Thiết kế hệ thống điều khiển số cho động cơ điện một chiều tên môi trường s function

Báo cáo
Bài tập lớn hệ thống điều khiển số
Yêu cầu :
-Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng trên miền thời thời gian
thực cho đối tượng là động cơ 1 chiều công suất 100 W
-Lập trình bộ điều khiển cho khối Sfunction trong Simulink
GV hướng dẫn: TS Vũ Thị Thúy Nga

1


Mục lục :

1. Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập
1.1.Cấu trúc

Hình 1.Sơ đồ cấu trúc ĐCMC
Thông số động cơ :
Công suất định mức : Pdm= 100 W
5.5*10^-4 kg.m2
Hằng số động cơ : ke =11.2*10^-3; km = 0.11
0.013Vs

Momen quán tính J =
Từ thông danh định Ψ =

Điện cảm phần ứng : LA = 0.0033 H
2


Điện trở phần ứng : RA = 2.1 Ω

Hằng số thời gian phần ứng : TA = LA/ RA
Hằng số thời gian chỉnh lưu : Tt = 100μs
Chu kì trích mẫu Ttm = 0,1ms

3


1.2.Sơ đồ điều khiển cascade

Hình 2. Sơ đồ điều khiển cascade

4


2. Thiết kế bộ điều khiển
2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Hình 3.Sơ đồ điều khiển dòng điện
Coi sức điện động eAlà nhiễu, hàm truyền của đối tượng dòng phần ứng
là:

Nhưng với yêu cầu thiết kế bộ điều khiển số cho đối tượng liên tục :

Hình 4. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển số
Nên đối tượng ta cần thiết kế ở đây sẽ có dạng :

Ở đây:

Do T rất nhỏ nên ta có thể xấp xỉ

5


Gi ( s) =

T / Ra
(1 + sTt )(1 + sTa )

Ta thiết kế cho đối tượng trên theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun với hàm chuẩn là
FMC ( s) =

1
2t s + 2tσ s + 1
2 2
σ

Nếu chọn bộ điều khiển PI
Ri ( s ) = Kp +

Ti
s

Khi đó ta sẽ có được các thông số của bộ điều khiển như sau
Kp =

Ra * Ta
2* T * Tt

Ti =

và

Ra
2* T * Tt

Tính toán ta được Kp=0.1650 ; Ti=105

6


2.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
Ta có sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển tốc độ

Hình 5.Sơ đồ điều khiển tốc độ
Ta có thể xấp xỉ khâu Gi(s) dưới dạng:
Gi( s) =

1
2 sTt + 1

Khí đó đối tượng tốc độ của ta có dạng
Gh (s) = Gi (s).kM ψ.

1
1
kM ψ
=
2πJs s(2Tts + 1) 2πJ

Ta thiết kệ bộ điều khiển cho đối tượng trên theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng với

hàm chuẩn :
FDX ( s ) =

1 + 4tσ s
8t s + 8tσ2 s 2 + 4tσ s + 1
3 3
σ

Rw( s) = Kp +

Chọn bộ điều khiển PI có dạng

Ti
s

Với các thông số sau
Kp =

2k Mψ Tt
πJ

; Ti=8Tt

Tính toán ta được Kp=1.6561e-04; Ti= 8.0000e-04
7


2.3.Thiết kế bộ điều khiển trên miền thời gian xấp xỉ liên tục
Thiết kế bộ PI
u(t) = K p(e(t) +

1t
e(τ)dτ)
Ti ∫0

Sauk hi xấp xỉ vs chu kì trích mẫu T ta được

uk=uk-1+Kp(ek-ek-1 +(T/Ti)*ek-1)= uk-1 + ekKp+ ek-1(T*Kp/Ti-Kp)
Đặt k1=Kp;k2= T*Kp/Ti - Kp ta được

uk = uk-1 +k1ek +k2 ek-1
2.4 Mô phỏng trên Simulink
Sau khi thiết kế và chỉnh định thông số ta được:

Hình 6 : Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh

8


Hình 7 : Đáp ứng tốc độ với n*=1600 vòng/phút
Nhận xét :Tốc độ của đối tượng đáp ứng được yêu cầu ,bám giá trị đặt và có
thời gian xác lập nhỏ,độ quá điều chỉnh thỏa mãn yêu cầu.
Code cho khối S-function level 2
function PID_Rw(block)
setup(block);
function setup(block)
block.NumDialogPrms = 2;
%% Register number of input and output ports
block.NumInputPorts = 1;
block.NumOutputPorts = 1;

%% Setup functional port properties to dynamically
%% inherited.
block.SetPreCompInpPortInfoToDynamic;
block.SetPreCompOutPortInfoToDynamic;
% Override input port properties
block.InputPort(1).Dimensions
= 1;
block.InputPort(1).DatatypeID = 0; % double
block.InputPort(1).Complexity = 'Real';
block.InputPort(1).DirectFeedthrough = true;
% Override output port properties
block.OutputPort(1).Dimensions
= 1;
block.OutputPort(1).DatatypeID = 0; % double
block.OutputPort(1).Complexity = 'Real';
%% Set block sample time to [0.1 0]
block.SampleTimes = [1e-4 0];
%% Set the block simStateCompliance to default (i.e., same as a built-in
block)

9


block.SimStateCompliance = 'DefaultSimState';
%% Register methods
block.RegBlockMethod('PostPropagationSetup',
@DoPostPropSetup);
%block.RegBlockMethod('Start', @Start);
block.RegBlockMethod('Outputs',

@Output);
block.RegBlockMethod('Update',
@Update);
%block.RegBlockMethod('CheckParameters', @CheckPrms);
block.RegBlockMethod('InitializeConditions',
@InitConditions);
function DoPostPropSetup(block)
%% Setup Dwork
block.NumDworks = 3;
block.Dwork(1).Name =
block.Dwork(1).Dimensions
block.Dwork(1).DatatypeID
block.Dwork(1).Complexity
block.Dwork(1).UsedAsDiscState

=
=
=
=

'x0';
1;
0;
'Real';
true;

block.Dwork(2).Name
block.Dwork(2).Dimensions
block.Dwork(2).DatatypeID
block.Dwork(2).Complexity

block.Dwork(2).UsedAsDiscState

=
=
=
=
=

'x1';
1;
0;
% double
'Real'; % real
true;

=
=
=
=

'x2';
1;
0;
'Real';
true;

block.Dwork(3).Name =
block.Dwork(3).Dimensions
block.Dwork(3).DatatypeID
block.Dwork(3).Complexity

block.Dwork(3).UsedAsDiscState
function InitConditions(block)
block.Dwork(1).Data = 0;
block.Dwork(2).Data = 0;
block.Dwork(3).Data =0;
%function Start(block)
%block.Dwork(1).Data = 0;
%block.Dwork(2).Data = 0;
%block.OutputPort(1).Data = 0;
%function CheckPrms(block)
%block.Dwork(1).Data = 0;
%block.Dwork(2).Data = 0;
%block.OutputPort(1).Data = 1;

function Output(block)
k1 = block.DialogPrm(1).Data;
k2 = block.DialogPrm(2).Data;
block.OutputPort(1).Data =block.Dwork(3).Data
+ (k2)*block.Dwork(2).Data;
%block.OutputPort(1).Data=block.Dwork(3).Data;
%endfunction

+ (k1)*block.Dwork(1).Data

function Update(block)
block.Dwork(2).Data = block.Dwork(1).Data;
block.Dwork(1).Data = block.InputPort(1).Data;
block.Dwork(3).Data=block.OutputPort(1).Data;

10

%function Terminate(block)

11


3. So sánh chu kì trích mẫu của bộ điều khiển với
Fixed-step size của hệ thống

Hình 8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển số
Trong 2 bộ điều khiển ta dùng cách nhập chu kì trích mẫu cho bộ điều khiển
%% Set block sample time to [0.01 0]
block.SampleTimes = [1e-4 0];

Khi đó bộ điều khiển có chu kì trích mẫu là Ts=0.1ms
Ta cái đặt chu kì trích mẫu cho hệ thống thông qua khối Configuration
Paramaters /chọn Fixed-Step / Fixed-Step size

Hình 9: Khối Configuration Paramaters

12


Khi ta nhập Fixed-Step size có giá trị khác với Ts của bộ điều khiển ,hệ thống sẽ
báo lỗi

Hình 10:Lỗi khi nhập chu kì trích mẫu không phù hợp
Kết luận:Chu kì trích mẫu của hệ thống phải phù hợp với chu kì trích mẫu của
bộ điều khiển

Ở đây chúng ta chọng Tht=Ts

13


4.Tài liệu tham khảo
[1]Electrical Engineering-Automatic - Hon-Prof.Prof. Dr.-Ing.habil Nguyễn
Phùng Quang – 19 August 2013
[2] Tài liệu hướng dẫn thực hành Hệ thống điều khiển số, Bộ môn ĐKTĐĐHBKHN
[3] />[4] />
14