Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ BÍCH NGA

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN

ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG TRONG CHUYỂN

ĐỘNG TRỤC CÁN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. VÕ QUANG LẠP

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Bích Nga học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ

thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP.

Xin cam đoan: Đề tài “ Nâng cao chất lượng hệ chuyển động nhiều động cơ

ứng dụng trong chuyển động trục cán” dưới sự hướng dẫn của PGS - TS Võ Quang

Lạp là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều được ghi

trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu nào khác mà không được ghi trong

danh mục.

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề

cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách

nhiệm.

iii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn

tận tình của thầy PGS - TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nâng cao chất

lượng hệ điều khiển chuyền động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục

cán” đã được hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tác giả hoàn thành luận văn này.

Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học Kỹ

thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng

như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ

trong suốt quá trình học tập.

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Nga

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ii

LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................iii

MỤC

LỤC...............................................................................................................................

iv....................................................................................................................................

DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ......................................ix

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG

DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN......................................................................2

1.1. Ứng dụng hệ truyền động nhiều động cơ trong máy sản xuất .............................2

1.2. Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều động cơ.............................................2

1.2.1. Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại......................................................2

1.2.2. Đặc tính phụ tải của chuyển động trục cán trong dây chuyền cán liên tục..............3

1.3. Phân tích và chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động cán nóng

thô................................................................................................................................9

1.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ)............................9

1.3.2. Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ)..........10

1.3.3. Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ (BT - ĐKĐB)11

1.4. Kết luận chương 1 ..............................................................................................12

CHƯƠNG II: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG

CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ................................13

2.1. Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô ............................................13

2.2. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB cho hệ truyền động trong dây chuyền cán

thô..............................................................................................................................14

2.2.1. Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian .............14

2.2.2. Các phương pháp biến đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB từ hệ tọa độ

của vectơ không gian (a,b,c) về các hệ tọa độ khác..................................................16

v

2.2.3. Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ .....................................................16

2.2.4. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ ..............................18

2.2.5. Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)..21

2.2.6. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB ..............................................................25

2.2.7. Mô phỏng hệ truyền động ...............................................................................28

2.3. Kết luận chương 2 ..............................................................................................31

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LỰC CĂNG TRONG HỆ

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ ...............................32

3.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................32

3.2. Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ RT dùng PID tuyến tính............32

3.2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng .................................................................32

3.2.2. Tổng hợp mạch vòng.......................................................................................33

3.2.3. Mô phỏng hệ ổn định lực căng........................................................................34

3.3. Nâng cao chất lượng hệ điều khiển ổn định lực căng trong hệ điều khiển chuyển

động dây chuyền cán thô...........................................................................................38

3.3.1. Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi ..............................39

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song. .............47

3.4. Kết luận chương 3 ..............................................................................................67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................70

PHỤ LỤC I ...............................................................................................................71

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB

TỪ HỆ TỌA ĐỘ CỦA VECTƠ KHÔNG GIAN(a,b,c) VỀ CÁC HỆ TỌA ĐỘ

KHÁC........................................................................................................................71

PHỤ LỤC 2...............................................................................................................81

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ..................................81

PHỤ LỤC 3...............................................................................................................86

TÍNH TOÁN CÁC THỐNG SỐ...............................................................................86

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ Tên hình vẽ Trang

Hình 1.1 Đặc tính phụ tải máy gia công kim loại 3

Hình 1.2 Mô hình cán liên tục 4

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô 4

Hình 1.4 Đặc tính phụ tải của quá trình cán thô 5

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán tinh 6

Hình 1.6 Đặc tính phụ tải của quá trình cán tinh 7

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ máy cán nối cứng trục 7

Hình 1.8 Sơ đồ nối cứng trục 8

Hình 1.9 Đặc tính phụ tải khi nối cứng trục cán với hai động cơ 8

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh mômen của hai động cơ 8

Hình 1.11 Hệ truyền động F - Đ 10

Hình 1.12 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ 10

Hình 1.13

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết

bị biến tần 11

Hình 2.1

Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ trong chế độ cán

thô dùng BT - ĐKĐB

13

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 14

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 20

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 21

Hình 2.5

Định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông roto

(d,q)

22

Hình 2.6

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ

bằng thiết bị biến tần 24

Hình 2.7

Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống TĐĐ sử dụngbiến tần và

động cơ KĐB

25

vii

Hình 2.8a

Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện sử

dụng biến tần và động cơ không đồng bộ 26

Hình 2.8b

Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và

động cơ không đồng bộ 27

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 28

Hình 2.10 Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc của hệ thống Matlab Simulink 29

Hình 2.11 Đáp ứng tốc độ đầu ra của hệ thống 30

Hình 2.12 Đáp ứng dòng điện đầu ra của hệ thống 30

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ truyền động lực căng 32

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng 33

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh lực căng 34

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 35

Hình 3.5 Quan hệ giữa Δφ và ω 38

Hình 3.6 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ 39

Hình 3.7 Sơ đồ bộ điều khiển mờ động 40

Hình 3.8 Điều chỉnh hệ số khuếch đại 41

Hình 3.9 Bộ điều khiển theo mô hình mẫu 41

Hình 3.10 Bộ điều khiển tự chỉnh 42

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 43

Hình 3.12

Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối tượng

bậc nhất 44

Hình 3.13 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 45

Hình 3.14 Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 46

Hình 3.15 Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi 47

Hình 3.16 Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào 47

Hình 3.17 Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào ra 48

Hình 3.18 Luật hợp thành tuyến tính 48

Hình 3.19 Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính 50

viii

Hình 3.20 Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành 50

Hình 3.21 Các vùng trong ô suy luận 51

Hình 3.22 Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K 55

Hình 3.23 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra 55

Hình 3.24

MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đàu ra và hệ số tích phân

sai lệch đầu vào

56

Hình 3.25 Sơ đồ khối mờ cơ bản 57

Hình 3.26 Các luật hợp thành 61

Hình 3.27 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 62

Hình 3.28

Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ

điều khiển mờ thích nghi 62

Hình 3.29

Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị

trí đặt đầu vào φđặt = 6V.

64

Hình 3.30

Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều

khiểnPID 66

Hình P1.1

Hệ tọa độ vectơ khong gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên

stator (α,β)

70

Hình P1.2

Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ tọa độ cố định trên

rotor (x,y)

72

Hình P1.3

Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator

(,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 73

Hình P1.4

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator

(,) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

75

Hình P2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện 80

Hình P2.2 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 82

Hình P2.3 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 83

ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI

PID : Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm)

T - Đ : Hệ truyền động Thysistor - động cơ điện một chiều

FT : Máy phát tốc

F - Đ : Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều

BT - ĐKĐB : Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ

BT : Biến tần

KĐB : Không đồng bộ

MRAFC : Model Reference Adaptive Fuzzy Controller (bộ điều khiển mờ thích nghi

theo mô hình mẫu)

FLC : Fuzzy Logic Control (hệ logic mờ )