Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) áp dụng cho bài toán phân chia công suất hai động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN ĐÀO

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN

PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI

CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa

Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào.

Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975.

Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp

Thái Nguyên.

Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI

TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI

CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” do thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng

hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham

khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội

dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì

trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam

đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn

tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng, luận văn với đề tài

“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ

HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG

SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”

đã đƣợc hoàn thành.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã tận tình chỉ dẫn, giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn.

Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và

một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

học tập để hoàn thành luận văn này.

Công ty cổ phần tự động hóa Hoàng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất

và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm.

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm

thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì

vậy, tôi mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các

bạn bè đồng nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................I

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................III

MỤC LỤC.......................................................................................................IV

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................VI

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................... VII

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. X

CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI

CỨNG TRỤC.................................................................................................... 1

1.1 Bài toán thực tế: .................................................................................... 1

1.1.1 Giải pháp truyền thống...................................................................... 3

1.1.2 Giải pháp đề xuất .............................................................................. 6

1.2 Mô hình hệ thống. ................................................................................. 8

1.2.1 Giới thiệu:.......................................................................................... 8

1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống. .............................................. 9

1.3 Tham số hệ thống. ............................................................................... 13

CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH

MẪU MRAS ................................................................................................2-15

2.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................2-15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp.................................2-15

2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu......................2-15

2.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: ......................2-19

2.3 Phƣơng pháp ổn định của Lyapunov. ..............................................2-29

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN.

......................................................................................................................... 39

3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển. ............................................................. 39

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1......................................... 40

3.3 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mô

hình mẫu MRAS.............................................................................................. 45

3.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ................................................................ 54

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM.................................................................... 62

4.1 Giới thiệu:............................................................................................ 62

4.2 Các mạch điện thực hiện. .................................................................... 63

4.3 Thực nghiệm trên mô hình.................................................................. 67

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .............................................................................. 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt

LFFC Learning Feed Forward Control

MRAS

Model Reference Adaptive

System

Hệ thống thích nghi theo

mô hình mẫu

PID

Proportional - Integral -

Derivative

Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm

STR Self Tuning Regulator Bộ điều khiển tự chỉnh

FEL Learning Feedback Error

Điều khiển học sai lệch

phản hồi

ILC Interative learning control

Điều khiển học theo quá

trình lặp

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

DC Direct Current Dòng điện một chiều

PWM Pulse – width modulation Điều chế độ rộng xung

AD Analog digital Bộ biến đổi tƣơng tự -số

MLP Multilayer perceptron

LC Learning Control Bộ điều khiển học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ..............................................................1

Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ...............................................................2

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau................................3

Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ. ..........................................5

Hình 1-5: Giải pháp truyền thống. .........................................................................6

Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. ...................................................7

Hình 1-7: Mô hình hệ thống...................................................................................9

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. .....................10

Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập........................................12

Hình 1-10: Mô hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải...................13

Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số...................................................................... 2-16

Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu. ..................................................................... 2-17

Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp ........................................................ 2-18

Hình 2-4: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu ................................................ 2-21

Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. ........... 2-22

Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng khi thay đổi tham số bp................... 2-23

Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp. ............... 2-23

Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb. ....... 2-24

Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng điều khiển và mô hình mẫu theo luật

MIT................................................................................................................... 2-24

Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tƣợng và mô hình mẫu. ........................... 2-25

Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT............................................... 2-25

Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb........................... 2-27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tƣợng và mô hình mẫu..2-

27

Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb. ..................................................................... 2-28

Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi........................................................ 2-28

Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov..2-

36

Hình 2-17: Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tƣợng và mô hình mẫu. ............ 2-37

Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb. .................................................... 2-37

Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển..............................................................40

Hình 3-2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện. ........................................................41

Hình 3-3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện 1.......................................44

Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện 1...........................................................................44

Hình 3-5: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2.........51

Hình 3-6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện

mẫu. ......................................................................................................................51

Hình 3-7: Các tham số của bộ điều khiển. ...........................................................52

Hình 3-8: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện

mẫu khi thông số phần ứng thay đổi. ...................................................................53

Hình 3-9: Các tham số của bộ điều khiển khi thông số phần ứng thay đổi. ........53

Hình 3-10: Cấu trúc mạch vòng tốc độ. ...............................................................55

Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ. ..................................................57

Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ. .............................................58

Hình 3-13: Tốc độ động cơ dƣới điều kiện định mức..........................................59

Hình 3-14: Đáp ứng và sai lệch dòng điện của hai động cơ. ...............................59

Hình 3-15: Tham số của bộ điều khiển. ...............................................................60

Hình 4-1: Mô hình đối tƣợng. ..............................................................................62