứng trục với nhau theo yêu cầu tải cán thép biến thiên mà vẫn ổn định tốc độ. Các
công việc đã thực hiện bao gồm:
- Mô hình hóa động cơ điện một chiều, tính toán các tham số liên quan.
- Tổng hợp mạch vòng dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu độ lớn cho bộ điều
chỉnh dòng điện của động cơ 1, sau đó được chọn làm hàm mẫu.
- Xây dựng bộ điều chỉnh thích nghi mạch vòng dòng điện 2 với hàm mẫu là
mạch vòng dòng điện 1, tính toán các thông số (theo nguyên lý ổn định Liapunov), lập
sơ đồ cấu trúc mạch thích nghi cho bộ điều chỉnh dòng điện 2.
- Xây dựng bộ điều khiển mạch vòng tốc độ, tính toán bộ thông số PID theo
phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai. Hiệu chỉnh lại thông số PID sao cho độ quá
điều chỉnh và thời gian quá độ theo yêu cầu.
- Trong các bước trên có mô phỏng và đánh giá bằng các đồ thị, hình vẽ.
Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng hệ thống làm việc ổn định, đáp ứng được công
nghệ cán thép, bộ điều khiển thích nghi trong mạch vòng dòng điện làm việc ổn định,
tác động nhanh, đáp ứng chính xác, dòng của 02 động cơ được phân đều khi thông số
của hệ thống thay đổi.
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Cương
Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn vỵ
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp. Vào hồi 7h ngày 07 tháng 10 năm 2010.
Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện:
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp.
