Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động

Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Hoàng Anh Tuấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU Hiện nay, tự động hoá đang đƣợc các nhà máy quan tâm đặc biệt và đƣợc ƣnga dụng hầu hết trong các máy công cụ, trong lĩnh vực sản xuất xi măng, cán thép, hệ thống thang máy, máy nâng, hệ thống điều khiển rađa, máy chép hình, ngƣời máy…Việc dừng chính xác hay đồng tốc của hai truck cán đó là điều rất quan trọng, nó ảnh hƣởng trực tiếp tới chất lƣợng sản phẩm, tới hiệu quả công việc. Để đạt đƣợc điều này thì trong hệ thống đƣa thêm mạch vòng vị trí, khi đó hệ thống đƣợc gọi chung là hệ tuỳ động vị trí (hay hệ bám. Để nâng cao chất lƣợng thì mới dừng lại ở các mạch vòng phản hồi nên chất lƣợng chƣa cao đồng thời còn có nhiều nhƣợc điểm vì nó ảnh hƣởng đên tính liên tục của hệ thống dẫn đên lƣợng đầu ra cũng dễ bị thay đổi. Do đó một vấn đề đặt ra là làm nhƣ thế nào để nâng cao chất lƣợng của hệ thống. Trên cơ sở đó thì trong luận văn này sẽ đi tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp điều khiển mờ vào và kết hợp với bộ điều chỉnh truyền thống gọi là bộ điều khiển để nâng cao chất lƣợng của hệ thống. Điều khiển mờ hiện đang giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống, đồng thời lại thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ nhƣ độ chính xác cao, độ tác động nhanh, tính bền vững và ổn định tốt, dễ thiết kế và thay đổi…Khác với kỹ thuật điều khiển truyền thống thông thƣờng là hoàn toàn dựa vào độ chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có đƣợc, hệ điều khiển lôgic mờ đƣợc áp dụng hiệu quả nhất trong các quá trình chƣa xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác đƣợc, trong các quá trình điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin. Chính khả năng này của điều khiển mờ đã giúp giải quyết thành công các bài toán phức tạp, các bài toán mà trƣớc đây không giải đƣợc. Sau hơn 2 năm học tập tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tôi đã đƣợc đào tạo và tiếp thu đƣợc những kiến thức hiện đại và tiên tiến nhất trong lĩnh vực tự động hoá. Trƣớc khi tốt nghiệp cao học, tôi nhận đƣợc đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động” Nội dung của bản luận văn đƣợc đƣa chia làm 4 chƣơng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chương I: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương II: Đo kiểm tín hiệu vị trí. Chương III: Thiết kế ứng dụng bộ diều khiển thông thường. Chương IV: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn Nhƣ Hiển - ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin trân thành cảm ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin trân thành cảm ơn Khoa sau Đại học, xin trân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khoá học. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 4 năm 2008 Ngƣời thực hiện Hoàng Anh Tuấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên M ỤC L ỤC MỤC TÊN ĐỀ MỤC TRANG CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 I.1. Ứng dụng của hệ thống tuỳ động vị trí 1 I.2. Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí. 1 I.3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc 3 I.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí 4 I.4.1. Hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng 4 I.4.2. Hệ thống tuỳ động kiểu số 5 I.4.3. Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số 7 CHƢƠNG 2 ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ 9 II.1. Sensin 9 II.2. Bộ biến áp quay 14 II.3. Bộ đồng bộ cảm ứng 16 II.4. Đĩa mã quang điện 19 II.4.1. Đĩa mã kiểu gia số. 19 II.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối 21 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƢỜNG 23 III.1. Tổng quan về thiết bị nâng 23 III.1.1. Công dụng 23 III.1.2. Phân loại 23 III.1.3. Các chế độ làm việc của TBN 29 III.1.4. Các yêu cầu cơ bản về hệ truyền động điện của thiết bị nâng 29 III.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên III.2.1. Sai số đo kiểm 31 III.2.2. Sai số nguyên lý 31 III.2.2.1. Tín hiệu vào điển hình 32 III.2.2.2. Sai số nguyên lý của hệ thống loại I 33 III.2.2.3. Sai số nguyên lý hệ thống loại II 35 III.2.2.4. Nhân tố phẩm chất của trạng thái ổn định 36 III.2.2.5. Sai số nhiễu 37 III.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy nâng 40 III.3.1. Hàm truyền của động cơ điện 42 III.3.2. Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor 47 III.3.3. Hàm truyền của máy phát tốc 48 III.3.4. Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện 49 III.4. Tổng hợp hệ điều khiển RI, R, R 49 III.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 49 III.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R 51 III.4.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí 53 III.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 55 III.6. Tính toán các thông số và mô phỏng hệ tuỳ động vị trí khi sử dụng bộ điều khiển PID 57 III.6.1. Tính toán các thông số hệ tuỳ động vị trí đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập 57 III.6.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID 61 CHƢƠNG IV THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 65 IV.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 66 IV.2. Nguyên lý điều khiển mờ 68 IV.3. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên IV.4. Các bộ điều khiển mờ 74 IV.4.1. Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển 74 IV.4.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh 75 IV.4.3. Bộ điều khiển mờ động 75 IV.5. Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển mờ lai cho mạch vòng vị trí 78 IV.5.1. Mờ hóa 78 IV.5. 2. Luật điều khiển và luật hợp thành 80 IV.5.3. Giải mờ 81 IV.6. Mô phỏng hệ tuỳ động vị trí khi có bộ điều khiển mờ 81 Kết luận và kiến nghị 86 Tài liệu tham khảo 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU I.1. Ứng dụng của hệ thống tuỳ động vị trí Hệ thống tuỳ động vị trí được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế. Nhiệm vụ cơ bản của nó chính là thực hiện sự bám sát chính xác cơ cấu chấp hành đối với chỉ lệnh vị trí (lượng cho trước), đại lượng điều khiển (lượng đầu ra) thường là vị trí không gian của phụ tải, tức lượng cho trước thay đổi theo máy, hệ thống có thể làm cho đại lượng điều khiển bám sát và khôi phục đối tượng điều khiển một cách chính xác không có nhầm lẫn. Ví dụ điều khiển cơ cấu ép trục cán trong quá trình cán kim loại, phải làm cho khe hở giữa hai trục cán có thể tiến hành tự điều chỉnh; điều khiển quỹ tích gia công của máy cắt điều khiển số và điều khiển bám của máy cắt mô phỏng hình; cơ cấu nâng hạ có thể làm cho dừng chính xác ở những vị trí mong muốn; cơ cấu lái tự động tàu thuyền có thể làm cho góc lệch của lá chân vịt đặt ở đuôi tàu thuyền phỏng đúng theo góc quay của bánh lái (vô lăng) đặt ở buồng lái điều khiển tàu thuyền đi đúng tuyến đường đã vạch ra; cơ cấu điều khiển anten rađa của cụm súng pháo hay kính viễn vọng điện tử nhằm đúng mục tiêu; điều khiển động tác của người máy. Những ví dụ trên đây đều là những ứng dụng cụ thể về hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí. Chỉ lệnh vị trí (cơ cấu cho trước) trong hệ thống tuỳ động vị trí cũng như đại lượng điều khiển là vị trí (hay đại lượng điện đại diện cho vị trí), đương nhiên có thể là chuyển vị góc, chuyển vị dài. Vì thế hệ thống tuỳ động buộc phải là hệ thống phản hồi vị trí. Hệ thống tuỳ động vị trí là một hệ thống tuỳ động nghĩa hẹp, về nghĩa rộng mà nói, lượng đầu ra của hệ thống tuỳ động không nhất thiết phải là vị trí, mà có thể là các đại lượng khác, chẳng hạn như hệ thống điều tốc hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng điện là một hệ thống tuỳ động; máy làm giấy, máy dệt nhiều trục sử dụng nhiều động cơ có thể coi là hệ thống tuỳ động đồng tốc…Hệ thống tuỳ động nói chung cũng còn gọi là hệ thống bám. I.2. Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí a. Cấu tạo: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Sau đây sẽ thông qua một ví dụ đơn giản để nói rõ về cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động vị trí. Đây là một hệ thống vị trí kiểu chiết áp dùng để bám đuổi anten rađa. Hệ thống này gồm những bộ phận chính sau: + Bộ đo kiểm vị trí: Do chiết áp RP1 và RP2 tạo thành bộ đo kiểm vị trí (góc), trong đó trục quay của RP1 nối thông với bánh điều khiển làm góc cho trước, trục quay của chiết áp RP2 thông qua cơ cấu nối thông với bộ phận phụ tải làm phản hồi góc quay, 2 bộ chiết áp đều được cấp điện nhờ nguồn điện một chiều Us, như vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra. + Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do bộ khuếch đại OA1, OA2 tạo thành, trong đó bộ khuếch đại OA1 chỉ làm nhiệm vụ đảo pha, còn bộ khuếch đại OA2 có tác dụng so sánh và khuếch đại điện áp. Tín hiệu đầu ra làm tín hiệu điều khiển bộ khuếch đại công suất kế tiếp, đồng thời có khả năng nhận biết cực tính điện áp. + Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để dẫn động động cơ chấp hành của hệ thống tuỳ động chỉ có khuếch đại điện áp là chưa đủ, còn phải khuếch đại công suất, R1 R2 - + - + Bộ KĐCS điều Khiển được Vô lăng Anten rada Bộ giảm tốc MS R0 R0 R1 Uct Ud đ  OA1 OA2 U * U Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động vị trí kiểu chiết áp RP1 RP2 + - n Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 công suất khuếch đại do Thyristor hoặc do bóng bán dẫn công suất lớn tạo thành mạch điện chỉnh lưu, điện áp do nó đưa ra mới đủ khởi động động cơ SM. + Cơ cấu chấp hành: Động cơ bám SM để dẫn động cơ cấu chấp hành mang phụ tải (dàn anten rađa), giữa động cơ và phụ tải còn phải phối hợp ăn ý với bộ giảm tốc. Bốn bộ phận trên đây không thể thiếu để tạo nên hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí. Song chỉ có linh kiện hoặc thiết bị cụ thể là có thể khác nhau, ví dụ có thể dùng các bộ đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động cơ bám khác nhau (một chiều hay xoay chiều)… b.Nguyên lý làm việc Từ hình 1-1 ta có thể thấy, lúc vị trí trục quay hai chiết áp RP1 và RP2 là như nhau, góc cho trước đ và góc phản hồi  bằng nhau, vì vậy độ lệch góc  = đ -  = 0, điện áp ra của chiết áp U * = U, điện áp đầu ra bộ khuếch đại điện áp Uct =0, điện áp đầu ra của bộ khuếch đại công suất đảo chiều Ud = 0, tốc độ quay của động cơ điện n = 0, hệ thống ở trạng thái tĩnh. Khi quay bánh điều khiển, làm cho góc cho trước tăng lên,  > 0, thì U * > U, Uct > 0, Ud > 0, tốc độ quay của động cơ n > 0, qua bộ giảm tốc làm anten rađa quay, anten thông qua cơ cấu làm quay trục chiết áp RP2 khiến cho  cũng tăng lên. Chỉ cần  < đ thì động cơ luôn luôn quay theo chiều để ra đa thu hẹp độ lệch, chỉ có lúc đ = , độ lệch  = 0, Uct = 0, Ud = 0 hệ thống mới ngừng quay rồi ở vào trạng thái ổn định mới ( trạng thái xác lập). Nếu góc cho trước đ giảm xuống, thì chiều chuyển động của hệ thống sẽ ngược lại với trường hợp trên. Rõ ràng là hệ thống này hoàn toàn có thể thực hiện được yêu cầu đại lượng điều khiển  bám đuổi chính xác đại lượng cho trước đ. I. 3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc Thông qua phân tích ở trên dễ dàng nhận ra những chỗ khác nhau và giống nhau giữa hệ thống tuỳ động vị trí (hệ thống tuỳ động) và hệ thống điều tốc. Cả hai đều là hệ thống phản hồi, tức là thông qua việc so sánh lượng đầu ra của hệ thống với lượng cho trước tạo dựng mạch vòng kín điều khiển, vì vậy nguyên lý của hai hệ thống này là giống nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 Đại lượng cho trước của hệ thống điều tốc là hằng số, dù cho tình trạng nhiễu động như thế nào, đều mong muốn đại lượng đầu ra không thay đổi, vì thế chất lượng chống nhiễu của hệ thống luôn tỏ ra quan trọng nhất. Còn hệ thống tuỳ động thì chỉ lệnh vị trí là thường xuyên thay đổi, là đại lượng “thay đổi tuỳ cơ”, yêu cầu lượng ra bám đuổi chính xác theo sự biến hoá của lượng cho trước, tính nhanh nhạy, tính linh hoạt, tính chính xác thích nghi đầu ra trở thành đặc trưng chủ yếu của hệ thống tuỳ động. Hay nói cách khác chất lượng bám đuổi là chỉ tiêu chủ yếu của hệ thống này. Từ hình 1-1 ta có thể thấy, hệ thống tuỳ động có thể xây dựng trên cơ sở hệ thống điều tốc cài thêm mạch vòng vị trí, mạch vòng vị trí là đặc trưng cấu trúc chủ yếu của hệ thống tuỳ động. Vì vậy hệ thống tuỳ động thường phức tạp hơn hệ thống điều tốc. I.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí Theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật đã xuất hiện rất nhiều loại hình hệ thống tuỳ động. Bởi vì đặc trưng cơ bản của hệ thống tuỳ động vị trí thể hiện ở mạch vòng vị trí, thể hiện ở tín hiệu cho trước của vị trí và tín hiệu phản hồi vị trí cùng với các mặt so sánh tổng hợp của hai tín hiệu này. Vì vậy có thể căn cứ vào đặc trưng đó để phân nó ra thành hai loại chính đó là hệ thống tuỳ động mô phỏng và hệ thống tuỳ động kiểu số. I.4.1. Hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng Hình 1-1 là một ví dụ về hệ thống tuỳ động vị trí mô phỏng chuyển vị góc, các loại tham số trong hệ thống này đều là đại lượng mô phỏng thay đổi liên tục, bộ đo kiểm vị trí của nó có thể dùng bộ chiết áp, máy tự chỉnh góc, bộ biến áp quay, bộ cảm ứng đồng bộ. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tuỳ động vị trí kiểu mô phỏng điển hình còn được thể hiện trên hình 1-2, thông thường trên cơ sở của hệ thống điều tốc còn bổ xung thêm một mạch vòng vị trí, nguyên lý làm việc của nó giống như hình 1-2. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Máy cắt theo khuôn dùng cách áp tựa khuôn mẫu đưa ra chỉ lệnh vị trí là một ví dụ thực tiễn ứng dụng hệ thống tuỳ động vị trí kiểu mô phỏng. I.4.2. Hệ thống tuỳ động kiểu số I.4.2.1. Hệ thống tuỳ động kiểu pha số Hệ thống điều khiển góc pha số như hình 1-3, đây là một loại hệ thống tuỳ động dùng rộng rãi trong máy công cụ điều khiển số, về thực chất nó là một hệ thống điều khiển phản hồi của mạch vòng kín góc pha ( hay còn gọi là mạch vòng kín khoá pha). Mạch vòng vị trí của nó gồm có ba bộ phận là mã số vị trí góc pha cho trước, mã số vị trí góc pha phản hồi và mã số so sánh góc pha, tức là ba bộ phận gồm các chữ số cho trước, bộ đo kiểm vị trí và bộ nhận dạng góc pha như trong hình 1-3. Nhiệm vụ của bộ mã số cho trước biến thành xung số, sau đó lại qua mã số góc pha biến đổi (D/A), nếu xuất hiện một lệnh phát xung thì nó sẽ đưa ra một đương lượng xung vượt trước hoặc chậm sau góc pha cho trước đ của điện áp sóng chữ nhật, đại lượng xung tương đương này có thể băm ra rất nhỏ để giữ cho hệ thống có độ chính xác rất cao. Một loạt xung xuất hiện sẽ làm góc pha trước của điện áp dịch chuyển theo một tốc độ nào đó trước hoặc chậm, tốc độ của nó phụ thuộc vào tần số xung. Vị trí cho trước Vị trí bộ điều tiết Bộ điều khiển tốc độ Khuếch đại công suất Vị trí đo kiểm Phụ tải Bộ giảm tốc SM CKT Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng đ  - + Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 Bộ phận đo kiểm vị trí sinh ra phản hồi góc pha, chức năng của nó là biến đổi chuyển vị của bàn máy thành chuyển vị góc pha  của điện áp có xung chữ nhật cùng với tần số xung chữ nhật cho trước, có thể dùng bộ đồng bộ cảm ứng để thực hiện sự chuyển đổi chuyển vị – góc pha, độ chính xác của nó có thể đạt tới 0.001m, vì thế góc pha của nó có thể phản ánh chính xác vị trí thực tế của máy. Chức năng chủ yếu của bộ diện pha là so sánh góc pha cho trước đ với góc pha phản hồi , đổi độ lệch của chúng  = đ -  thành điện áp mô phỏng, cực tính của điện áp mô phỏng này phải phù hợp với cực tính của sai số góc pha. Lượng đầu ra của bộ nhận diện pha sau khi biến đổi sẽ trở thành đại lượng cho trước của bộ điều tốc, sau khi phóng đại công suất động cơ điều khiển và bàn thao tác của máy sẽ dịch chuyển theo hướng loại bỏ sai số, vì vậy làm cho  luôn bám sát đ, tức là làm cho bàn máy thao tác tuân theo chỉ lệnh của yêu cầu chuyển động. Bộ nhận diện có thể làm thành dạng số, như vậy độ chính xác của hệ thống có thể đạt tới mức cao hơn. Lúc mạch vòng kín góc pha làm việc, vị trí của cơ cấu chấp hành chịu sự điều khiển của tín hiệu cho trước, góc pha của tín hiệu phản hồi bị khoanh lại trong một phạm vi góc pha nhất định của tín hiệu cho trước, vì thế hệ thống này còn được đặt tên là hệ thống tuỳ động điều khiển mạch vòng khoá pha. Dù cho hệ thống tuỳ động số kiểu góc pha này trên thực tế làm việc theo cách so sánh, nhưng vì sử dụng tần số cao (tần số được sử dụng của bộ nhận dạng đều lớn hơn 1000Hz, chu kỳ nhỏ hơn 1ms) tính nhanh nhậy của nó không thua kém hệ thống mô phỏng nói chung. Bàn máy Số liệu cho trước Bộ nhận diện pha Bộ điều khiển tốc độ Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha kiểu số D A đ Động cơ chấp hành Vị trí đo kiểm (Bộ đồng bộ cảm ứng) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 I.4.2.2. Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số Trong hệ thống tuỳ động điều khiển tham số, tín hiệu cho trước là chỉ lệnh xung D *, với chức năng cực lưới phát ra xung số D, chúng có thể lần lượt đi vào đầu phép cộng hoặc phép trừ của thuật toán đảo chiều. Sau khi tính toán sẽ tính được độ lệch của xung D = D*- D + Do, trong đó Do là hằng số nhằm khắc phục ảnh hưởng của độ lệch kim chỉ 0 trong bộ khuếch đại tới bộ thuật toán. Tín hiệu sai lệch này khi qua chuyển đổi mô phỏng trở thành tín hiệu cho trước của bộ điều tốc, lại qua bộ khuếch đại công suất, làm cho động cơ và bàn thao tác của máy chuyển động theo hướng loại bỏ sai số. Nhờ độ chính xác của cảm biến quang trở rất cao nên hệ thống này có thể đạt được độ chính xác điều khiển rất cao. I.4.3. Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số Số liệu cho trước Bộ thuật toán đảo chiều Bộ điều khiển tốc độ Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số D A D Động cơ chấp hành Bàn máy Vị trí đo kiểm (Đĩa mã quang điện) D * Số liệu cho trước Bộ thuật toán đảo chiều Bộ điều khiển tốc độ Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển xung số D A D Động cơ chấp hành Bàn máy Vị trí đo kiểm (Cảm biến quang trở) D * Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Trong hệ thống này, lượng cho trước thường là tín hiệu mã số nhị phân. Linh kiện đo kiểm là đĩa mã số quang điện hay bộ phát xung phản hồi kiểu số khác, dựa vào mạch điện chuyển đổi nhận được tín hiệu mã số nhị phân, gắn kết lại tạo thành bộ chuyển đổi “góc- số” hoặc bộ chuyển đổi “chuyển vị – số”. Tín hiệu đầu ra và tín hiệu mã số của nó đồng thời nhập vào máy tính tiến hành so sánh và xác định sai số, theo một quy luật chuyển đổi nhất định ( như chuyển đổi PID), tạo nên tín hiệu hiệu chỉnh kiểu số, sau đó lại chuyển đổi số thành tín hiệu điện áp, lấy đó làm giá trị cho trước của bộ điều tốc. Lúc sử dụng máy tính điều khiển, quy luật điều khiển của hệ thống có thể được thay đổi dễ dàng thông qua thay đổi phần mềm, nhờ vậy độ linh hoạt của phương pháp điều khiển được tăng lên rất nhiều. Dù cho hệ thống tuỳ động là kiểu mô phỏng hay kiểu số thì cấu trúc mạch vòng kín của chúng cũng có thể có nhiều dạng khác nhau. Ngoài những dạng này hay dùng của hệ thống ba mạch vòng vị trí, tốc độ, dòng điện còn có thể sử dụng những phương pháp khác: Hoặc là chỉ có mạch vòng vị trí, mạch vòng tốc độ mà không có mạch vòng dòng điện; hoặc là chỉ có mạch vòng vị trí, mạch vòng dòng điện mà không có mạch vòng tốc độ; hoặc là chỉ có một mạch vòng vị trí. Các phương án khác nhau có ứng dụng riêng của nó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 CHƢƠNG II ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ Sự khác biệt giữa hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc đầu tiên là ở đo kiểm tín hiệu. Bởi vì đối tượng điều khiển trong hệ thống tuỳ động vị trí phần lớn là chuyển vị dài hay chuyển vị góc, lúc cấu tạo thành hệ thống tuỳ động vị trí nhất thiết phải chuyển đổi đại lượng đo kiểm vị trí thành đại lượng điện thông qua thiết bị đo kiểm vị trí. Loại thiết bị này thường dùng như sensin, bộ biến áp quay, bộ đồng bộ cảm ứng, đĩa mã quang điện. II.1. SENSIN (BS) Sensin là một bộ cảm biến chuyển vị góc, trong hệ thống tuỳ động thường dùng theo từng cặp đối nhau. Khi đưa nó nối tiếp với sensin thì có tên là máy phát tin, khi nối với trục cơ cấu chấp hành thì có tên là máy nhận tin. Theo công dụng, sensin được chia thành hai loại là kiểu mômen và kiểu điều khiển. + Sensin kiểu mômen có thể không qua khâu khuếch đại trung gian mà trực tiếp truyền tín hiệu chuyển vị góc, có thể làm cho hai trục ở xa nhau vận hành đồng bộ mà không có mối liên hệ cơ khí trực tiếp. Phụ tải của Sensin kiểu mômen thường là kim đồng hồ đo thuộc loại hệ thống quay đồng bộ công suất nhỏ. Đối với phụ tải công suất lớn hơn thì máy tự chỉnh góc kiểu mômen không thể làm cho nó quay được và phải dùng máy tự chỉnh góc kiểu điều khiển. Nối máy nhận tin tự chỉnh góc thành trạng thái bộ biến áp, mà đầu ra của nó phải thông qua khâu khuếch đại trung gian để dẫn động phụ tải, tạo thành hệ thống tuỳ động sensin. + Ta đi tìm hiểu và phân tích nguyên lý làm việc Sensin một pha (như hình 2-1). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Sensin gồm một tổ cuộn dây kích từ một pha và một tổ cuộn dây chỉnh bước ba pha. Tổ cuộn dây kích từ lắp đặt trên rôto, cực từ kích thích thường làm thành dạng cực ẩn. Như vậy có thể làm cho trở kháng đầu vào không thay đổi theo vị trí của rôto, tổ cuộn dây chỉnh bước là tổ cuộn dây ba pha, thường được quấn rải, lắp trên stator lệch pha nhau 120o đấu theo hình sao. Sensin kiểu điều khiển dùng để biến đổi điện áp góc quay. Lúc sử dụng lấy ba dây dẫn đấu đầu ra cuộn dây stator của hai máy tự chỉnh góc với nhau, tổ cuộn dây rôto của máy phát tin BST nối với nguồn điện kích từ xoay chiều một pha, còn đầu ra tổ cuộn dây rôto máy nhận tin BSR là điện áp tín hiệu ubs của chuyển vị góc, như trên hình 2-2. Công thức biểu thị điện áp kích từ xoay chiều một pha uf của máy phát tin là:   tSinUtU mï  f~u Cuén d©y Stato Cuén d©y Roto Hình 2-1 Nguyên lý cấu tạo Sensin Hình 2-2 Mạch điện Sensin kiểu điều khiển bsu f  o' b2 bsr c2 a2 ~u bst b1 c1 o a1 ib ia e1b e1c e1a ic   ' Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 Dòng điện do nó gây nên sinh ra từ thông f trong lõi sắt của máy phát tin, kéo theo là sức điện động cảm ứng e1a, e1b, e1c trên ba cuộn dây OA1, OB1, OC1. Các sức điện động này về mặt thời gian là đồng pha, độ lớn của chúng tỷ lệ với thành phần từ thông f tương ứng trên các cuộn dây, nghĩa là tỷ lệ thuận với cosin của góc gồm giữa đường tâm trục tổ cuộn dây kích từ rôto và trục tổ các cuộn dây trên stato. Nếu bỏ qua sụt áp trở kháng rôto máy phát tin, đồng thời đặt đường trục OA1 của tổ dây pha A1 tại vị trí 0, lúc đường tâm trục tổ cuộn dây rôto bắt đầu từ vị trí 0 quay đi một góc 1, thì sức điện động cảm ứng của tổ cuộn dây 3 pha máy phát tin là: ( ) ( ) 1 o fmbsa1 1 o fmbsa1 1fmbsa1 θ+120costωsinUk=e θ-120costωsinUk=e θcostωsinUk=e Trong đó, kbs là hệ số tỷ lệ giữa sức điện động tổ cuộn dây stato và sức điện động tổ cuộn dây rôto, liên quan tới tham số cuộn dây. Ba sức điện động này sẽ sinh ra sức dòng điện trong các cuộn dây stato của máy phát tin và máy nhận tin, bởi vì 3 cuộn dây như nhau, nên về mặt thời gian mà nói 3 dòng điện này vẫn bằng nhau, chỉ có độ lớn biên độ là khác nhau, 3 dòng điện trong hình 2-2 lần lượt là: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 oïmbs a 1 oïmbs a 1 ïms a θ+120cosα -tωsin Z Uk =i θ-120cosα-tωsin Z Uk =i θcosα-tωsin Z Uk =i Trong đó: +Z là tổng trở kháng của các cuộn dây trên stato máy phát tin và máy nhận tin, với Z= R + jX + R là tổng điện trở của các cuộn dây trên stato máy phát tin và máy nhận tin + X là tổng điện kháng của toàn bộ các cuộn dây trên stato máy phát tin và máy nhận tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Nếu góc trở kháng là  thì ( ) R Xtg=α 1- Khi số vòng của 3 tổ cuộn dây là như nhau, bố trí lệch nhau 120o thì điện kháng X của 3 cuộn dây là bằng nhau. Sau khi dòng điện xoay chiều chạy vào các cuộn dây Stator của máy nhận tin, các cuộn dây đó sẽ trở thành cuộn kích từ, sức từ động trên phương của trục 3 tổ cuộn dây lần lượt là: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 o a2 1 o a2 1a2 θ+120cosα-tωsinF=F θ-120cosα-tωsinF=F θcosα-tωsinF=F Trong đó: F-giá trị biên độ sức từ động của hệ số liên quan bao gồm giá trị dòng điện Z UK ïmbs , số vòng quấn của các pha Stator. Ba sức điện động này sinh ra ba thành phần tương ứng trên đường trục của tổ cuộn dây rôto lần lượt là: ( ) ( ) 2 o a2 , c2 2 o a2 , b2 2a2 , a2 θ+120cosF=F θ-120cosF=F θcosF=F Sức từ động tổng hợp trên đường trục tổ cuộn dây trên rôto máy nhận tin là: , 2c , 2b , 2a2 FFFF  Sức từ động tổng hợp trong lõi sắt từ sinh ra từ thông tổng hợp 2, sau đó trong cuộn dây rôto máy nhận tin sinh ra điện áp cảm ứng ubs, điện áp này về mặt thời gian vượt trước từ thông 2 một góc 90 o, vì vậy: ubs= Ubsmsin(t-  + 90 o )cos(1- 2) (2-1) Trong đó: Ubsm- là giá trị cực đại của điện áp đầu ra ubs Từ biểu thức (2-1) có thể thấy: (1)Điện áp đầu ra ubs của máy tự chỉnh góc là hàm số cosin của sai số góc, lúc 1=2, cos(1- 2) = 1, bsu là cực đại. (2)ubs là điện áp xoay chiều một pha, về mặt thời gian nó vượt trước điện áp kích từ Uf trên rôto máy phát tin một góc là (90 o - ). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Nhưng quan hệ ở (1) không tiện dụng, vì khi sai số góc  = 1- 2= 0, điện áp đầu ra lại là cực đại và tăng theo sai số góc, điện áp đầu ra giảm xuống. Còn trong thực tế sử dụng, thường mong muốn khi sai số góc  = 0, điện áp đầu ra cũng bằng không. Mặt khác khi 2 vượt trước 1, sai số góc  < 0, nhưng bởi vì cos(-) = cos, nghĩa là góc pha của điện áp ubs không phản ánh đúng cực tính của sai số góc. Vì vậy, lúc lấy đường trục A1 của tổ cuộn dây stator làm vị trí 0 của máy phát tin, tổ cuộn dây rôto máy nhận tin cho vượt trước 90o, đồng thời đặt đường tâm trục A2 của tổ cuộn dây stator ở vị trí vuông góc đổi thành vị trí 0 của máy nhận tin như trên hình 2-3. Trong hình 1 = 0 là vị trí 0 của máy phát tin, 0,2  là vị trí 0 của máy nhận tin, thì o90,22  ban đầu của máy nhận tin thay vào biểu thức 2-1 sẽ có:        ,,21,21 sin90sin90cos.90sin   obsmoobsmbs tUtUu Cũng có thể viết thành: ( ) ( )2-290+tωsinθΔsinU=u obsmbs Trong đó: - góc mất điều chỉnh, , 21   Như vậy lúc góc mất điều chỉnh  = 0, điện áp đầu ra cũng bằng không, cũng rất phù hợp với yêu cầu thực tế, đồng thời cũng có thể thấy giá trị biên độ của điện áp đầu ra ubs không liên quan gì đến vị trí tuyệt đối của bản thân máy phát tin và máy nhận tin, mà chỉ tỷ lệ thuận với sin của góc mất điều chỉnh . Máy tự chỉnh góc phân ra ba cấp chính xác là 1,2,3, sai số nằm trong khoảng 0.25 0 đến 0.750. a1 o c1 b1 bst ~u a2 c2 bsr b2 o' f ubs   ' Hình 2-3 Vị trí 0 của máy tự chỉnh góc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 II.2. BỘ BIẾN ÁP QUAY (BR) Bộ biến áp quay trên thực tế là một máy điện quay hai pha chế tạo đặc biệt, nó có hai bộ phận là Stato và Rôto, trên hai bộ phận này có lắp hai cuộn dây trực giao nhau trong không gian. Lúc Rôto quay, vị trí tương đối của hai cuộn dây này cũng thay đổi theo làm cho điện áp đầu ra và góc quay của Rôto có mối quan hệ hàm số. Trong các hệ thống điều khiển tự động, máy biến quay có nhiều kiểu loại khác nhau và có những công dụng khác nhau và có những công dụng khác nhau, riêng trong hệ thống tuỳ động nó được dùng làm cảm biến chuyển vị góc. Hình 2-4 là sơ đồ nguyên lý bộ biến áp quay, hai cuộn dây S1 và S2 lần lượt được kích từ bởi hai điện áp xoay chiều hình sin u1, u2 với biên độ hai góc pha bằng nhau, lệch pha nhau 900, nghĩa là: ut(t) = Umsinot uz(t) = UmCosot Để đảm bảo độ chính xác đo kiểm của bộ biến áp kiểu quay, yêu cầu hai dòng điện kích từ trên hai pha phải thực sự cân bằng, nghĩa là độ lớn bằng nhau, lệch pha 900, vì thế trong khe hở điện từ tạo ra từ trường quay tròn. Điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây R1 của rôto là: ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( )3-2θ+tωcosmU=θsintu+θ costum=tu omzrbt Trong đó: m- tỷ số vòng quấn có ích của cuộn dây trên rôto và cuộn dây trên stato. Từ công thức (2-3) có thể thấy, biên độ điện áp đầu ra ubr của bộ biến áp quay không thay đổi theo góc quay , mà góc pha của nó bằng góc quay này. Vì thế có thể coi bộ biến áp quay là một bộ biến đổi góc quay- góc pha. Lấy điện áp điều Hình 2-4 Bộ biến áp quay dùng làm bộ biến đổi góc quay- góc pha r1 s2 r2 s1 u1 u2 ubr Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 pha làm tín hiệu phản hồi có thể tạo nó thành hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha. Nếu muốn kiểm tra sai số góc giữa trục cho trước với trục cơ cấu chập hành, cũng giống như máy tự chỉnh góc dùng một cặp bộ biến áp quay nối liền trục cho trước với bộ phát tin biến áp quay BRT, nối trục cơ cấu chấp hành với bộ nhận tin biến áp quay BRR. Cách nối dây như trên hình 2-5. Đưa điện áp kích từ xoay chiều uf lên một tổ cuộn dây bất kỳ của rôto, còn tổ cuộn dây kia được nối ngắn mạch hoặc nối tiếp với một điện trở xác định làm nhiệm vụ bù. Từ thông thành phần r1, r2 trong bộ nhận tin, chúng hợp thành từ thông r. Nếu vị trí rôto của hai biến áp quay đồng nhất, thì từ thông r sẽ song song với cuộn dây R2r của rôto bộ nhận tin, sức điện động cảm ứng trong R2r sẽ cực đại. Khi R2r và r tồn tại sai số góc điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với cos, lúc đó đầu ra là sóng điều biên, với giá trị biên điện áp là Ubr = kUfcos Trong đó: k – hệ số biến đổi giữa bộ nhận tin biến áp quay và bộ phát tin. Lúc lắp đặt, nếu trước đó đã cài sẵn cho rôto bộ nhận tin quay đi một góc 900 thì giá trị biên điện áp đầu ra Ubr có thể viết thành: Ubr=kUfcos(- 90 0 ) = kUfsin (2-4) Như vậy, Ubr có thể phản ánh cực tính của sai số góc và có hệ thức tương tự như điện áp đầu ra của máy tự chỉnh góc. Độ chính xác của bộ biến áp quay được đánh giá chủ yếu bởi sai số hàm số và sai số vị trí 0. Sai số hàm số biểu thị tỷ số giá trị chênh lệch cực đại của đồ thị Hình 2-5 Thiết bị đo kiểm sai số góc do biến áp quay tạo thành brt brr f1 f2 r2 f r2i r r1i s2i s2r r1r r2r s1i r1 s1r ~u f ubr Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 điện áp đầu ra và đường cong hình sin với giá trị biên độ điện áp kUf độ chính xác của bộ biến áp quay phân thành bốn cấp 0, I, II, III. Sai số hàm số thường trong khoảng ± 0,05%  ± 0,34%. Sai số điểm 0 biểu thị sai số điểm 0 lý thuyết và sai số và vị trí giá trị cực tiểu của điện áp thực tế, thường nằm trong khoảng 3‟  8‟. Từ những số liệu trên đây có thể thấy, độ chính xác của bộ biến áp quay cao hơn so với máy tự chỉnh góc, vì thế trong hệ thống tuỳ động kiểu số độ chính xác cao thường dùng nó làm linh kiện đo góc. Nếu muốn nâng cao thêm độ chính xác đo kiểm còn có thể dùng nguyên lý ghép nối một bộ đo thô, một bộ đo tinh để tạo thành hệ thống đo kiểm. II.3. BỘ CẢM ỨNG ĐỒNG BỘ (BIS) Nguyên lý làm việc của bộ đồng bộ cảm ứng giống như bộ biến áp quay. Nó có hai loại cấu trúc, một loại dùng để đo chuyển vị góc gọi là bộ đồng bộ cảm ứng tròn xoay; còn một loại là dùng để đo chuyển vị dài gọi là bộ đồng bộ cảm ứng đường thẳng. Bộ đồng bộ cảm ứng được dùng rất nhiều trong thực tế, điển hình về sự ứng dụng của loại đo chuyển vị góc là bộ hiển thị số và định vị chính xác dùng trong mâm quay máy công cụ (như máy tiện đứng); ứng dụng điển hình của loại đo chuyển vị dài là hệ thống đo kiểm vị trí bàn dao chuyển động tịnh tiến ở máy công cụ. Sau đây chỉ giới thiệu sơ lược về cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ đồng bộ cảm ứng đường thẳng. Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu đường thẳng do hai linh kiện phân đôi cảm ứng tạo thành. Một là thước trượt, hai là thước cố định tương tự như rôto và stato trong bộ biến áp quay, nhưng có điểm khác là chuyển động tương đối ở đây là chuyển động thẳng. Thông thường thước cố định lắp đặt trên thân máy hoặc trên bộ phận cố định với thân máy, còn thước trượt lắp trên bàn xe dao hoặc trên bộ phận có chuyển động tương đối với thân máy. Khe hở giữa thước trượt và thước cố định rất nhỏ (0,25 ± 0,005mm). Trên thước cố định được khắc chia rất tinh tế bằng mạch in tạo thành một bộ cuộn dây, tương đương với tổ cuộn dây đầu ra của bộ biến áp quay. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Trên thước trượt khắc hai bộ cuộn dây, một bộ gọi là bộ dây hình sin, bộ kia gọi là bộ dây hình cosin. Khi một trong hai bộ đó trùng khít với cuộn dây trên thước cố định thì bộ kia sẽ ở cách 1/4 bước (khoảng cách khắc độ), nghĩa là cách nhau 90o góc quay điện và thể hiện hai tổ cuộn dây vuông góc nhau, như trên hình 2-6. Theo trạng thái làm việc, có thể chia hai bộ đồng bộ cảm ứng thành hai loại là loại nhận biết pha và loại nhận biết biên độ. Nếu làm cho bộ đồng bộ cảm ứng làm việc ở trạng thái nhận biết pha, chỉ cần cấp cho hai cuộn dây kích từ của thước trượt điện áp kích từ hình sin có giá trị biên độ bằng nhau, cùng tần số nhưng lệch pha 90 o. Lúc này, với phương pháp phân tích tương tự như ở bộ biến áp quay, có thể tìm ra được điện áp cảm ứng trên cuộn dây thước cố định là: ( ) ( ) ( )5-2Txπ2+tωsinmU=tU ombis Trong đó: x- chuyển vị cơ học T- bước cuộn dây, ý nghĩa của nó cũng tương tự như bước quấn trong máy điện thông thường và được tiêu chuẩn hoá. §iÖn ¸p ®Çu ra Thuíc cè ®Þnh T = 2 mm T 4 Cuén d©y h×nh sin Cuén d©y h×nh cosin Thuíc truît Hình 2-6 Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu đường thẳng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Công thức (2-5) chứng tỏ: giá trị biên độ điện áp đầu ra cảm ứng trên cuộn dây thước cố định đồng bộ cảm ứng không thay đổi theo vị trí, chỉ cần điện áp kích từ không thay đổi, thì giá trị biên độ của nó sẽ là hằng số, còn góc pha tỷ lệ thuận với chuyển vị cơ học của thước trượt, cứ cách nhau một bước lặp lại một lần. Bộ đồng bộ cảm ứng ở trạng thái này trên thực tế là một bộ biến đổi góc quay- pha. Nếu làm cho bộ đồng bộ cảm ứng làm việc ở trạng thái nhận biết biên độ thì phải cấp điện áp kích từ Ufsinot cho cuộn dây thước cố định. Lúc này trong cuộn dây của thước động sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng: t T x Umtu t T x Umtu ofB ofA     sin 2 sin')( sin 2 cos')(   Đem uA(t) nối vào bộ biến đổi hàm số sin, làm cho điện áp đầu ra theo sự điều chế của chuyển vị X cho trước thành dạng t T x T X Um f 0 ' sin 2 sin 2 cos  , sau đó lấy uB(t) nối với bộ biến đổi hàm cosin, làm cho đầu ra biến thành t T X T x Um f 0 ' sin 2 sin 2 cos  . Sau đó lấy hai tín hiệu này trừ cho nhau làm tín hiệu đầu ra để điều khiển, sẽ có:      62 2 sinsin 2 cos 2 sin 2 cos 2 sinsin 0 ' 0 ''               xX T tUm T X T x T x T X tUmtu f fbis   Từ biểu thức trên có thể thấy biên độ điện áp đầu ra được điều biên theo (X- x), lúc hệ thống vận hành ở giá trị sai số bằng 0 ( góc quay tương đối của giá trị sai số nằm trong phạm vi 2) điện áp đầu ra cũng bằng không. Hệ thống tuỳ động do hai trạng thái làm việc của bộ đồng bộ cảm ứng tạo nên đều có thể đạt độ chính xác rất cao, đó là vì điện áp cảm ứng đầu ra do chuyển động tương đối giữa thước trượt và thước cố định trực tiếp sinh ra, không qua một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 cơ cấu trung gian nào. Vì vậy độ chính xác đo lường hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của bản thân bộ đồng bộ cảm ứng. Bộ đồng bộ cảm ứng thường được chế khắc bằng quang học bởi những thiết bị tinh vi chuyên dùng với độ chính xác rất cao (1m). Độ chính xác của bộ đồng bộ cảm ứng tròn xoay đạt cấp giây (  ), trong phạm vi 0,51,2 còn bộ biến áp quay chỉ đạt cấp chính xác phút (). II.4. ĐĨA Mà QUANG ĐIỆN Đĩa mã quang điện có thể trực tiếp chuyển đổi chuyển vị góc thành tín hiệu số, nó là một thiết bị mã trực tiếp. Cũng giống như bộ biến áp quay, nó thường dùng trong hệ thống mạch vòng kín lắp trên trục quay của máy công cụ điều khiển số. Theo nguyên lý mã hoá phân thành hai loại là kiểu gia số và kiểu trị tuyệt đối. II.4.1. Đĩa mã kiểu gia số. Đĩa mã gia số thực chất là kết hợp của bộ phát xung quang điện và máy đếm đảo chiều. Trên đĩa tròn bộ phát xung quang điện có khắc các rãnh nhỏ ở khoảng cách bằng nhau, ngoài ra còn có hai tập hợp rãnh nhỏ đo kiểm a, b (như trên hình 2- 7a), với khoảng cách như trên, nhưng hai nhóm khe hở đo kiểm này lệch 1/4 bước so với vị trí tương ứng của khe hở trên đĩa tròn, mục đích là để tạo ra góc lệch pha 90 o giữa hai tín hiệu đầu ra của hai bộ biến đổi quang điện a, b. Trục của đĩa tròn và trục đo nối với nhau, còn hai tổ khe hở đo kiểm thì đứng yên. Khi quay trục đo, hai bộ biến đổi biến đổi quang điện sẽ tạo thành sóng gần như hình sin lệch pha nhau 90 o như trên hình 2-7b. Sau khi xử lý mạch điện một cách khá đơn giản có thể nhận được tín hiệu xung tương ứng. Khi đĩa tròn quay theo chiều thuận (trong hình vẽ là chiều mũi tên), tín hiệu b vượt trước tín hiệu a một góc 90o, đầu ra của mạch điện lôgíc f đưa ra tín hiệu xung; lúc đĩa tròn quay chiều nghịch tín hiệu a vượt trước tín hiệu b một góc 90 o mạch điện lôgíc đưa ra tín hiệu xung ngược Nếu đưa những tín hiệu này cho máy đếm đảo chiều tiến hành tính toán thống kê là có thể đo được góc quay của trục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 a, nhãm lç ®o kiÓm b nhãm lç ®o kiÓm a ®Üa ®ôc lç b ai 0 t 0 i a b t a b c d e f g g f e d c b a b, Hình 2-7 Nguyên lý làm việc đĩa mã quang điện kiểu gia số a,Sơ đồ nguyên lý; b,Đồ thị lượng ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 II.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối biểu thị vị trí của trục nhờ vào dọc hình vẽ đĩa mã lắp trên trục. Cách mã hoá thường dùng chế độ nhị phân hoặc chế độ nhị thập phân (BCD) hoặc mã tuàn hoàn. II.4.2.1. Đĩa mã nhị phân Trong đĩa mã nhị phân, tầng ngoài cùng là vị số thấp nhất, tầng trong cùng là vị số cao nhất. Từ ngoài vào trong, chế khắc theo chế độ nhị phân, như trên hình 2- 8a. Số mã hoá và vị trí của trục được đối chiếu trong bảng 2-1. Lúc đĩa mã quay, có thể sinh ra tình trạng thay đổi đồng thời nhiều hơn hai vị số, dẫn tới có thể xảy ra “sai số thô”. Chẳng hạn, khi từ mã số 0111 (sô 7 trong hệ thập phân) chuyển sang 1000 ( số 8 trong hệ thập phân), bởi vì bóng quang trở có thể sắp xếp không đều hoặc đặc tính chế tạo không giống nhau, có thể làm sai lệch vị số cao, vốn là số 1000 biến thành số 0000, sai lệch là 8 đơn vị. Để khắc phục nhược điểm này, trong chế độ nhị phân hoặc chế độ nhị thập phân, trừ vùng vị số thấp nhất ra, các vùng khác đều phải “đọc chọn số” theo hai dãy bóng quang trở. Lúc vị số thấp nhất chuyển từ “1” sang “0” cần tiến vị số, đọc bóng quang trở vượt trước. Lúc từ “0” chuyển sang “1” không cần tiến vị số, đọc bóng quang trở chậm sau. Lúc này trừ vùng trị số thấp nhất, cách đọc các số có vị số đối ứng với nó là không đổi. II.4.2.2. Đĩa mã tuần hoàn a, Hình 2-8 Đĩa mã quang điện kiểu trị tuyệt đối a, Đĩa mã chế độ nhị phân; b, Đĩa mã chế độ tuần hoàn b, 1 2 3 6 5 4 12 11 10 7 8 9 11 12 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Đặc điểm của đĩa mã tuần hoàn là giữ hai cánh quạt liền kề chỉ có một mã số thay đổi, vì vậy lúc đọc số khác chỉ có một bóng quang trở xuất hiện ở vùng giao nhau. Dù có bị đọc nhầm cũng chỉ nhầm số đơn vị nhỏ nhất, không thể phát sinh sai số lớn. Ngoài ra, độ rộng vị số thấp nhất mã số tuần hoàn vị số thấp nhất rộng gấp đôi so với chế độ thập phân, đây cũng là ưu điểm của nó. Nhược điểm của nó là không thể là các phép tính trực tiếp của chế độ nhị phân, vì vậy trước khi tính toán cần phải thông qua mạch điện chuyển đổi sang chế độ nhị phân. Đĩa mã tuần hoàn như trên hình 2-8b, bảng đối chiếu vị trí của trục và mã số cũng cho trong bảng 2-1. Bảng 2-1 Bảng đối chiếu vị trí trục đĩa mã quang điện và mã số Vị trí trục Mã nhị phân Mã tuần hoàn Vị trí trục Mã nhị phân Mã tuần hoàn 0 0000 0000 8 1000 1100 1 0001 0001 9 1001 1101 2 0010 0011 10 1010 1111 3 0011 0010 11 1011 1110 4 0100 0110 12 1100 1010 5 0101 0111 13 1101 1011 6 0110 0101 14 1110 1001 7 0111 0100 15 1111 1000 Tỷ suất phân biệt của đĩa mã nhị phân quang điện là 360/N, đối với đĩa mã số gia N là tổng ghi được khi quay một vòng. Đối với đĩa mã giá trị tuyệt đối, N= 2n, n là vị số của chữ đầu ra. Tỷ suất phân biệt đĩa mã với sự kết hợp phần đọc thô và đọc tinh đã đạt tới 202 1 . Nếu đĩa mã chế tạo hết sức tinh vi thì độ chính xác mã vạch có thể đạt tới mức lượng hoá được sai số. Như vậy, dùng đĩa mã quang điện để đo kiểm vị trí là có thể nâng cao độ chính xác lên rất nhiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 CHƢƠNG III THIẾT KẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG THƢỜNG Như đã giới thiệu trong chương 1, hệ thống tùy động được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, để minh họa điều này trong chương này thiết kế bộ điều khiển thông thường cho thiết bị nâng. III.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ NÂNG III.1.1. Công dụng -Thiết bị nâng được sử dụng chủ yếu là trục tải và tời trục. Thiết bị nâng có nhiệm vụ vận chuyển đất đá, xi măng, gạch ngói, than, thiết bị máy móc, nguyên vật liệu và người. - Trục tải được trang bị ở giếng đứng, tời trục có công suất lớn được trang bị ở các giếng nghiêng, tời trục công suất vừa và nhỏ được trang bị trên mặt bằng công nghiệp. III.1.2. Phân loại III.1.2.1. Thiết bị nâng giếng đứng a. Thiết bị nâng giếng đứng có một thùng nâng không có cáp nối đuôi - Sơ đồ cấu trúc thiết bị nâng (TBN) giếng đứng có một thùng nâng (Hình 3- 1) Hình 3-1 Sơ đồ cấu trúc TBN giếng đứng 1 thùng nâng không có cáp nối đuôi - Đối với TBN giếng đứng một thùng nâng không có cáp nối đuôi thì lực cản trên tang khi nâng hoặc khi hạ theo có tải được tính: H S 5 3 1 4 2 1- Máy nâng 2- Cáp nâng 3- Tang nâng 4- Thùng nâng 5- Ròng rọc H- Chiều cao nâng S-Quãng đường chuyển động của thùng nâng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24      pnc0vcn F.gSHgmmF  (3-1)      phc0vch F.gSHgmmF  (3-2) Trong đó: Fcn , Fch : Lực cản trên tang khi nâng, khi hạ thùng có tải (N). Fpn , Fph : Lực cản phụ khi nâng, khi hạ thùng có tải (N). mv : Khối lượng hàng vận chuyển (kg). m0 : Khối lượng thùng nâng khi không có hàng (kg). gc : khối lượng một mét cáp (kg/m). H : chiều cao nâng (m). S : quãng đường chuyển động của thùng nâng (m). g : gia tốc trọng trường (m/s2). b. Thiết bị nâng giếng đứng một thùng nâng có cáp nối đuôi và đối trọng (Hình 3-2) - Lực cản trên tang khi nâng hoặc khi hạ thùng có tải được tính:       pncdv0cn F.g2SHqgmmmF  (3-3)       phcv0dch F.g2SHqgmmmF  (3-4) md: khối lượng của đối trọng (kg). S H 3 1 4 2 1- Máy nâng 2- Cáp nâng 3- Tang nâng 4- Thùng nâng 5- Cáp nối đuôi 6- Ròng rọc 7- Đối trọng Hình 3-2 Sơ đồ cấu trúc TBN giếng đứng 1 thùng nâng có cáp nối đuôi và đối trọng 5 7 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 + Nếu khối lượng một mét cáp nâng gc và cáp nối đuôi q bằng nhau: gc = q thì ta có:   pndv0cn F.gmmmF  (3-5)   phv0dch F.gmmmF  (3-6) Lực cản khi nâng Fpn hoặc khi hạ Fph phụ thuộc vào lực cản phụ nhánh nâng Fpnhn và nhánh hạ Fpnhh : pnhhpnhnp FFF  (3-7) + Công thức tổng quát tính lực cản của TBN giếng đứng một thùng nâng: c. Thiết bị nâng giếng đứng hai thùng nâng có cáp nối đuôi (Hình 3-3) Để nâng cao năng suất vận chuyển sử dụng TBN có hai thùng nâng (thùng lên có tải, thùng xuống không tải). Hình3-3 Sơ đồ cấu trúc TBN giếng đứng 2 thùng nâng có cáp nối đuôi - Lực cản trên tang khi nâng thùng có tải:    .g2SHqg.mkF cvvcn  (3-8) Fcn = Fch (3-19) Nếu gc = q thì: Fcn = Fch = kv.mv.g (3-10) d. Thiết bị nâng giếng đứng hai thùng nâng không có cáp nối đuôi (q=0) - Lực cản trên tang khi nâng và khi hạ thùng là:   .g2SHg.mkFF cvvchcn  (3-11) 1- Máy nâng 2- Cáp nâng 3- Tang nâng 4- Thùng nâng có tải 5- Cáp nối đuôi 6- Ròng rọc 7- Thùng nâng không tải. S H 3 1 4 2 5 7 6 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 kv : Hệ số tính đến sức cản của không khí và của ma sát trong các ổ đỡ. (thùng skíp kv = 1,15, thùng cũi kv = 1,2 ) Hình 3-4 Sơ đồ cấu trúc TBN giếng đứng 2 thùng nâng không có cáp nối đuôi Như vậy công thức tổng quát tính lực cản của TBN giếng đứng hai thùng nâng:    .g2SHqg.mkF cvvc  (3-12) Trong đó:q = 0 khi không có cáp nối đuôi q  0 khi có cáp nối đuôi. Ta thấy TBN có hai thùng nâng và cáp nối đuôi nhẹ (gc > q) thì lực cản trên tang khi nâng thùng có tải sẽ nhỏ hơn so với TBN không có cáp nối đuôi. Nếu chọn gc = q thì lực cản trên tang nâng sẽ không đổi. III.1.2.2. Thiết bị nâng giếng nghiêng a. Thiết bị nâng giếng nghiêng một thùng nâng H S 3 1 4 2 1- Máy nâng 2- Cáp nâng 3- Tang nâng 4- Thùng nâng có tải 5- Ròng rọc 6- Thùng nâng không tải. 6 5 1 3 4 L  Hình3.5. Sơ đồ cấu trúc TBN giếng nghiêng một thùng nâng 2 1.Máy nâng 2.Cáp 3.Tang 4.Thùng nâng L: Chiều dài vận chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 - Lực cản trên tang khi nâng và khi hạ thùng có tải đựơc tính:         133F.g.cosβfsinβSLg.cosβfsinβ.mmF pncct0vcn          143FgcosβfsinβSgcosβfsinβmmF phcct0vch  Trong đó: + Fcn , Fch : Lực cản phụ khi nâng, khi hạ thùng có tải (N). +  : Góc nghiêng của giếng vận chuyển (độ). + ft : Hệ số sức cản khi thùng nâng chuyển động. + fc : Hệ số sức cản khi cáp nâng chuyển động. + L : Chiều dài vận chuyển (m). - Hệ số sức cản ft phụ thuộc vào trọng lượng thùng và vận tốc nâng, được tra theo bảng (Bảng 3-1) Bảng 3-1: Hệ số sức cản ft Khối lƣợng thùng nâng có tải Vận tốc lớn nhất  3m/s  (3 5) m/s Nhỏ hơn 1000kg 0,026 0,039 Từ 1000kg đến 2000kg 0,02 0,03 Từ 2000kg đến 3000kg 0,016 0,024 Lớn hơn 3000kg 0,015 0,022 Hệ số sức cản fk phụ thuộc vào cáp, số lượng con lăn đỡ cáp bố trí trên đường ray và góc nghiêng , fk = 0,3 đến 0,37. b. Thiết bị nâng giếng nghiêng một thùng nâng và một đối trọng 1 3 4 L  Hình 3-6 Sơ đồ cấu trúc TBN giêng nghiêng một thùng nâng và một đối trọng 2 5 1- Máy nâng 2- Cáp 3- Tang nâng 4- Thùng nâng có tải 5- Đối trọng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 - Lực cản trên tang khi nâng và khi hạ thùng nâng có tải: ( ) ( )[ ] ( )[ ] }{ pncctd0vcd0vcn F+.gcosβ.L.fg+fm+m+m+sinβ2S-L.g+m-m+m=F ( ) ( )[ ] ( )[ ] }{ phcctd0vcd0vch F+.gcosβ.L.fg+fm+m+m+sinβ2S-L.g+m+m-m-=F Như vậy lực cản nâng trên tang của TBN giếng nghiêng khi có đối trọng sẽ nhỏ hơn so với khi không có đối trọng. c. Thiết bị nâng giếng nghiêng có hai thùng nâng - Lực cản trên tang khi nâng hoặc khi hạ thùng có tải: ( )[ ] ( )[ ] }{ ( )15-3F+.gcosβ.L.fg+f2m+m+sinβ2S-L.g+m=F pncct0vcvcn ( )[ ] ( )[ ] }{ ( )16-3F+.gcosβ.L.fg+f2m+m+sinβ2S-L.g+m-=F phcct0vcvch Như vậy lực cản trên tang của TBN giếng nghiêng có hai thùng nâng nhỏ hơn so với TBN có một thùng nâng, năng suất vận chuyển của TBN có hai thùng nâng lớn hơn so với TBN có một thùng nâng. III.1.3. Các chế độ làm việc của TBN - TBN có ba chế độ làm việc cơ bản là: tăng tốc, chạy đều và giảm tốc đến dừng. + Chế độ tăng tốc: Là chế độ mà thùng nâng chuyển động từ vận tốc bằng 0 đến vận tốc cho phép. 1 3 4 L  Hình 3-7 Sơ đồ cấu trúc TBN giếng nghiêng hai thùng nâng 2 5 1- Máy nâng 2- Cáp nâng 3- Tang nâng 4- Thùng nâng có tải 5- Thùng nâng không tải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 + Chế độ chạy đều: Là chế độ mà thùng nâng chuyển động với vận tốc không đổi trong suốt quãng đường vận chuyển. + Chế độ giảm tốc: Là chế độ mà thùng nâng giảm dần vận tốc từ giá trị cho phép về 0. - Trong ba chế độ làm việc thì giai đoạn tăng tốc và giảm tốc có ý nghĩa quan trọng, phụ thuộc vào từng TBN và kết cấu của thùng nâng. III.1.4. Các yêu cầu cơ bản về hệ truyền động điện của thiết bị nâng - Thiết bị nâng là một trong những hệ thống vận tải quan trọng, vì vậy việc điều khiển hệ truyền động điện cho thiết bị nâng cần phải đảm bảo các yêu cầu về an toàn và kỹ thuật. Các hệ truyền động điện (TĐĐ) của thiết bị nâng cần phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau: + Vận tốc thùng nâng lớn nhất khi chở hàng không được vượt quá giá trị H.8,0 , khi chở người không được vượt quá 12m/s và khi ra khỏi đường cong dỡ tải không vượt quá 1,5m/s. + Gia tốc thùng nâng khi chở người không vượt quá 0,75m/s2, khi chở hàng tuân theo quy phạm an toàn, tuy nhiên không được vượt quá 1m/s2. + Vận tốc thùng nâng khi chuyển động trong đường cong dỡ tải phải nhỏ hơn 0,6m/s, gia tốc phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,5m/s2 trong thời kỳ giảm tốc đến dừng. + Dừng máy nâng bằng phanh công tác để dừng chính xác thùng nâng tại vị trí quy định. + Hệ TĐĐ phải có công suất thiết kế và có đảo chiều quay để thực hiện chu kỳ nâng và hạ tải. + Khi tải trọng nâng thay đổi từ 15% đến 100%, hệ TĐĐ phải tạo ra các chế độ làm việc đáp ứng được yêu cầu. + Khi tải trọng nâng thay đổi trong giới hạn xác định nếu điều khiển tự động thì sai lệch cho phép của vận tốc trong khoảng (0,2-0,3)m/s, trong thời kỳ chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 động đều đến vmax thì sai lệch cho phép 1%, còn trong thời kỳ chuyển động đều với vận tốc vk thì sai lệch cho phép  10%. + Hệ TĐĐ phải được trang bị các bảo vệ: Quá nâng, quá hạ, vượt quá tốc độ cho phép và các liên động nhằm đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị trong quá trình vận hành. + Dừng chính xác thùng nâng với sai lệch cho phép: tời trục 100mm, trục tải thùng skíp  200mm. + Thiết bị nâng phải được trang bị phanh công tác và phanh bảo hiểm. III.2. PHÂN TÍCH SAI SỐ TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH Khi hệ thống tùy động vị trí làm việc, muốn cho đại lượng đầu vào tái hiện ở đầu ra, nghĩa là hệ thống có độ chính xác ổn định, sai số vị trí càng nhỏ càng tốt, các máy công nghệ khác nhau đòi hỏi độ chính xác khác nhau. Ví dụ độ chính xác của hệ thống tùy động vị trí dùng cơ cấu ép trục cán ở máy cán tấm mỏng phải đạt tới ≤ 0,01mm, còn trong hệ thống tùy động vị trí rađa của pháo cao xạ, yêu cầu mức nhắm trúng mục tiêu phải đạt ≤ 0,12o. Nếu không đạt được như trên thì sản phẩm cán sẽ bị loại, đạn của súng cao xạ bắn không trúng mục tiêu. Vì vậy phân tích sai số trạng thái ổn định của hệ thống tùy động là rất quan trọng. Nhân tố ảnh hưởng tới độ chính xác ổn định của hệ thống tùy động vị trí gây ra sai số bao gồm: sai số chi tiết đo kiểm, sai số nguyên lý do cấu trúc hệ thống và tín hiệu đầu vào, sai số nhiễu do nhiễu của phụ tải gây ra. III.2.1.Sai số đo kiểm Bảng 3-2 Phạm vi sai số các loại linh kiện đo kiểm LINH KIỆN ĐO KIÊM PHẠM VI SAI SỐ Chiết áp vài độ (o) Máy tự chỉnh góc ≤ 1o Biến áp quay vài phút Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu quay vài giây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu trượt vài m Đĩa mã quang điện 360/N Sai số đo kiểm phụ thuộc vào độ chính xác của bản thân linh kiện đo kiểm. Linh kiện đo kiểm thường dùng trong hệ thống tùy động vị trí như sensin, bộ biến áp quay, bộ đồng bô cảm ứng đều có độ chính xác nhất định. Độ chính xác của hệ thống không thể cao hơn độ chính xác của các linh kiện đo kiểm dùng trong hệ thống. Sai số đo kiểm là bộ phận chủ yếu của sai số trạng thái ổn định của hệ thống. Để tiện tham khảo sử dụng, trong bảng 3-2 đã liệt kê phạm vi sai số các loại linh kiện đo kiểm thường dùng. III.2.2. Sai số nguyên lý ( hay còn gọi là sai số hệ thống ) Sai số nguyên lý là do cấu trúc bản thân hệ thống hoặc do đặc trưng tham số của hệ thống hoặc do dạng của tín hiệu vào. Có thể hiểu thực chất của vấn đề đó như sau: Giả thiết hàm số truyền vòng hở của hệ thống tùy động vị trí sensin có dạng: ( ) ( ) ( )pW ppD K =pW APR obj Với Kobj là hệ số khuếch đại chung của đối tượng điều khiển; WAPR(p) là hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí. +Nếu dùng bộ điều chỉnh P thì: ( ) ( ) ( )ppD pKN =pW Trong đó: N(p), D(p) là các đa thức hằng số bằng 1. Như vậy, W(p) là hệ thống loại I. W(p) (p) - (p) + (p) đ (p) Hình 3-8 Cấu trúc hệ thống tùy động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 + Nếu dùng bộ điều chỉnh PI hoặc PID thì: )p(Dp )p(KN =)p(W 2 Như vậy, W(p) là hệ thống loại II. Trên đây là hai loại cấu trúc hệ thống thường dùng của hàm số truyền mạch hở trong hệ thống tùy động vị trí và có cấu trúc đơn giản như hình 3-8. Sai số nguyên lý biểu thị bằng  hoặc es. Biến đổi Laplace đối với sai số:  17-3)(. )(1 1 )().()( p pW pppE đđp    Công thức (3-17) đã thể hiện sai số hệ thống quan hệ chặt chẽ với tín hiệu đầu vào đ(p), đồng thời cũng quan hệ tới hám số truyền W(p) của bản thân hệ thống, tức là dạng cấu trúc hệ thống. Với trạng thái cấu trúc hệ thống đã định, tín hiệu vào sẽ là nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng tới sai số hệ thống. III.2.2.1.Tín hiệu vào điển hình Tín hiệu vào hệ thống tuỳ động thường có 3 dạng: III.2.2.1.1. Tín hiệu vào là vị trí (tức đầu vào là tín hiệu vị trí nhảy cấp) Tín hiệu đầu vào vị trí như trên hình 3-9a. Đây là tín hiệu cho trước của máy cộng cụ điều khiển số, cơ cấu ép trục cán; vị trí cần điều khiển là những vị trí điển hình. Tín hiệu vào viết dưới dạng  tđđ 1.  , tham số đặc trưng là giá trị biên của tín hiệu. III.2.2.1.2 Đầu vào là tốc độ ( hay còn gọi là tín hiệu lên dốc) Tín hiệu đầu vào là tốc độ như trên hình 3-9b. Ví dụ tín hiệu vào của hệ thống tuỳ động của máy cắt bay và cơ cấu xọc đường thẳng của máy công cụ điều khiển số. Công thức biểu thị tín hiệu tốc độ vào được viết thành đ = At. Tham số đặc trưng là tốc độ thay đổi A của tín hiệu. III.2.2.1.3. Đầu vào là gia tốc. Tín hiệu đầu vào là gia tốc như trên hình 3-9c. Khi hệ thống tuỳ động của rađa pháo bám đuổi mục tiêu, tín hiệu vào có thể coi như ở dạng gia tốc. Công thức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 biểu thị tín hiệu gia tốc được viết dưới dạng đ = At 2 . Tham số đặc trưng là gia tốc của sự thay đổi tín hiệu. III.2.2.2.Sai số nguyên lý của hệ thống loại I Sau đây sẽ phân tích sai số nguyên lý của hệ thống điển hình loại I dưới tác dụng của các loại tín hiệu vào điển hình và với hàm số truyền của hệ thống loại I là: ( ) ( ) ( )ppD pKN =pW III.2.2.1.1.Đầu vào là vị trí đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vị trí đơn vị là: p pđ 1 )(  Sai số nguyên lý của nó là: )( )( 1 1 . 1 )(1 1 )()( ppD pKNppW ppE đp     Dùng định lý giá trị cuối của biến đổi Laplace, tìm được sai số hệ thống của hệ thống loại I là: 0 KN(p)pD(p) pD(p) (p)p.Ee limlim 0p p 0p     Biểu thức trên chứng tỏ ở tín hiệu vị trí, sai số hệ thống ở trạng thái ổn định của hệ thống điển hình loại I là bằng 0. Ý nghĩa vật lý của nó là trong hệ thống tuỳ động giữa vận tốc đến chuyển vị của động cơ là một khâu tích phân, chỉ cần  ≠ 0 là có điện áp điều khiển Uct và điện áp chỉnh lưu Ud là động cơ phải quay, khi bỏ đ (t) 0 đ (t) 0 đ (t) 0 t t t a, b, c, Hình 3-9 Tín hiệu đầu vào điển hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 qua phụ tải trên trục động cơ, động cơ sẽ quay cho đến khi điện áp chênh lệch bằng 0 thì mới dừng lại, vì vậy sai số nguyên lý trạng thái ổn định là 0. III.2.2.1.2.Tín hiệu đầu vào là tốc độ đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vận tốc là: 2 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         K 1 pKNppD pD pW1 1 . 2p 1 p.ve limlim 0p0p       Biểu thức trên chứng tỏ: Khi tín hiệu đầu vào là tốc độ, sai số nguyên lý trạng thái ổn định của hệ thống loại I bằng số nghịch đảo của hệ số khuếch đại mạch vòng hở. Ý nghĩa vật lý của nó là: Khi đầu vào là tốc độ, muốn thực hiện bám đuổi chính xác, trục đầu ra buộc phải quay đồng bộ với trục đầu vào. Vì vậy trên mạch rôto nhất định phải có Ud với giá trị xác định. Bởi vì là hệ thống loại I, trong đối tượng điều khiển đã có khâu tích phân, nên bộ khuếch đại chỉ có thể là khâu tỷ lệ. Muốn duy trì điện áp mạch rôto nhất định, đầu vào của bộ khuếch đại phải có điện áp chênh lệch. Nếu chênh áp  = 0 thì Uct = 0, Ud = 0 động cơ sẽ dừng lại không quay. Vì vậy giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống chắc chắn phải có sai số. Rõ ràng là, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại càng lớn, sai số hệ thống trạng thái ổn định sẽ càng nhỏ. III.2.2.1.3.Đầu vào là gia tốc đơn vị Lấy Laplace tín hiệu đầu vào gia tốc đơn vị sẽ là: 3 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         0 pW1 1 . p 1 p.e pKNppD ppD p 1 limlim 2 0p 3 0p a     Biểu thức trên chứng tỏ, khi tín hiệu đầu vào là gia tốc, sai số nguyên lý trạng thái ổn định của hệ thống loại I là vô cùng lớn, nghĩa là hệ thống loại I không Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 thể làm việc khi tín hiệu đầu váo là gia tốc. Ý nghĩa vật lý của nó là: đầu vào gia tốc tương đương với tốc độ của trục, đầu vào tăng lên không ngừng; nếu muốn bám đuổi chính xác, tốc độ đầu trục cũng phải tăng lên không ngừng, điện áp mạch rôto Ud cũng phải tăng lên không ngừng. Bởi vì là bộ khuếch đại tỷ lệ, điện áp đầu vào của nó cũng buộc phải tăng lên không ngừng. Nghĩa là lượng chênh lệch góc quay m tăng lên không ngừng, sai lệch giữa trục đầu ra và trục đầu vào cũng tăng theo thời gian, dẫn tới sai số nguyên lý theo chiều tăng vô cùng lớn. Tóm lại, hệ thống điển hình loại I sẽ không có sai số tĩnh khi đầu vào là tín hiệu vị trí, sẽ có sai số tĩnh khi tín hiệu đầu vào là tín hiệu vận tốc, mà độ lớn của sai số tỷ lệ nghịch với hệ số khuếch đại mạch vòng hở và sẽ không thích hợp khi đầu vào là tín hiệu gia tốc. III.2.2.3. Sai số nguyên lý hệ thống loại II Ta vẫn sử dụng hệ thống mạch vòng kín hình 3-3 để phân tích sai số nguyên lý hệ thống loại II, trong đó hàm số truyền ( ) ( ) ( )pDp pKN =pW 2 ở mẫu số đã tăng thêm một khâu tích phân để cung cấp cho bộ điều chỉnh. Sau đây cũng phân tích với ba loại tín hiệu vào điển hình. III.2.2.3.1.Đầu vào là vị trí đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vị trí đơn vị là: p pđ 1 )(  Sai số nguyên lý của nó là: 0 KN(p)D(p)p D(p)p p 1 p.e 2 2 2 0p lim     III.2.2.3.2.Tín hiệu đầu vào là tốc độ đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vận tốc là: 2 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         0pW1 1 . p 1 p.e pKNpDp pDp p 1 s.limlim 2 2 2 0p2 0p v     III.2.2.3.3.Đầu vào là gia tốc đơn vị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Lấy Laplace tín hiệu đầu vào gia tốc đơn vị sẽ là: 3 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         K 1 pW1 1 . p 1 p.e pKNpDp pDp p 1 p.limlim 2 2 3 0p 3 0p a     Từ những phân tích ở trên có thể thấy: Hệ thống loại II đối với đầu vào vị trí và tốc độ đều là hệ thống vô sai, có lúc gọi là vô sai cấp II. Đối với đầu vào là gia tốc, hệ thống loại II vẫn có thể dùng được, sai số nguyên lý trạng thái ổn định tỷ lệ nghịch với hệ số khuếch đại vòng hở. Nếu muốn đảm bảo hệ thống tùy động bám đuổi chính xác, hệ thống loại II có cấu trúc khá phức tạp. III.2.2.4. Nhân tố phẩm chất của trạng thái ổn định Có lúc phải mô tả năng lực bám đuổi mục tiêu của hệ thống tùy động, thường dùng: Nhân tố phẩm chất tốc độ Kv và nhân tố phẩm chất gia tốc Ka. + Nhân tố phẩm chất tốc độ được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ của tín hiệu vào hệ thống đ và sai số nguyên lý đầu vào tốc độ đơn vị esv, tức là: v đ v e K   + Nhân tố phẩm chất gia tốc là tỷ số giữa gia tốc tín hiệu vào hệ thống đ và sai số nguyên lý đầu vào gia tốc ea, tức là: a đ v e K   Cũng có thể viết thành: a đ a v đ v K evà K e   Điều đó chứng tỏ, nhân tố phẩm chất càng lớn, sai số bám đuổi trạng thái ổn định càng nhỏ, năng lực vận hành bám đuổi mục tiêu càng mạnh. Với những định nghĩa nêu trên, ở điều kiện hệ thống ổn định, Kv và Ka có thể dùng công thức sau đây để tính:     pWp pWp p K đ đ v      1 1 1 .. lim lim 0p2 0p   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37     pW1p pW1 1 . p p. K 2 0p 2 0p a lim lim      đ đ   Giả thiết hệ số khuếch đại mạch vòng hở của hệ thống là K, thì có thể nhận được quan hệ sau đây: +Hệ thống loại I: Kv= K, Ka= 0 +Hệ thống loại II: Kv= , Ka= K III.2.2.5. Sai số nhiễu Khi phân tích sai số nguyên lý, chỉ mới xét tới ảnh hưởng của tín hiệu đầu vào trước. Trên thực tế các loại nhiễu mà hệ thống tùy động phải gánh chịu đều ảnh hưởng tới độ chính xác bám đuổi của hệ thống. Tác dụng nhiễu thường thấy như trên hình 3- 6. Có thể quy vào 3 dạng nhiễu: Loại thứ nhất là nhiễu phụ tải, chẳng hạn là trở lực nén của cơ cấu ép trục cán là nhiễu phụ tải có giá trị cố định của hệ thống tùy động vị trí; gió cản lại ănten rađa là loại nhiễu phụ tải thay đổi bất thường tùy theo gió. Loại thứ hai là khi tham số hệ thống thay đổi, chẳng hạn như sự di dời điểm 0 trên đồng hồ đo, sự thay đổi hệ số khuếch đại của linh kiện khi bị lão hóa và sự thay đổi điện nguồn… Loại thứ 3 là loại nhiễu tiếng ồn, thông thường các loại nhiễu tiếng ồn có xuất sứ từ các thiết bị đo kiểm qua phản hồi rồi lẫn vào trong mạch điện, có thể coi như là tín hiệu cho trước đưa vào cùng một lúc với hệ thống. Thông thường nhiễu tiếng ồn có phổ tần cao hơn âm thanh. Nếu phổ tần của nó không trùng với phổ tần của tín hiệu đầu vào, hàm số truyền mạch vòng kín của hệ thống là khá dễ lựa chọn, chỉ cần làm cho dải thông tần của nó trùng với dải tần của tín hiệu. Tín hiệu tiếng ồn thuộc phía cao tần sẽ được lọc hoàn toàn. Tình hình thực tế thường phức tạp hơn, chẳng hạn như độ lệch tâm của rôto máy phát tốc sẽ tạo ra nhiễu xoay chiều, kết quả là mất đi độ nhanh nhạy và độ chính xác trạng thái động của hệ thống. Vì thế chọn thiết bị đo kiểm đối với hệ thống tùy động là cực kỳ quan trọng. Ngoài nhiễu tiếng ồn ra, dù cho nhiễu phụ tải hay nhiễu tham số hệ thống có các dạng khác nhau, nhưng chúng đều tác dụng trên đường đi tới hệ thống, chỉ có điểm tác dụng khác nhau mà thôi, vì vậy ảnh hưởng của chúng là tương tự. Dưới sẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 lấy loại nhiễu phụ tải giá trị không đổi làm ví dụ để phân tích ảnh hưởng của nó với sai số trạng thái ổn định. Giả thiết mômen phụ tải tác dụng trên trục động cơ là T1 với T1 = cmIdl, ảnh hưởng của nó thể hiện qua dòng điện phụ tải Idl như trong hình 3-11. Trong đó W1(p) biểu thị hàm số truyền tác dụng lại phía sau điểm Idl, trong đó bao hàm cả một khâu tích phân. Vì vậy đối với hệ thống loại I, trong W1(p) sẽ không có khâu tích phân; đối với hệ thống loại II, trong W1(p) còn có chứa một khâu tích phân. Khi đ = 0, chỉ có nhiễu phụ tải đưa vào thì lượng ra của hệ thống tùy động chỉ còn lại là sai số nhiễu phụ tải , sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống được đổi thành hình 3-12. Lợi dụng phép biến đổi đẳng trị nối phản hồi sơ đồ cấu trúc, ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )pWpW+1 pW = 1+pTRpI pθΔ 21 2 ldl Khuếch đại nhạy pha Bộ điều chỉnh vị trí đ (p) - (p) + Thay đổi nguồn (p) Hình 3- 10 Nhiễu động trong hệ thống tùy động vị trí Di dời của điểm 0 Khuếch đại công suất đảo chiều Động cơ Bộ giảm tốc Dao động của mạng điện Nhiễu của phụ tải Ma sát khô Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Đặt e1 biểu thị sai số nhiễu do mômen phụ tải gây ra, e1= . Lấy Laplace, sẽ có Et(p) = (p), do đó ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]1+pTRpI pWpW+1 pW =pθΔ=pE 1dl 21 2 t Đối với nhiễu dòng điện phụ tải đơn vị hằng số đơn vị, Idl(p)= 1/p, lúc đó: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1+pTRp p 1 . pWpW+1 pW =pθΔ=pE 1 21 2 t +Khi sử dụng hệ thống loại I, có thể coi: ( ) ( ) ( ) ( )ppD pNK =)p(W, pD pNK =)p(W 2 22 2 1 11 1 Sai số nhiễu sẽ là:                      1pTRp p 1 pWpW1 pW ppEe 1 21 2 0p 1 0p t limlim Đối với nhiễu phụ tải thực tế Idl(p)= -Idl/p thay vào công thức tính sai số nhiễu sẽ được : 1 dl dl K RI e  Biểu thức trên chứng tỏ : Nhiễu phụ tải hằng số sẽ làm cho hệ thống loại I sinh ra sai số ở trạng thái ổn định, độ lớn của tỷ lệ nghịch với K1, nhưng tỷ lệ thuận với IdlR. + Khi sử dụng hệ thống loại II, W2(p) giống như ở hệ thống loại I,còn : W1(p) W2(p) (p) Udo(p) R(T1p +1) Idl(p) - đ (p) - + Hình 3-11 Ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đối với hệ thống tùy động vị trí -Idl(p) W1(p) W2(p) (p) Udo(p) R(T1p+1) + - Hình 3-12 Cấu trúc trạng thái động ở trạng thái nhiễu phụ tải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 ( ) ( ) ( )ppD pNK =pW 1 11 1 Sai số nhiễu lúc này là :                0 pDpDp pNpNKK 1 ppD pNK 1pTRe 21 2 2121 2 22 1 0p t Lim     Điều đó chứng tỏ, trong hệ thống loại II vì ở bộ điều chỉnh nhiễu phụ tải, cấu trúc hệ thống loại II tốt hơn loại I. III.3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NÂNG Ngày nay việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T –D với mạch vòng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chi tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng được sử dụng phổ biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn. Cấu trúc hệ thống điều khiển T – D với ba mạch vòng kín tốc độ quay, dòng điện và vị trí như hình 3-13 Hình 3-13. Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - Động cơ. Chức năng của các khối như sau: VF, VR – hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song ngược. Bằng cách điều khiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các chế độ dừng, quay thuận, quay ngược của động cơ... R RI GTF GTR -1 -Un -Ui U * i Uci TM VF VR Đ FT TA Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 R - ® SV Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 RI, R, R - các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí nó có nhiệm vụ tổng hợp và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn các lượng phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ R, bộ điều chỉnh dòng điện RI và bộ điều chỉnh vị trí R thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động. Hệ thống truyền động điện như đã giới thiệu ở hình 3-1 là hệ tự động điều chỉnh điện áp với ba mạch vòng phản hồi đó là phản hồi dòng điện, phản hồi tốc độ và phản hồi vị trí. Kết quả của vấn đề thiết kế hệ thống đảm bảo các chỉ tiêu về mặt chất lượng động như: Độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh, số lần dao động. Ở hệ điều chỉnh tự động, cấu trúc mạch điều khiển và các thông số của bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy, khi thiết kế ta cần phải thực hiện các thuật toán nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Một số tiêu chuẩn thiết kế hay được sử dụng là tiêu chuẩn môdun tối ưu, tiêu chuẩn môdun đối xứng. III.3.1. Hàm truyền của động cơ điện Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn được dùng phổ biến trong các hệ truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng MW. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều như hình 3-14. Hình 3-14. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. Lư CF E  M MC UK ik U Rư RK Id UK  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Hệ thống mô tả động cơ Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ , mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc vị trí của Rotor . Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ Truyền động điện tự động. Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình (3-14) như sau: Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ ik và từ thông  phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: Uk(p) = RkIk(p) + Nk.P. (p) (3-18) Trong đó: Nk – số vòng dây cuộn kích từ. Mạch phần ứng: U(p) = Rư.I(p) + LưpI(p) + E(p) (3-19) Hay  E(p)U(p) pT1 /R1 pI u u    Trong đó: Lư - điện cảm mạch phần ứng. Tư = Lư/Rư – Hằng số thời gian mạch phần ứng. Phương trình truyền động của hệ: M(p) – MC(p) = jp (3-20) Trong đó j là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc. Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải khi bỏ qua hiện tượng từ trễ tương ứng là: Bcb c ;0ko k k ω,MΔω ΔM =BI,Φ ΔI ΔΦ =k Hình 3-16 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải IK0 IK KK  0 0 MC C CB MCB 0 B  ik  MC jp 1 M k  1 pNK RK NK Rư 1 1 + pTư UK U - - - Hình 3-15 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0, tốc độ quay B, điện áp kích từ Uk0, từ thông 0, dòng điện kích từ Ik0 và mômen tải MCB. Biến thiên nhỏ các đại lượng trên tương ứng là: U(p), I(p), (p), Uk(p), Ik(p), (p) và Mc(p). Phương trình mô tả động cơ có thể viết dưới dạng sau: Mạch phần ứng: U0 + U(p) = Rư[I0 + I(p)] + pLư[I0 + I(p)] + K[0 + (p)].[B + (p)] (3-21) Mạch kích từ:Uk0 + Uk(p) = Rk[Ik0 + Ik(p)] + pLk[Ik0 + Ik(p)] (3-22) Phương trình truyển động cơ học: K[0 + (p)].[I0 + I(p)] – [MB - Mc(p)] = Jp.[B + (p)] (3-23) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: U(p) – [K. B. (p) + K. 0. (p)] = RưI(p).(1+ pTư) (3-24) Uk(p) = Rk. Ik(p).(1+ pTk) (3-25) K.I0. (p) + K.0. I(p)] - Mc(p) = Jp.(p) (3-26) Từ phương trình (3-24), (3-25), (3-26) ta có sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập như hình 3-17. Hình 3-17 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá.  jp 1 M  1/Rư 1 + pTư UK U - K0 M K0 KB KI0 KK 1/Rk 1 + pTk - Ik I B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Khi giữ nguyên từ thông kích từ không đổi: K = const U(p) = RưI(p).(1+PTư) + K(p) (3-27) K.I(p) – MC(p) = Jp(p) (3-28) Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 3-18. Hình 3-18 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn: Hình 3-19. Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện.  jp 1 1/Rư 1 + pTư U - K MC K - I M E  U - 1pTpTT K c 2 c• d  1pTpTT P)T(1KR c 2 c• •d . •   MC a) I U - MC 1pTpTT P/RT c 2 c• •c  1pTpTT K c 2 c• d  Ic Iđg b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Ud Ud0 Ud0 1 Ud0 2 Uct Uct1 Uct2 t1 t2 t3 t4 1  2  Hình 3-20 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu Trong đó: Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ = 1/K. Hằng số thời gian cơ học: Tc = Rư.J/(K) 2 . (3-31) 1pTpTT KΦ (p)M •R cU(p)p.T I(p) c 2 c• c    (3-32) Các hàm truyền của động cơ có dạng: 1pTpTT K U(p) (p) c 2 c• d   ω (3-33) 1pTpTT PT R 1 U(p) (p) c 2 c• c •   . I (3-34) 1pTpTT P)T(1KR (p)M (p) c 2 c• •d . • c    ω (3-35) 1pTpTT K (p)M (p) c 2 c• d c   I (3-36) III.3.2. Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor Bộ phận chỉnh lưu bán dẫn thyristo cần điều khiển không bao giờ tách khỏi mạch điện phát xung, vì vậy khi phân tích hệ thống thường xem chúng như một khâu, Lượng đầu vào của khâu này là điện áp điều khiển Uct của mạch phát xung, lượng đầu ra là điện áp chỉnh lưu không tải lý tưởng Ud0. Nếu coi hệ số khuyếch đại Ks giữa chúng bằng hằng số, thì bộ phát xung và chỉnh lưu bán dẫn được coi là khâu khuyếch đại thuần tuý chậm sau (trễ), mà tác dụng chậm sau là do thời gian mất điều khiển của bộ bán dẫn gây ra. Thời gian mất điều khiển Ts có độ lớn thay đổi theo thời điểm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 phát sinh sự biến động của điện áp điều khiển Uci. Thời gian mất điều khiển lớn nhất có thể xẩy ra là thời gian giữa hai lần thay đổi pha tự nhiên nó liên quan tới tần số nguồn điện xoay chiều, hình thức mạch chỉnh lưu và được xác định theo biểu thức: mf 1 Tsmax  (3-37) Trong đó: f – tần số dòng điện xoay chiều. m – số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ. Tương ứng với thời gian thích nghi của hệ thống mà nói, Ts có giá trị không lớn nên thực tế có thể lấy giá trị thời gian mất điều khiển trung bình Ts = Tsmax/2, và thường coi là hằng số. Dùng hàm bậc thang đơn vị để biểu thị sự chậm sau thì quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của thiết chỉnh lưu và phát xung bán dẫn thyristor sẽ là: Ud0 = Ks.Uct.1(t – Ts) (3-38) Theo định lý chuyến dời phép biến đổi Laplace, thì hàm truyền là: psT s tc 0d eK (P)U (p)U  (3-39) Trong biểu thức (3-39) có chứa hàm số mũ psTe , nó làm cho hệ thống không phải là hệ thống pha cực tiểu, việc phân tích và thiết kế kha phức tạp. Để đơn giản hoá, trước tiên ta phải khai triển psTe thành cấp số Taylo và biểu thức (3-39) trở thành: ... 33 s 22 ss s p s T spsT s ct 0d pT 3! 1 pT 2! 1 pT1 K e K eK (P)U (p)U     (3-40) Vì Ts có giá trị rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua các giá trị bậc cao của nó. Hàm số truyền của bộ chỉnh lưu và phát xung bán dẫn thyristor có thể coi một cách gần đúng là khâu quán tính bậc nhất. pT1 K (P)U (p)U s s ct 0d   (3-41) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor: Hình 3-21 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor a) khi chuẩn xác; b) khi gần đúng III.3.3. Hàm truyền của máy phát tốc Trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tốc độ động cơ. Để làm được điều đó thông thường người ta dùng máy phát tốc, nó được nối cứn trục với động cơ. Hàm truyền của máy phát tốc: pT1 K (p)w ω ω FT   (3-42) Trong đó: T - hằng số thời gian của máy phát tốc. K - hệ số phản hồi máy phát tốc. III.3.4. Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào khống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tín hiệu dòng điện. Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể có thể dùng máy biến dòng. Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện: pT1 K (p)w I I FT   (3-43) Trong đó: I - hằng số thời gian của máy máy biến dòng. KI - hệ số phản hồi dòng điện. III.4. TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN RI, R, R Việc tổng hợp các bộ điều khiển RI, R đều được tiến hành theo phương pháp tiêu chuẩn mô dun tối ưu hoặc tiêu chuẩn mô dun đối xứng. Kse TsP Uct(p) Ud0(p) pT1 K s s  Uct(p) Ud0(p) a) b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển hai mạch vòng kín là: bắt đầu từ vòng trong, từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài. Có nghĩa, trước tiên ta phải thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng điện là một khâu trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quay, tiếp tục coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu chong hệ thống điều chỉnh vị trí để thiết kế bộ điều chỉnh vị trí. III.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản chức năng cơ bản của các mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc... Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau: Trong đó: R L uT  : Hằng số thời gian điện từ của động cơ R = RB + RK +Rưd + Rs L = Lb + Lk + Lưd Ti =R.C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:  Uiđ (-) iR   p.T1p.T1 K vdk CL  KΦ u u T.p1 R 1  Jp 1 i i pT1 K  KΦ Mc (-) Ui(p) I H ì nh 3-22 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 Hình 3-23 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện Từ sơ đồ hình (3-22) và (3-23) ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện:       uivdk icl dk i0 T.p1T.p1pT1T.p1 1 . R K.K pU I(p) (p)S   (3-44) Trong đó: Tsi = Ti + Tv +Tđk<< Tư , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có:   usi icl oi T.p1T.p1 R K.K (p)S   (3-45) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín: 2 ζζ OMi p.η2η21 1 (p)F   (3-46) Mặt khác ta có:   (p)S(p).F(p)S (p)F (p)R (p)S(p).R1 (p)S.pR (p)F oiOMioi OMi i ioi oii OMi      pη1pη.2 )T.p)(1T.p(1 R K.K 1 (p)R ζζ usi iCL i    Chọn  = min (Tsi, Tư) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:          usiiCL u si iCL u i T.p 1 1 T.K.K2. T.R R T .K.K.p2 T.p1 (p)R (3-47) Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: I(p) Ri(p) S0i(p) UIđ (-) UI(p) Udk(p) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 pT21 1 p.T2.p.T2.1 1 (p)U (p) (p)F si 22 sisiid i OMi     (3-48) III.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau: Hình 3-25 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ Trong đó: )T.p(1 KΦ . p.cT.Φ.K R . K 1 . p).T2(1 1 (p)S ωisi ωo   Đặt ωsisω TT2.T  sωT rất nhỏ. Ta có: )T.pp(1.T.Φ.K.K K.R (p)S sωci ω oω   Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul: 22 ζζ OMω pη2p.η2.1 1 (p)F   (3-49) (p)S(p).F(p)S (p)F (p)R oωOMωoω OMω ω   (3-50)   )ηp(1.η.2 T.p1p.T.KΦ.K K.R 1 (p)ωR ζζ sωci ω    Chọn σ = Ts Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul: sωω ci ω T.2.K.R T.KΦ.K (p)R  (3-51) R ω(p) là khâu tỷ lệ (P) Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi IC là nhiễu nữa. R(p) S0(p) Ud (p) (-) U(p) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: 33 ζ 22 ζζ ζ OMω p.η8p.η8.p.η4.1 p.η4.1 (p)F    (3-52) oωωOMoω OMω ω S.FS F (p)R   p).η(1pη.8 )T.pp(1.T.K.K K.R p.η41 (p)R ζ 22 ζ sωcθi ω ζ ω     Chọn σ = Ts Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: p.T.8 T.KΦ.K ωK.R p.T41 (p)R 2 sω ci sω ω   (3-53) R(p) là khâu tích phân- tỷ lệ (PI) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: ωsωω 22 sωsωd K 1 . p.T21 1 K 1 . pT2p.T21 1 (p)ω ω(p)     (3-54) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có: ωsωω 33 sω 22 sωsωd K 1 . p.T41 1 K 1 . p.T8p.T8p.T41 1 (p)ω ω(p)     III.4.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí Hình 3-26 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí R(p) đ (p) (-) ωsωd ωsωd K 1 . pT41 1 (p)ω ω(p) K 1 . p.T21 1 (p)ω ω(p)        KpTspTspTs KpTspd p 1 . .8.841 1 1 . .21 1 )( )( 3322 22     P K r (p) θ θ T.p+1 K Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Tổng hợp mạch vòng vị trí cũng tương tự như tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta dùng tiêu chuẩn tối ưu modul và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí như hình 3-25 Trong đó: i 1 K r  : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực (3-55) Ts =T +2.Tsi =T +2(Tđk + Tv + Ti) (3-56) Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul 22 ζζ OMT pη2p.η2.1 1 (p)F   (3-57) Từ sơ đồ cấu trúc hình (3-14), ta có: )T.p+p(1p)..T2.+(1 K K .rK =(p)S θ θ sω ω T0 (3-58) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có : = (p)S(p).F(p)S (p)F =(p)θR oTTOMoT TOM )pT+p)(1.T2+(1 K θK.K . pη2+pη2+1 1 )pT+p(1p).T2+(1 K K.K 2p2 δ η2+p δ η2+1 1 = θθ θ sω ω r 22 δδsω ω r p).T+(1 p).η+(1 .p.η.2 )T.p2+p(1.K K.K 1 =(p)R θ θ θ ζ δ sωω r Chọn: θT=ηζ Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu modul : p).T2+(1 θ T.2.K.K K =(p)R sω r ω θ θ (3-59) Với: p.K+K=R DPθ (3-60) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 θr ω P T.2K.K K =K θ (3-61) θθ T.K.K T.K =K r sωω D (3-62) R(p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD). Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng p.η8p.η8.p.η4.1 p.η4.1 (p)F 3 ζ 2 ζζ ζ OMT    (3-63) Khi tổng hợp mạch vòng vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì ta có hàm truyền đối tượng : )pT+p(1p).T4+(1 K K.K =(p)S θsω ω r oT θ (3-64) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có : p.T+1 p).η+(1 .p.η.2 )T.p2+p(1.K K.K 1 = (p)S(p).F(p)S (p)F =(p)R θ ζ ζ sωω roTTOMoT TOM θ θ Chọn: θζ T=η Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: p).T4.+(1 T.2.K.K K =(p)R sω θθr ω θ (3-65) R(p) cũng là khâu tỷ lệ- đạo hàm (PD) III.5. TÍNH PHI TUYẾN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính xác tĩnh nằm trong giới hạn cho phép. Ta xét quá trình bắt đầu hãm,lúc đó tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau nghĩa là: h21 R).(   (3-66) 21h  : Quãng đường hãm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 h  : Vận tốc thời điểm bắt đầu quá trình hãm quãng đường hãm lớn nhất được tính theo công thức: hmax hMax r 2 Max K. . 2 1 ε ω  (3-67) Trong đó: hMax  : Gia tốc hãm cực đại cho trước. Từ 3-66 và 3-67 ta có: hhMax R.   hMax r 2 Max h K.K. . 2 1     Chọn   KR r1 hMax K. .2 K     (3-68) Quãng đường đi được lúc hãm là :  = 2hmax = ε ω r 2 h K. (3-69) Khi tổng hợp bộ điều khiển vị trí  R , ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu PD với hệ số khuếch đại θ K = const. Quan hệ tĩnh )(f  trong quá trình hãm (công thức 3-67) được vẽ trên hình (3.27) ta thấy: Khi cho quãng đường là 1  thì tốc độ là 1  tương ứng với hệ số khuếch đại là 1 K  , khi cho quãng đường là 2  mà vẫn giữ nguyên hệ số 1 K  thì tốc độ là 2  nhưng thực chất theo quan hệ phi tuyến thì tốc độ là ' 2  .Nghĩa là cần hệ số khuếch đại 2 K  .Tương tự khi cho quãng đường là 3  thì cầu phải có 3 K  . Như vậy khi  càng nhỏ thì hệ số khuếch đại  R càng lớn để đạt được tốc độ lớn tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56     ' 0       Hình 3-27 Quan hệ giữa  và  Qua phân tích ta thấy quan hệ )(f  là phi tuyến và việc chọn  R chỉ chứa hệ số khuếch đại θ K = const là không hợp lý. Để giải quyết vấn đề này nghĩa là phải thực hiện bộ điều khiển phi tuyến. Trong bản luận văn này tôi đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ kết hợp với bộ điều khiển PID. Các khâu trong hệ điều khiển vị trí đều được phân tích và mô hình hoá, tuyến tính hoá khi cần thiết, phục vụ cho quá trình mô phỏng hệ thống. Hệ điều khiển vị trí tuyến tính được thiết kế theo phương pháp kinh điển đó đã được tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu môdul và tối ưu đối xứng nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất. Tuy vậy ta đã chứng minh được đặc tính điều khiển của bộ điều khiển vị trí là phi tuyến nên để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống thì thực hiện một bộ điều khiển vị trí phi tuyến là cần thiết và vô cùng cấp bách. Đặc biệt khi cần thiết kế các hệ điều khiển vị trí đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng cao và rất cao về thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao… Sau khi tổng hợp ra các hộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển vị trí động cơ một chiều như Hình vẽ ( 3-28) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 Hình 3-28 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí III.6. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG HỆ TUỲ ĐỘNG VỊ TRÍ KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID III.6.1.Tính toán các thông số hệ tuỳ động vị trí đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập. * Các thông số cho trước: Pđm : Công suất định mức của động cơ 75kW Uđm : Điện áp định mức của động cơ 220 V nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1500 v/p Lư : Điện cảm phần ứng 0,0022 H Rư : Điện trở phần ứng 0,0253  Ti : Hằng số thời gian của máy biến dòng 0,0025 s TCL: Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu 0,003s Tđk : Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,00015s T : Hằng số thời gian của máy phát tốc 0,0015s T : Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0,3s L: Chiều dài quãng đường cần di chuyển 110 m r: Bán kính trục truyền tải cuối cùng 0,35 m P2T1 1 si PT1 K ω ω  PTC R cu JP 1 iK 1 R R JP 1 PT1 K    đ(p) (p) (p) đ (-) (-) (-) Ui(p) I MC   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 dm : Hiệu suất định mức của động cơ 90% Các phƣơng trình phản ứng phần ứng trong động cơ một chiều: uuuu I).RR(EU   Uư: Điện áp phần ứng Eư: Sức điện động phần ứng Rư: Điện trở mạch phần ứng Iư: Dòng điện phần ứng Rư = rư + rcf + rb + rct rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rcf : Điện trở cực từ phụ rb : Điện trở cuộn bù rct : Điện trở tiếp xúc chổi điện ω.θ a.Π2 N.p =ω.θ.k=Eu p: Số đôi cực từ chính. N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. : Từ thông kích từ dưới một cực từ. : Tốc độ góc. a.2 N.p k   : Hệ số cấu tạo động cơ. Eư = ke..n n: Tốc độ roto 55,9 n 60 n2    (3-70) s/rad1,157 55,9 1500 55,9 n dm dm  (3-71) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 k.105,0 55,9 k k e  (3-72) + Phương trình đặc tính cơ điện: u fuu I. Φk R+R Φk U =ω + Phương trình đặc tính cơ: ( ) M.Φk R+R Φk U =ω 2 tuu (3-73) Trong đó: Φk M =I dt u Mđt = Mcơ = M + Tính mômen định mức dmdmdm .MP  477,4Nm 157,1 75.10 ω P M 3 dm dm dm  (3-74) 253,1= 1,381 4,477 = I M =Φk u dm (3-75) + Hằng số thời gian phần ứng. s087,0= 0253,0 0022,0 = R L =T u u u Từ sơ đồ cấu trúc hình (3-24) ta có: Uđ = Kcl.Uđk Mặt khác ta có: ) T.P 1 +1( T.K.K.2 T.R =R uisicl u i s10.65,5ms15,0ms3ms5,2TTTT 3 dkVii  s 22=K,Ω0253,0=R,s087,0=T cluu Chọn Uđk = 7v 018,0 1.381 7  dm id i I U K (3-76) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 ) 084,0 1 1.(632,0) .087,0 1 1.( 10.65,5.018,0.22.2 087,0.0253,0 3- PP Ri  (3-77) Theo hình (3-24) ta có:   K.U d chọn V7,4U d  ω 03,0 1,157 7,4U K d  ω ω ω (3-78) Mặt khác ta có: s013,0T T.2TT i   sω sωsω Với s10.65,5T:s10.5,1T 3 i 3   sω Ta có: ( ) )s(034,0= 253,1 022,0.45,2 = Φk R.J =T 22C (3-79) 76,34= 013,0.2.03,0.022,0 034,0.253,1.014,0 = T.2.K.R T.Φk.K =)P(R sωωu ci ω (3-80) 52,0 034,0.253,1 022,0 .  Tk Ru (3-81) Ta có: r.n..2r.l  vßng50 35,0..2 110 r..2 l n      )rad(.100r..2 r l ππ  odθ U=K.θ +Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí 03,0 .100 10   odUK (3-82)   1 0 ω..ω.θ tKdtK rr (3-83) Trong đó Kr hệ số khuếch đại bộ truyền lực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 1 1,157 314  t Kr   (3-84) + Bộ điều chỉnh vị trí R )P.T.21.( T.2.K.K K R r sω θθ ω θ  )P.0143,01.(5625,1)P.0715,0.21.( 3,0.2.32,0.1 03,0  III.6.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ trên hình (3–27) và dùng simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình vẽ (Hình 3-28). Cho chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị vị trí đặt ta có kết quả như các đồ thị được vẽ ở các hình (3-29); (3-30). Hình 3-28 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID Hình 3-29 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 318.1 A. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Hình 3-30 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 15V, I = 318.1 A. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 * Nhận xét: Trên đây là kết quả mô phỏng với các vị trí khác nhau và cho kết quả của hệ thống tương đối tốt. Song do tính chất phi tuyến của hệ thống trong mạch vòng vị trí, cho nên để nâng cao chất lượng hơn nữa ta sẽ nghiên cứu và ứng dụng bộ điểu khiển mờ vào mạch vòng vị trí để nâng cao chất lượng tốt hơn cho hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 CHƢƠNG IV THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa được xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác, các quá trình được điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin. Điều khiển mờ đã tích hợp kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu biết nhiều về các thông số của hệ thống. Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy luận mờ. Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển trong quà trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật IF-THEN) trên các biến ngôn ngữ. Luật điều khiển IF – THEN là một cấu trúc điều khiển dạng NẾU – THÌ, trong đó có một từ được đặc trưng bởi các hàm liên thuộc liên tục. Các luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển. So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau: - Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống. - Bộ điều khiển mờ để dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (cả về kỹ thuật) và dễ dàng thay đổi. Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm. - Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điều khiển cao hơn. Ngày nay, với tốc độ phát triển vượt bậc của tin học và sự tương đối hoàn thiện của lý thuyết điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng và phong phú của các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 hệ điều khiển mờ. Tuy nhiên vấn đề tổng hợp được một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng cho một đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đang là sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. IV.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ gồm bốn khối: khối mờ hoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ ( Hình 4-1 ). Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ vì nó có khả năng mô phỏng những suy nghĩ, suy đoán của con người để đạt được mục tiêu điều khiển mong muốn. Trong điều khiển logic mờ, kinh nghiệm chuyên gia cùng các kỹ năng, kỹ xảo đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các biến trạng thái và biến điều khiển. Các biến vào của bộ điều khiển logic mờ thưòng là trạng thái, sai lệch trạng thái, đạo hàm sai lệch trạng thái, tích phân sai lệch, v.v .. Số lượng các tập mờ là trọng tâm cần lưu ý khi thiết kế các hệ điều khiển logic mờ. Trong một miền giá trị ta có thể chọn số tập mờ khác nhau, thông thường miền giá trị mờ đầu vào được chia thành nhiều tập mờ gối lên nhau. Thường người ta chia số tập mờ từ 3 đến 9 giá trị, số lượng các tập mờ đầu vào xác định số lượng lớn nhất các luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển logic mờ. Khối hợp thành có nhiệm vụ đưa vào tập mờ đầu vào (trong tập cơ sở U) và tập các luật mờ (do người thiết kế đặt ra) để tạo thành tập mờ đầu ra (trong tập cơ sở V). Hay nói cách khác là nhiệm vụ của khối hợp thành là thực hiện ánh xạ tập mờ đầu vào (trong U) thành tập mờ đầu ra (trong V) theo các luật mờ đã có. Các KHỐI MỜ HOÁ KHỐI HỢP THÀNH KHỐI GIẢI MỜ KHỐI HỢP THÀNH VÀO RA Hình 4-1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 nguyên lý logic mờ được áp dụng trong khối hợp thành để tổ hợp từ các luật mờ IF – THEN trong luật mờ cơ bản thành thao tác gán một tập mờ A‟ (trong U) tới tập mờ B‟ (trong V). Ta đã biết rằng các luật mờ IF - THEN được diễn giải thành các quan hệ mờ trong không gian miền U*V. Khi dùng quy tắc MAX – MIN thì dấu “*” được thay thế bằng cách lấy cực tiểu. Khi dùng quy tắc MAX – PROD thì dấu “*” được thực hiện bằng phép nhân bình thường. Các luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF – THEN được xây dựng trên các biến ngôn ngữ, các luật mờ này được đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ, nó là trái tim của hệ điêu khiển logic mờ. Sử dụng luật mờ cơ bản này làm công cụ để suy luận và đưa ra các đáp ứng một cách có hiệu quả. Ta xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra (hệ MISO) với U = U1xU2x … xUn  R n. Nếu hệ có m đầu ra từ y1, y2, … yn thì có thể phân thành m hệ mỗi hệ có n đầu vào và một đầu ra. Luật cơ sở là luật có dạng sau: Ru (1) : Nếu x1 là An 1 Và…Và xn là An 1 Thì y là B 1 Trong đó Ai 1 là B 1 là các tập hợp mờ trong U1  R n và V  R, nếu có M luật mờ cơ sở thì 1 = 1, 2, …, M. Luật mờ trên là luật mờ chính tắc, từ luật mờ chính tắc trên có một số mệnh khác bổ trợ khác. Giải mờ được định nghĩa như gán một tập mờ B‟ trong V  R ( Là đầu ra của thiết bị hợp thành) với một giá trị rõ y*  V. Như vậy phép giải mờ là cụ thể hoá một điểm trong V mà nó có thể hiện rõ nhất tập mờ B‟ . Tuy nhiên tập mờ B‟ được xây dựng theo các cách khác nhau. Để chọn phương pháp giải mờ thích hợp ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau đây: - Tính tin cậy: Điểm y* phải đại diện cho tập mờ B‟ một cách trực giác, ví dụ có thể nằm ở gần giữa miền xác định của tập mờ B hoặc là điểm của hàm liên thuộc cao nhất trong B. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 - Đơn giản trong tính toán: ây là tiêu chuẩn quan trọng vì trong điều khiển mờ các tính toán đều làm việc trong chế độ thời gian thực. - Tính liên tục: Thể hiện ở việc làm khi có sự thay đổi nhỏ trong B‟ sẽ không gây sự biến đổi lớn trong y*. IV.2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MỜ Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng tương tự như hệ điều khiển truyền thống, điểm sai khác ở đây là sử dụng bộ điều khiển mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng định làm việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được theo phương pháp kinh điển thì không hoàn toàn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ. Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên: - Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hoá và các khâu phụ trợ thêm để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân... - Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển (luật mờ). - Khâu giao diện đầu ra (chấp hành) gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng. Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ ra và sự lựa chọn luật điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phảy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”. IV.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Như ta đã biết hệ thống điều khiển mờ có mục đích mô phỏng suy nghĩ điều khiển của con người để điều khiển một đối tượng nào đó. Nhìn chung, hiểu biết của con người để điều khiển một đối tượng kỹ thuật nào đó có thể phân tích thành hai loại: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 + Loại hiểu biết rõ: Conscious knowledge. + Loại hiểu biết chưa rõ Subconscious knowledge. - Khi xây dựng bộ điều khiển mờ, với các hiểu biết rõ thì ta dùng luật “Nếu... thì” và diễn đạt điều đó vào hệ thống mờ. Với các hiểu biết chưa rõ lúc điều khiển ta phải đo lường trực tiếp trên đối tượng, các số liệu vào ra lúc đó, sau đó tập hợp lại thành tập các dữ liệu vào – ra và ta sử dụng để xây dựng bằng cách chuyển đổi hiểu biết của con người thành bộ điều khiển mờ với bộ số liệu vào - ra như hình vẽ 4-2. Giả thiết rằng, người thiết kế đã có đủ các kinh nghiệm và muốn chuyển nó thành thiết bị hợp thành trong một bộ điều khiển mờ thì ta phải tiến hành các bước sau đây: Bƣớc 1: Định