bài tập lớn DKS +Bộ điều khiển dòng điện: Xấp xỉ liên tục +Bộ điều khiển tốc độ: Gán điểm cực

Mục Lục

1


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây công nghệ thông tin có những bước phát triển
nhảy vọt, đặc biệt là sự ra đời của máy tính đã tạo cho xã hội những bước phát
triển mới. Nó ảnh hưởng hầu hết đến các vấn đề của xã hội và công nghệ cũng
vậy. Hòa cùng với sự phát triển đó, nhiều nhà sản xuất đã ứng dụng các họ vi xử
lí có tính năng mạnh vào công nghiệp trong việc điều khiển và xử lí dữ liệu.
Những hạn chế của kĩ thuật tương tự như sự trội thông số, sự làm việc cố định
dài hạn, những khó khăn của việc thực hiện chức năng điều khiển phức tạp đã
thúc đẩy chuyển nhanh công nghệ số. Ngoài ra điều khiển số còn cho phép tiếc
kiệm linh kiện phần cứng , cho phép tiêu chuẩn hóa. Với cùng một bộ vi xử lý,
một cấu trúc phần cứng có thể dung cho mọi ứng dụng, chỉ cần thay nội dung ô
nhớ. Tuy nhiên kĩ thuật số có những nhược điểm như xử lí các tín hiệu rời rạc,
….. Đồng thời kĩ thuật tương tự có những ưu điểm mà kĩ thật số không có được
như tác động nhanh và liên tục. Vì vậy ngày nay xu hướng trong điều khiển là
phối hợp điều khiển số và điều khiển tương tự. Để nắm vứng được kiến thức đã
học thì việc nghiên cứu là cần thiết đối với sinh viên. Bài tập lớn điều khiển số
đã giúp em biết them được rất nhiều về cả kiến thức lẫn kinh nghiệm. Nhân đây
em cũng xin cảm ơn rất nhiều đến thầy giáo Phạm Tuấn Anh đã hướng dẫn em
tận tình để em có thể hoàn thành bài tập lớn này.

Sinh viên
Nguyễn Ngọc Sơn

2

Đề 22: - Tham số động cơ:
R a = 550mΩ, La = 8,4mH, J = 0,0122kgm2, kM = 38, ke = 236, TTB =
1ms.
-

-

Phương pháp điều khiển:
+ Bộ điều khiển dòng điện: Xấp xỉ liên tục
+ Bộ điều khiển tốc độ: Gán điểm cực
Yêu cầu:
1. Vẽ sơ đồ khối của động cơ 1 chiều, sau đó vẽ cấu trúc 2 mạch
2.

vòng điều chỉnh của động cơ.
Thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện phần ứng với chu kỳ trích
mẫu được chọn là TI = TTB/5 chuyển luật điều khiển sang dạng

3.

lập trình được.
Thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ quay của động cơ 1 chiều với
chu kỳ trích mẫu được chọn Tw = 10TI chuyển luật điều khiển

4.
5.

sang dạng lập trình được.
Vẽ lưu đồ thuật toán tổng thể của hệ thống.
Mô phỏng với Matlab - Simulink – Simpowersystem.

3


Phần 1: Sơ đồ khối động cơ 1 chiều và cấu trúc 2
mạch vòng điều chỉnh của động cơ
1.1.

Sơ đồ khối động cơ 1 chiều

Hình 1 Sơ đồ động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2.

Sơ đồ cấu trúc 2 mạch vòng điều chỉnh của động cơ

4


Hình 2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ TĐĐ động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Trong đó:
-

Rω: là bộ điều khiển tốc độ
RI: là bộ điều khiển dòng điện
BBĐ: là bộ biến đổi công suất
M: là động cơ 1 chiều kích từ độc lập

5

Hình 3 Mô hình động cơ 1 chiều kích từ độc lập

6


Phần 2: Thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện phần
ứng
2.1.

Tổng hợp mạch vòng dòng điện theo phương pháp xấp xỉ liên tục với
TTB 10−3
TI =
=
= 0,0002(s)
5
5

a.

chu kỳ trích mẫu
Tìm hàm truyền của đối tượng trên miền gián đoạn

Hình 4 Mô hình tính bộ điều khiển dòng điện
Ta đưa về dạng hàm chuẩn để tổng hợp bộ điều khiển:

Hình 5 Sơ đồ rút gọn
Trong đó: GI: là hàm truyền đối tượng của bộ điều khiển
RI: là bộ điều khiển dòng điện
k1
1 Ra

kI
1
GI =
.
.
.k M Ψ.
.k e Ψ
1 + TTB .s 1 + Ta .s 1 + TI .s
Bf + J.s
Với Ta = La/Ra = 0,015(s)
Bf = 1 [Nm/(rad/s)]
7


Chọn: Ua = 24V => Ia = Ua/Ra = 24/0,55 = 43,63(A)
Ua* = 10V => k1 = Ua/Ua* = 24/10 = 2,4
Chọn: Ia* = 5A => kI = Ia/Ia* = 43,63/5 = 8,726
2, 4
1 0,55
8,726
1
=> G I =
.
.
.38.0,04.
.236.0,04
1 + 0,001.s 1 + 0,015.s 1 + 0,0002.s
1 + 0,0122.s
Vì TTB, Ta, TI là các hằng số thời gian nhỏ nên ta gần đúng:
TΣ = TTB + Ta + TI = 0,001 + 0,015 + 0,0002 = 0,0162(s)

546,36
1
546,36
=> G I (s) =
.
=
1 + 0,0162.s 1,5 + 0,0122.s (1 + 0,0162s).(1 + 0,0122s)
Ta có:

1
546,36
A
B
C
H I (s) = G I (s) =
= +
+
s
s.(1 + 0,0162s).(1 + 0,0122s) s 1 + 0,0162s 1 + 0,0122s
A = s.H I (s) s =0 = 546,36
B = (1 + 0,0162s).H I (s) s =−62,11 = −36,31
C = (1 + 0,0122s).H I (s) s =−89,96 = 13,28

=> H I (s) =

546,36
36,31
13,28
−
+

s
1 + 0,0162s 1 + 0,0122s

=> H(z) = 546,36

z
z
z
− 2241,35
+ 1088,52
−61,73.T
z −1
z−e
z − e −81,96.T

=> G I (z) = (1 − z −1 ).H(z)
=> G I (z) = 546,36 −

2241,35.(z − 1) 1088,52.(z − 1)
+
z − e −61,73.T
z − e −81,96.T

Với chu kì trích mẫu T = 0,0002, ta có:
0,0001z −1 − 0, 0001z −2
G I (z) =
1 − 1, 9973 z −1 + 0,9973 z −2
b.
-

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
Ta có đối tượng điều khiển trên miền gián đoạn :
0,0001z −1 − 0, 0001z −2
G I (z) =
1 − 1, 9973 z −1 + 0,9973 z −2

-

Chọn dạng bộ điều khiển:
r0 + r1z −1
R I (z) =
1 + p1z −1

-

Chọn p1 = -1 ta có :
8


R I (z) =

r0 + r1z −1
1 − z −1

=> Đối tượng không có trễ:
r0 = U 0





r1 ≤ − r0 ( 1 − r0b1 ) 
-

Chọn Umax=20
=>r0=Umax=20
=>r119.96

-

Ta có phương trình sai phân:

-

Với: k=0 => e0=w0=1
k=1 => e1=0,998 => = 0,996
k=2 => e2= 0,9645 - 0.0001r1 => = -1,989.r1+0,9893
k=3 => e3=-2.9871-2,9933.r1
=> =8,9598.-17,8825.r1 + 8,9227

-

Ta có : IQ==9,9598-19,8715r1+11,908
I’Q=19,919.r1-19,8715=0
r1=

9977,9105

(thỏa mãn)

20 − 9977,9105 z −1

=> R I (z) =
1 − z −1

9


Phần 3: Thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ quay của
động cơ
3.1.

Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo phương pháp gán điểm cực với chu

a.

kỳ trích mẫu Tw = 10.TI = 10.0,0002 = 0,002(s)
Tìm hàm truyền của đối tượng trên miền gián đoạn

Hình 6 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ
Ta đưa về dạng hàm chuẩn để tổng hợp bộ điều khiển:

Hình 7 Sơ đồ rút gọn bộ điều khiển tốc độ
Ta có hàm truyền :
k
546,36
0,8
G w (s) = G I (s). w =
.
1 + Tw s (1 + 0,0162s).(1 + 0,0122s) 1 + 0,002s

1

1
546,36
0,8
H w ( s ) = .G w (s) = .
.
s
s (1 + 0,0162s).(1 + 0,0122s) 1 + 0,002s
10


Hw ( s) =

A
B
C
D
+
+
+
s 1 + 0,0162s 1 + 0,0122s 1 + 0,002s

A = s.H w ( s ) s=0 = 437,088
B = (1 + 0,0162s).H w ( s ) s=−62,73 = −32,72
C = (1 + 0,0122s).H w ( s ) s=−81,96 = 19, 46
D = (1 + 0,002s).H w ( s ) s=−500 = −0,024

Hw ( s) =

437,088
32,72

19,46
0,024
−
+
−
s
1 + 0,0162s 1 + 0,0122s 1 + 0,002s

H w (z) = 437,088

z
z
z
z
− 2019,75
+
1595,08
−
12.
z −1
z − e −61,73.T
z − e −81,96.T
z − e −500.T

G w (z) = (1 − z −1 ).H w (z)
= 437,088 − 2019,75

z −1
z −1
z −1

+
1595,08
−
12.
z − e −61,73.T
z − e −81,96.T
z − e −500.T

Với chu kỳ trích mẫu T=0,02 ta có:
G w (z) =
b.

−0,00005z −1 + 0,00005z −2
1 − 1,9973z −1 + 0,9973z −2

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp gán điểm cực

Chọn khâu DC là PI :

Chọn p1 = -1 ta có :
Ta có phương trình :

r0 + r1z −1
R w (z) =
1 + p1z −1

r0 + r1z −1
R w (z) =
1 − z −1
N(z) = (z - ) (z - ) (z - )

11


Chọn = 0,55 + 0,4j
= 0,55 – 0,4j
=>N(z) = (z – 0,55 – 0,4j) ( z- 0,55 + 0,4j) (z - )
= – ( 1,1 + ). + (0,4625 + 1,1).z – 0,4625)

Hệ phương trình :
=
Thay số ta được :
=
Từ đó ta tính ra được các giá trị : = 1; = 10,696 ; = -17,946
−17,496 + 10,696.z −1
=> R w (z ) =
1 − z −1

12


Phần 4: Lưu đồ thuật toán của hệ thống

Trong đó:
+
+
+

Rω: là bộ điều khiển tốc độ
RI: là bộ điều kiển dòng điện
BBĐ: là bộ biến đổi công suất

13


+

M: là động cơ 1 chiều kích từ độc lập

14


Phần 5: Mô phỏng trên Matlab - Simulink
Mạch vòng dòng điện

5.1.

Sơ đồ khối :

Kết quả mô phỏng :

Nhận xét:
+
5.2.

Sau 1 khoảng thời gian t=9s thì mới xuất đáp ứng bằng với giá trị đặt
Mạch vòng tốc độ :

Sơ đồ khối :

Kết quả mô phỏng:

Đường nét đứt là: tốc độ
Đường nét liền là : dòng điện
Nhận xét:
+ Độ quá điều chỉnh tương đối lớn, ảnh hưởng không tốt đến hệ thống.
+ Tần số dao động trươc khi hệ đạt trạng thái ổn định nhiều.
+ Sai lệch tĩnh e = 0 => Đây là 1 hệ thống tốt.


KẾT LUẬN
Sau quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn của thầy Phạm
Tuấn Anh. Em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao trong bài tập lớn. Các
nhiệm vụ đó là:
•

Vẽ sơ đồ khối của động cơ 1 chiều, sau đó vẽ cấu trúc 2 mạch vòng điều

•

chỉnh của động cơ.
Thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện phần ứng với chu kỳ trích mẫu được chọn

•

là TI = TTB/5 chuyển luật điều khiển sang dạng lập trình được.
Thiết kế khâu điều chỉnh tốc độ quay của động cơ 1 chiều với chu kỳ trích

•
•

mẫu được chọn Tw = 10TI chuyển luật điều khiển sang dạng lập trình được.
Vẽ lưu đồ thuật toán tổng thể của hệ thống.
Mô phỏng với Matlab - Simulink – Simpowersystem.
Trong quá trình thực hiện, bài làm của em sẽ có nhiều thiếu sót, em rất mong

nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và các bạn. Một lần nữa em xin trân
thành cảm ơn thầy đã giúp em hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO


Anh, P. T. (2015). GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ. HẢI PHÒNG: ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM.