Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều ứng dụng điều khiển nâng hạ điện cực lò hồ quang

7,5 Vì a điện áp đưa vào so sánh với Urc càng nhỏ thì góc mở a càng muộn ® ta phải đảo ngược lại tức là. Uđk= - 4,775 a ® ta có: a (rad) 0 p/12 p/6 p/4 p/3 5p/12 p/2 Uđk (v) 7,5 6,25 5 3,75 2,5 1,25 0 p/2 Uđk p/12 p/6 p/4 p/3 5p/12 a (rad) 7,5 0 1,25 2,5 3,75 5 6,25 c. Xây dựng mối quan hệ Ud= f(Uđk). Từ mối quan hệ Ud= f(a) a = f(Uđk) Ta đi xây dựng mối quan hệ Ud= f(Uđk) ứng với mỗi giá trị Uđk cho một giá trị a và Ud. Giá trị của Uđk và Ud ghi trong bảng sau: a (rad) 0 p/12 p/6 p/4 p/3 5p/12 p/2 Uđk 7,5 6,25 5 3,75 2,5 1,25 0 Ud 257,3 248,5 222,8 181,9 128,6 66,5 0 Þ Đồ thị biểu diễn quan hệ Ud= f(Uđk). 0 Ud(v) Uđk(v) 1,25 2,5 3,75 5 6,25 7,5 66,5 128,6 181,9 222,8 248,5 257,3 Tuyến tính hoá đường cong và coi hệ số khuếch đại là một hằng số. Khi đó : 2. Hệ số khuếch đại của toàn hệ thống. Ta có: (I) Trong đó: Dn: Độ sụt tốc độ trên đặc tính cơ thấp nhất. n0 min, n0 max: Tốc độ không tải lý tưởng ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất và cao nhất. Sx: Sai lệch tĩnh. D: Dải điều chỉnh. Thay vào (I) được: (II) Xét sơ đồ cấu trúc của hệ thống ở chế độ tĩnh: g Ucđ Ky KD Kp (-) (-) Rå n Iư Từ sơ đồ cấu trúc có : Với: (III) Từ (II) và (III) có : Đặt Ky Kp KD= K là hệ số khuếch đại của hệ thống. Trong đó: Iư = Iđm = 25,4 (A) Rå = 0,795 (W) KD = 7,51 Sx= 5% = 0,05 D =100 g = 0,0077 3. Hệ số khuếch đại của khâu khuếch đại trung gian. Ta có: K= Ky. Kp. KD Khi đó điện áp chủ đạo lớn nhất và nhỏ nhất của hệ thống là: - Từ công thức. Phần V Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống Phần V Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống Đ5.1. Khái niệm Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Độ ổn định và độ chính xác điều chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng bậc nhất của một hệ thống tự động. Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Chất lượng hệ thống được thể hiện qua trạng thái tĩnh và trạng thái động. ở trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính xác điều chỉnh (sai lệch tĩnh). ở trạng thái động các yêu cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động như. - Độ quá điều chỉnh. - Tốc độ điều chỉnh. - Thời gian điều chỉnh. - Số lần dao động. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh ta có thể chọn được các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ thống. Đối với hệ thống điều chỉnh dịch cực lò hồ quang dùng hệ T-Đ có đảo chiều dùng hai bộ biến đổi mắc song song ngược điều chỉnh chung nên tại một thời điểm cả hai bộ cùng làm việc ở 2 chế độ khác nhau. Một cách tổng quát ta chỉ xét cho một chế độ làm việc là chỉnh lưu. Khi đó với bài toán tổng hợp và xét ổn định của hệ thống thì ta cần xét hệ thống T-Đ không đảo chiều. ở đây ta dùng phương pháp gần đúng “ Mô đun tối ưu” để tổng hợp xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống. Nội dung của phương pháp như sau: Giả sử hệ thống có hàm truyền hệ hở là Wh(P). Ta tìm khâu hiệu chỉnh Whc(P) sao cho hàm truyền hệ thống kín Wk(P) với phản hồi đơn vị (-1) như hình vẽ sau. Wh(P) (-) Whc(P) (-) W0(P) Wk(P) Trong đó: Thoả mãn điều kiện tiêu chuẩn: Wk(P) = Wt.u(P) Với: Hay nói cách khác môđun hàm truyền của hệ là hàm không tăng, không cộng hưởng và bằng một dải tần rông nhất. Đ5.2.tổng hợp hệ T-Đ với hai mạch vòng phản hồi tốc độ và phản hồi dòng điện Một cách tổng quát hệ T-Đ với 2 mạch vòng phản hồi được mô tả bởi sơ đồ cấu trúc như sau: WW(P) Wi(P) (-) = - - - - o o o o (-) Tín hiệu phản hồi FT Đ Tín hiệu đặt Tín hiệu đo lường Trong đó: WW(P): Khâu hiệu chỉnh tốc độ. = Wi(P): Khâu hiệu chỉnh dòng điện. : Khâu tạo xung điều khiển. : Bộ chỉnh lưu tạo nguồn 1 chiều. FT: Máy phát tốc. Đ: Động cơ một chiều kích từ độc lập. I. Mô tả toán học các phần tử trong hệ T-Đ Bộ chỉnh lưu thyristor. Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của bộ chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với sự thay đổi của góc điều khiển a. Nghĩa là sau khi điện áp điều khiển thay đổi được một khoảng thời gian t thì góc điều khiển a mới thay đổi. Như vậy có thể coi bộ chỉnh lưu như một khâu chậm, trễ có cấu trúc và hàm truyền như sau : DUđk Da Wcl(P) Wcl(P) = Kp. e-ptcl Khai triển M.C Lanrin hàm truyền bộ chỉnh lưu ta được: Khi đó hàm truyền bộ chỉnh lưu là: Trong đó: Kp: Là hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu Kp= 44,56 tcl: Là thời gian trễ, được xác định như sau: tmin = 0 Với f = 50Hz : Tần số lưới m = 3: Số xung trong một chu kỳ. Máy phát tốc Trong mạch vòng tốc độ ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tốc độ quay động cơ. Để làm việc này thì thông thường người ta sử dụng máy phát tốc, nó được nối cứng trục với động cơ. Ura FT Đ o - - - - o o o Hàm truyền của máy phát tốc ở toán tử laplace là : WFT(P) = g Với g = 0,0077 là hệ số phản hồi máy phát tốc. 3. Thiết bị đo dòng điện. Tương tự như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào khống chế hệ thống người ta tạo ra tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng điện động cơ dịch cực. Có nhiều cách để lấy tín hiệu này, ở đây ta dùng máy biến dòng và bộ chỉnh lưu. BI Ura CL Sơ đồ như sau: Khi đó hàm truyền của khâu này có dạng. Wi(P) = b: Với b là hệ số tỷ lệ. Chọn Ung = 11V 4. Động cơ chấp hành (động cơ một chiều kích từ độc lập) Một cách tổng quát ta có động cơ điện một chiều kích từ độc lập có sơ đồ nguyên lý như sau. o Đ Uư Iư CKĐ o o o Khi có tín hiệu điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì quá trình động xảy ra trong động cơ được minh hoạ bằng phương trình vi phân sau: Trong đó: Ken(t): Sức điện động của động cơ. Rư; Lư: Điện trở, điện cảm phần ứng động cơ. Chuyển sang toán tử laplace : Uư(P)- Ke.n(P) = Iư(P).Rư + LưIư(P).P Û Uư(P)- Ke.n(P) = Iư(P).Rư (1+ TưP) Với: Hệ số sđđ động cơ. với: KD = 1/Ke Là hệ số khuếch đại động cơ. Tư = Lư/Rư Là hằng số thời gian điện từ. Từ phương trình ta có sơ đồ cấu trúc (I) như sau. Uư Iư(P) n(P) (-) Mặt khác suất phát từ pt TĐĐ : Với: MD = KM. Iư MC = KM. Ic KM = 9,55 Ke Chuyển sang toán tử laplace : Hay: Đặt Là hằng số thời gian điện cơ. Từ pt trên ta có sơ đồ cấu trúc (II) như sau. Iư(P) Ic(P) n(P) (-) Từ sơ đồ cấu trúc (I) và (II) ta có sơ đồ cấu trúc mô tả toán học động cơ như sau: Uư(P) Iư(P) Ic(P) n(P) (-) (-) Với: II. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. Qua phân tích và mô tả toán học ở trên ta đi đến xây dựng sơ đồ cấu trúc tổng quát của toàn hệ thống truyền động T-Đ với hai mạch vòng phản hồi âm dòng và âm tốc độ như hình vẽ sau: Ucđ Wư(p) g b (-) (-) Wi(P) Wcl(P) (-) (-) Ic n(P) 1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện (Bỏ qua sức điện động động cơ): Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn, lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (D E hoặc E = 0) Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau: Wi(P) Wcl(P) (-) E b (-) Uiđ Iư(P) Biến đổi tương đương: Wi(P) Wcl(P) 1/b 1/b b Iư(P) (-) Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền hệ hở như sau: Theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu ta phải tổng hợp hệ thống sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian lớn. Khi đó trong hệ còn lại khâu có hằng số thời gian nhỏ và hàm truyền hệ kín thoả mãn điều kiện: Như vậy phải tìm khâu hiệu chỉnh Wi(P) sao cho: Chọn t = Tcl = 0,00335 (s) Vậy khâu hiệu chỉnh Wi(P) sẽ là: R1 o R2 C2 o o o _ + Uv Ura Từ hàm truyền khâu hiệu chỉnh Wi(P) ta đưa ra sơ đồ nguyên lý khâu hiệu chỉnh như sau: Ta có: Z1=R1 Z2=1/PC2+R2 Để cho Whc(P)=Wi(P) bằng cách đồng nhất đa thức ta được: Thay b = 0,171vào ta được Chọn C2=1mF Þ R1=64,2 (KW) Vậy chọn IC khuyếch đại loại mA 741,có điện áp nguồn nuôi là ±15V để thực hiện mạch này. Þ Whci(P)= Vậy hàm truyền hệ kín là: 2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Từ sơ đồ cấu trúc của toàn hệ thống sau khi tổng hợp được mạch vòng dòng điện ta có sơ đồ cấu trúc mạch tổng hợp theo mạch vòng tốc độ như sau. Bỏ qua sđđ của động cơ ta có sơ đồ: Wu(P) Wki(P) 1/b n (-) (-) Ic(P) Ucđ g Trong trường hợp phụ tải biến thiên ít có thể bỏ qua nhiễu phụ tải (coi Ic(P) = 0) khi đó ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Wki(P) Wu(P) 1/b n (-) Ucđ g Biến đổi tương đương: n Wki(P) Wu(P) 1/b (-) Ucđ g 1/g Từ sơ đồ cấu trúc ta có hàm truyền hở của hệ thống: Theo tài liệu “Tự động điều chỉnh truyền động điện” Của (Bùi Quốc Khánh) thì với hằng số thời gian T = 2,24.10-5 có thể bỏ qua vì hằng số thời gian quá nhỏ. Vậy ta có hàm truyền hở của hệ như sau: Þ Hàm truyền kín của hệ. Vậy phải tìm khâu hiệu chỉnh Wu(P) sao cho: (Tổng hợp theo phương pháp mô đun tối ưu) Chọn t = 0,00669 (s) Khi đó : Vậy khâu hiệu chỉnh Wư(P) = 0,6188 là một khâu tỷ lệ với hệ số khuếch đại là 0,6188. Vậy mạch điện thực hiện như sau: Dùng IC mA 741 R1 R2 o o _ + Uv Ura Với: Z1(P) = R1 Z1(P) = R2 Þ Chọn R1 = 1 (KW) R2 = 1000 . 0,6188 = 618,8 (W) Vậy sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống sau khi đã tổng hợp hai mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ như sau: n(P) Ucđ(P) Wu(P) g b (-) (-) Wi(P) Wcl(P) (-) Ic Trong đó: Biến đổi tương đương: n(P) Wki(P) Wu(P) 1/b (-) Ucđ g 1/g Trong đó: phần VI thuyết minh sơ đồ nguyên lý hệ thống Phần VI Thuyết minh sơ đồ nguyên lý hệ thống Các tín hiệu dòng điện và điện áp hồ quang được lấy qua máy biến dòng điện và máy biến điện áp, đầu ra của các máy biến dòng điện và máy biến điện áp là các tín hiệu xoay chiều do vậy ta phải đưa qua hai bộ chỉnh lưu là: IC6 ,IC7 ,D31,D32, R67 ,R68 ,R69, R70, R71. Và: IC10 ,IC11 ,D33 ,D34 , R75 ,R76 , R77, R78 ,R79 . Sau đó các tín hiệu ở đầu ra của hai bộ chỉnh lưu được đưa qua hai bộ lọc: IC8 ,C10 ,C11 ,C12 và IC12 ,C13 ,C14 ,C15 . ở đầu ra của hai bộ lọc sẽ cho ta điện áp tỉ lệ với dòng và áp hồ quang. Đầu ra của IC8 một phần được đưa vào khối tạo luật điều khiển, một phần đưa vào khối tạo dòng đặt hồ quang. Tín hiệu ra của IC12 được đưa qua bộ phân áp vào đầu vào bộ khuyếch đại IC13 và đầu ra của IC13 được đưa vào đầu vào của khối tạo luật điều khiển. Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được lấy từ máy phát tốc qua biến trở WR3 đưa qua khâu khuyếch đại IC16 và IC17 ,sau đó được đưa tới IC18 để tổng hợp với tín hiệu ở đầu ra của mạch tạo luật điều khiển là Ukc. Tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt được lấy qua máy biến dòng qua bộ chỉnh lưu và đưa vào mạch khuyếch đại sau đó được đem tổng hợp với Ukc và Ugn. Tín hiệu đầu ra của IC19 được đưa đi điều khiển động cơ quay hạ điện cực lò hồ quang, còn tín hiệu đầu ra của IC20 được đưa đi điều khiển động cơ quay nâng điện cực lò hồ quang. Quá trình làm việc của hệ thống được diễn ra như sau: Giả sử hệ thống cầu dao, áp tô mát đã được đóng, ta phát lệnh làm việc bằng cách thay đổi Ucđ. Lúc này do điện cực vẫn ở xa liệu nên Ihq=0 và Uhq=Max, khi đó tín hiệu đầu vào mạch tạo luật điều khiển sẽ là -B.Uhq và đầu ra sẽ là Ukc<0 và điện cực được hạ xuống hệ thống tiến hành mồi hồ quang. Khi điện cực hạ xuống tới một khoảng cách nhất định sẽ suất hiện dòng điện hồ quang (A.Ihq),và dòng điện này được đưa vào mạch tạo luật điều khiển. Lúc này giá trị của B.Uhq nhỏ và A.Ihq lớn, làm cho tín hiệu ra của mạch tạo luật điều khiển đổi dấu và khi đó sẽ tác động lên mạch điều khiển điều khiển động cơ quay nâng điện cực lên. ở mạch tạo luật điều khiển nếu tín hiệu tổng hợp dược mà nhỏ hơn so với mức ngưỡng thì tín hiệu đầu ra sẽ bằng không (Ukc= 0) khi đó động cơ sẽ không quay vì vậy điện cực được giữ nguyên. Trong quá trình làm việc vì một lý do nào đó mà dòng điện hồ quang giảm, điện áp hồ quang tăng khi đó tín hiệu tổng hợp được đem so sánh với ngưỡng. Nếu lớn hơn mức ngưỡng thì khi đó Ukc sẽ nhỏ hơn không và khác không khi đó sẽ có tín hiệu điều khiển động cơ. Ngược lại nếu dòng hồ quang tăng còn áp hồ quang giảm khi đó tín hiệu tổng hợp được cũng được đem so sánh với ngưỡng,nếu nhỏ hơn ngưỡng thì Ukc= 0, còn nếu lớn hơn ngưỡng thì Ukc sẽ khác không và lớn hơn không. Khi đó sẽ có tín hiệu điều khiển đi điều khiển động cơ quay nâng điện cực lên. Quá trình đảo chiều diễn ra như sau: Giả sử T1, T2, T3 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo điện áp để động quay hạ điện cực, còn T4, T5, T6 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo điện áp để động cơ quay nâng điện cực. Khi có tín hiệu điện áp ở đầu ra của IC19 thì sẽ có xung vào điều khiển T1, T2, T3 làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn xung vào T4, T5, T6 làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi để động cơ quay hạ điện cực. Nếu vì lý do nào đó mà lại có Uđk phù hợp xuất hiện ở đầu ra của IC20 , khi đó xung vào điều khiển nhóm T1, T2, T3 sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi còn xung vào điều khiển T4, T5, T6 làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Vì động cơ vẫn còn đang quay theo quán tính là hạ điện cực và khi đó T1, T2, T3 sẽ làm nhiệm vụ là hãm tái sinh trả năng lượng về lưới làm động cơ nhanh chóng dừng lại và bộ van T4, T5, T6 tạo ra dòng điện ngược với dòng điện của động cơ trong quá trình hãm. Lúc này cuộn cân bằng 2 sẽ làm nhiệm vụ ngăn sự chảy qua lại giữa các dòng điện đó. Cho đến khi động cơ dừng hẳn và điện áp đặt lên nó sẽ có giá trị ngược lại làm động cơ sẽ quay ngược lại, kết thúc quá trình đảo chiều. Về mặt năng lượng: Khi sự chênh lệch giữa dòng điện và điện áp lớn, sẽ tạo ra tín hiệu so sánh với mức ngưỡng lớn làm cho Uđk nhỏ đẫn đến điện áp vào khâu so sánh nhỏ làm cho góc mở a lớn làm điện áp đặt lên động cơ nhỏ. Như vậy tốc độ động cơ sẽ nhỏ làm cho việc nâng hoặc hạ điện cực chậm lại. Ngược lại khi mà sự chênh lệch dòng và áp nhỏ thì khối tổng hợp tín hiệu và tín hiệu này vẫn lớn hơn mức ngưỡng. Khi đó Uđk sẽ lớn làm cho góc mở a nhỏ làm điện áp đặt lên động cơ lớn như vậy tốc độ động cơ sẽ lớn việc nâng hoặc hạ điện cực sẽ nhanh lên. phần chuyên đề về hệ điều khiển thích nghi phần chuyên đề về hệ điều khiển thích nghi chương I tổng quan về điều khiển thích nghi Đ1.1 khái niệm chung về điều khiển thích nghi I.Đặt vấn đề Trong các hệ điều chỉnh tự động thông thường, cấu trúc và thông số của bộ điều chỉnh là cố định theo một tiêu chuẩn tối ưu nào đó với các giá trị xác định của hệ. tuy nhiên thực tế trong quá trình làm việc, thông số và cấu trúc của hệ thường bị thay đổi do tác động của các yếu tố bên trong hay bên ngoài hệ mà ta gọi là nhiễu. những sự thay đổi này rất phức tạp và có thể xác định được , thường là xác định không rõ ràng hoặc không xác định được ( ví dụ: điện trở của phần ứng động cơ điện phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc, điện cảm phần ứng phụ thuộc vào từ thông mạch từ, tốc độ tên lửa phụ thuộc vào khoảng cách của nó so với mặt đất và khối lượng của nó...). Tất cả các sự thay đổi đó làm cho chất lượng của hệ không đựơc đảm bảo. vì vậy, một phương án được thiết kế cho các hệ điều chỉnh tự động yêu cầu chất lượng cao là bổ sung vào hệ một mạch vòng thích nghi. nó có thể nhận biết được sự thay đổi cấu trúc, thông số của đối tượng để đưa ra thông số, cấu trúc phù hợp của bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất lượng của hệ. Một hệ điều khiển như vậy được gọi là hệ điều khiển thích nghi. lý thuyết này ra đời vào những năm 1950 và ngày càng được hoàn thiện và ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực sản xuất nhờ có sự trợ giúp của máy tính. Định nghĩa: Hệ điều khiển thích nghi ( ĐKTN ) là hệ điều chỉnh tự động có mạch điều chỉnh với cấu trúc, tham số của nó có thể thay đổi đáp ứng theo sự biến thiên cấu trúc, tham số của nó có thể thay đổi đáp ứng theo sự biến thiên cấu trúc, tham số của đối tượng điều khiển, sao cho đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ. II.Nguyên lý của hệ điều khiển thích nghi Nội dung chủ yếu của phương pháp điều khiển thích nghi là đánh giá các thông số không xác định của đối tượng dựa trên các tín hiệu đo được của hệ thống trong quá trình làm việc và sử dụng các thông số đánh giá để tính toán các tín hiệu đuều khiển và từ đó chỉnh định thông số và cấu trúc của các bộ điều khiển. ĐKTN là kỹ thuật tự chỉnh theo thời gian thực các bộ điều chỉnh nhăm duy trì đặc tính của đối tượng điều chỉnh ( quá trình ) nằm trong phạm vi mong muốn, trong khi các thông số của đối tượng ( đã biết hoặc chư biết ) biến thiên theo thời gian. Cấu trúc chung của hệ điều khiển thích nghi được mô tả trên hình 1.1 Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ điều khiển thích nghi Như vậy có thể phân hệ ĐKTN thành hai thành phần chính: Phần cơ bản của hệ điều khiển. Phần điều chính thích nghi Phần cơ bản gồm hệ thống S và thiết bị điều khiển R. Hệ thống có mạch phản hồi cơ bản. Tín hiệu vào là u(t) tín hiệu ra là y(t). Phần điều chỉnh thích nghi bao gồm khâu nhận dạng I, thiết bị tính toán TT và cơ cấu thích nghi A. Tất cả sự thay đổi thông số của đối tượng điều khiển, nhiễu loạn phụ tải và các tín hiệu điều khiển được đưa vào mạch nhận dạng I. kết quả nhận dạng được đưa váo khối tính toán. Dựa trên chất lượng yêu cầu khối tính toán sẽ xác định tín hiệu điều chỉnh cho khối thích nghi A từ đó sẽ tác động nên bộ điều khiển để thay đổi thông số hoăc cấu trúc của nó sao cho chất lượng của hệ đạt yêu cầu mong muốn. Hệ điều khiển thích nghi mà chúng ta khảo sát ở đây hoạt động dựa trên giả thiết là tồn tại bộ diều khiển có khả năng thay đổi thông số và cấu trúc của mình phù hợp với mọi trạng thái của đối tượng. Vai tró của mạch vòng thích nghi lá chọn giá trị tối ưu của thông số và cấu trúc của bộ điều khiển ứng với các trạng thái khác nhau của hệ. III. Phân loại hệ điều khiển thích nghi. Dựa trên tiêu chuẩn nhận dạng người ta phân điều khiển thích nghi thành hai loại: ĐKTN trực tiếp ĐKTN gián tiếp ( điều khiển qua khâu nhận dạng đối tượng ). Trong hệ điều khiển thích nghi trực tiếp các thông số của bộ điều chỉnh sẽ được hiệu chỉnh trong thời gian thực theo giá trị đo lường sai số giữa các đặc tính. Trong hệ điều khỉên thích nghi gián tiếp việc hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển sẽ được thực hiện theo hai giai đoạn: 1. Đánh giá thông số của mô hình đối tượng. 2. Trên cơ sở đánh giá các thông số của đối tượng người ta tiến hành tính toán các thông số của bộ điều khiển. Việc kết hợp nhận dạng và điều khiển sẽ làm tăng độ chính xác của hệ thống. Vì vậy, điều khiển gián tiếp được xem là điều khiển thích nghi tối ưu. Tuy nhiên, do có mạch nhận dạng nên cấu trúc của nó phức tạp hơn hệ ĐKTN trực tiếp. Hệ điều khiển thích nghi trực tiếp được nghiên cưu và ứng dụng rộng rãi. Hệ ĐKTN dùng mô hình mẫu ( trực tiếp ). Sai lệch đầu ra của điều khiển và mô hình mẫu. là thông số để cơ cấu thích nghi tính toán điều chỉnh thông số của bộ điều khiển. Hình 1.2: Hệ ĐKTN trực tiếp có mô hình mẫu Cơ cấu thích nghi đồng thời lấy các tín hiệu đầu vào là đầu ra đối tượng và bản thân đối tượng để đánh giá đối tượng. hệ ĐKTN bao gồm hai mạch vòng. Mạch vòng trong là mạch vòng cơ bản, đó là mạch vòng phản hồi của hệ điều khiển thông thường. Mạch vòng ngoài là mạch vòng hiệu chỉnh thích nghi. Sai lệch giữa tín hiệu ra của mô hình y(t) và tín hiệu ra của đối tượng : Là thông số cơ bản để hiệu chỉnh thích nghi. Vấn đề là xác định cơ cấu hiệu chỉnh thích nghi sao cho hệ thống ổn định và e(t) tiến tới 0: Hệ thích nghi kiểu này hiện nay được áp dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển truyền động điện, các hệ servo ... Hệ ĐKTN gián tiếp Trong quá trình điều khiển mô hình của đối tượng được đánh giá không có mô hình mẫu cho trước. Sai lệch giữa đánh giá của mô hình và đối tượng là thông số để điều khiển cơ cấu thích nghi. Hệ ĐKTN gián tiếp cũng có hai mạch vòng như hệ ĐKTN trực tiếp đã trình bày ở trên. Các thông số của bộ điều khiển tự chỉnh sẽ được thay đổi như mạch vòng ngoài. Hình 1.3: Điều khiển thích nghi gián tiếp. Mạch vòng này bao gồm hệ đánh giá thông số ( hệ quan sát ) và cơ cầu thích nghi, Hệ này đôi khi được coi như là một hệ ĐKTN có mô hình ẩn. IV. Phân loại hệ thốngĐKTN truyền động điện: Phân loại theo mụch đích. Nếu căn cứ vào mục đích ta có thể phân ĐKTN thành ba loại sau: Hệ truyền động điện tối ưu theo tiêu chuẩn tối ưu định trước. Hệ truyền động điện điều chỉnh thích nghi bất biến đảm bảo đặc tính động theo yêu cầu mà không phụ thuộc vào nhiễu loạn phụ tải. Hệ truyền động điện điều chỉnh thích nghi tự học ( tự chỉnh ). Phân loại theo nhận dạng. Theo phương pháp nhận dạng có thể phân hệ truyền động điện điều chỉnh thích nghi thành ba loại : Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu hở, trong đó bộ tham số điều chỉnh được chỉnh định trực tiếp dựa trên việc đo tham số của hệ. Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu kín là hệ trong đó mạch nhận dạng sẽ thực hiện nhận dạng hệ qua việc so sánh đặc tính yêu cầu và thực tế cuả hệ, từ đó thực hiện điều khiển hệ. Hệ tự tìm kiếm trong đó sẽ tự phát hiện ảnh hưởng của sự thay đổi tính chất của bộ điều chỉnh lên đặc tính của hệ. Hệ điều khiển với mạch thích nghi kiểu hở yêu cầu nhiều thông tin hơn so với mạch thích nghi kiểu kín, nó tác động nhanh hơn và đảm bảo hệ ổn định nhưng nó chỉ bù được ảnh hưởng của các thông số đo được. Hệ ĐKTN với mạch thích nghi kiểu kín không yêu cầu nhiều thông tin nhưng khó đảm bảo hệ ổn định đặc biệt với hệ phi tuyến. Hệ tự tìm kiểm cần ít thông tin nhất nhưng thời gian nhận dạng lại kéo dài hơn. Phân loại theo tiêu chuẩn thích nghi. Theo tiêu chuẩn thích nghi ta chia điều khiển thích nghi thành hai loại: Hệ điều khiển đảm bảo giữ một vài đại lượng của hệ không thay đổi hoặc thay đổi theo một quy luật cho trước. Hệ ĐKTN với tiêu chuẩn cực trị. Hệ này thường là mạch thích nghi kiểu kín có thể đảm bảo giá trị cực tiểu của sai lệch mạch thích nghi e(t) từ nhiều tiêu chuẩn. Ví dụ: Q = e(t) ---> min Q = e2(t) ---> min ....... Hoặc có thể giữ gí tri cực trị của các tiêu chuẩn tích phân sai lệch Ví dụ: ........... V.Phương pháp điều khiển thích nghi. Có ba phương pháp điều khiển thích nghi hệ thích nghi. + Điều chỉnh hệ số khuếch đại. + Điều khiển theo mô hình mẫu. + Hệ tự chỉnh . 1.Phương pháp điều chỉnh hệ số khuếch đại. Trong một số trường hợp ta có thể tìm được các tham số của đối tượng m cá tham số này có liên quan đến sự thay đổi của quá trình động học của đối tượng và các tham số này có thể đo lường dễ dàng (thường là hệ số khuếch đại) .Những tham số này sau đó có thể được sử dụng để thay đổi thông số của bộ điều khiển. Phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển hệ số khuếch đại , bởi vì sơ đồ ban đầu được sử dụng để đo các giá trị của hệ số khuếch đại ở các thời điểm khác nhau, sau đó khi các hệ số khuếch đại của đối tượng bị thay đổi thì bộ khuếch đại sẽ bù lại sự thay đổi này theo các giá trị đo dược từ trước . Như vậy đây là sơ đồ xây dựng theo nguyên tắc của mạch phản hồi và bộ điều chỉnh có khả năng hiệu chỉnh thông số. Đặc điểm của kiểu này là có thể giảm sự biến thiên thông số. Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ số khuếch đại. Hệ thống có hai mạch vòng : Mạch vòng trong bao gồm đối tượng và bộ điều khiển, mạch vòng ngoài điều chỉnh các thông số bộ điều khiển trên cơ sở các điều kiện hoạt động khác nhau. Sự thay đổi hệ số khuếch đại được hiểu như phép ánh xạ từ các thông số của đối tượng đến các thông số của bộ điều khiển như là việc dò tìm trong một bảng. 2.Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC. Hình 1.5 :Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi theo mẫu mô hình mẫu Từ sơ đồ ta thấy hệ thống MRAC bao gồm bốn phần: Đối tượng (quá trình) chứa các thông số không biết và thay đổi , mô hình mẫu để xác định tín hiệu ra mong muốn của hệ điều khiển , luật điều khiển hồi tiếp chứa các thông số có thể điều chỉnh được và một cơ cấu thích nghi để cập nhật các thông số trên. Đối tượng được giả thiết là có cấu trúc xác định mặc dù các thông số là không xác định. Đối với các đối tượng tuyến tính điều này có nghĩa là số điểm cực và số điểm không giả thiết là biết nhưng không biết vị trí của chúng . Đối với các đối tượng phi tuyến điều này có nghĩa là cấu trúc của các phương trình động đã biết nhưng không biết các thông số. Mô hình mẫu được sử dụng để xác định đáp ứng lý tưởng của hệ thống điểu khiển thích nghi đối với các tín hiệu đặt điều khiển ngoài. Việc lựa chọn mô hình là một phần của việc thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi. Cơ cấu thích nghi được sử dụng để xác định đáp ứng lý tưởng của hẹ thống điều khiển thích nghi đối với các tín hiệu đặt điều khiển ngoài . Việc lựa chọn mô hình là một phần của việc thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi. Cơ cấu thích nghi được sử dụng để điều chỉnh các thông số theo luật điều khiển .Luật thích nghi tìm kiếm các thông số phù hợp để đáp ứng của đối tượng giống đáp ứng của mô hình mẫu với cùng tín hiệu điều khiển. Như vậy mục đích của hệ MRAC là xác định luật điều khiển sao cho khi cấu trúc và tính chất động học của đối tượng điều khiển thay đổi thi đặc tính ra của hệ cũng giống như của mô hình, có nghĩa là sai lệch giữ tín hiệu ra thực và tín hiệu ra của mô hình sẽ tiến đến không khi mô hình và đối tượng có cùng một tín hiệu vào. Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh. Hình 1.6: Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh. Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh là một bộ điều khiển kết hợp với một bộ đánh giá thông số trực tiếp. Bộ đánh giá thông số có nhiệm vụ tính tóan các thông số của đối tượng tại mỗi thời điểm dựa trên tín hiệu đầu ra y(t) thực của hệ thống và tín hiệu vào u(t) ở thới điểm trước đó. Thông số của bộ điều khiển sẽ được xác định từ giá trị mới của ( sau khi được đánh giá, tính toán ) được coi là thông số của đối tượng thực. Bộ điều khiển tạo ra tín hiệu u(t) mới và từ đó tạo ra tín hiệu y(t) mới. Quá trình lặp đi lặp lại cho đến khi các thông số bộ điều khiển phù hợp với tín hiệu vào, ra của hệ thống. Điều này khác với hệ MRAC, trong hệ MRAC các thông số được điều chỉnh để sai lệch giữa tín hiệu ra của mô hình mẫu và tín hiệu ra của đối tượng hội tụ về không. Hệ ĐKTN tự chỉnh quá trình thiết kế bộ đánh giá thông số tách rời với quá trình thiết kế luật thích nghi và không phụ thuộc vào việc chọn luật điều khiển. Đ 1.2 Vai trò của ĐKTN trong điều khiển hệ thống lớn I. Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển thích nghi. Từ lâu trong điều khiển truyền động điện các sử lý điều khiển để đạt được các yêu cầu cho trước thường dùng các mạch phản hồi là chính. các hệ điều khiển loại này còn tồn tại nhiều nhược điểm khồn thể khắc phục được khi nhiều yếu tố ảnh hưởng trong thực tế xẩy ra. Sự đòi hỏi hoàn thiện các hệ thống điền chỉnh có các hệ thống công nghệ cao đã đề ra nhiều phương pháp giải quyết. Trong đó co hệ điều khiển theo chương trình cho truyền động điện nhờ lý thuyết điền khiển thích nghi. Lý thuyết này đã ra đời từ lâu nhưng không thực thi do số lượng phép tính quá lớn. Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin, điện, điện tử cho phép giải quyết những phép tính đó, cho nên điều khiển thích nghi được áp dụng mạnh mẽ. Hệ thống điều khiển có khả năng thích nghi phải có ít nhất một mạch vòng phản hồi. Mạch vòng này hoạt động theo trạng thái của lượng ra và tác động của mạch vòng này cũng sẽ theo tiêu chuẩn IP của hệ thống điều khiển. Mạch vòng thích nghi nhờ cơ cấu thích nghi để điều khiển thông số của hệ thống điều chỉnh hoặc thay đổi đối tượng vào sao cho thích hợp để lượng ra có sai lệch nhỏ nhất. Hệ thống thích nghi có khả năng làm việc ổn định khi có nhiễu tác động vào hệ thống điều chỉnh trong một dải nào đó. Trong các hệ truyền động điện lớn, điều khiển thích nghi giữ vai trò quan trọng, nó đảm nhận được các chức năng sau đây: 1. Điều khiển cho các hệ truyền động. Yêu cầu chống biến thiên thông số và ổn định trong dải rộng. 2. Xác định đước các thông số tối ưu cho hệ truyền động tại các điểm làm việc khác nhau của hệ. 3. Dữ được chức năng của hệ thống điều khiển khi các thông số của đối tượng bị thay đổi. 4. Khả năng hoạt động nhanh nhạy, chính xác hơn diều khiển thông thường. 5. Khả năng chống nhiễu pha ( phát hiện các thay đổi thất thường của các thông số, từ đó tạo những thông số phù hợp nhờ các thuật toán của sự thích ứng ) II. Sự khác nhau giữa ĐKTN và điều khiển thông thường. Sơ đồ nguyên lý của hai hệ thống Hình 1.7: Hệ điều khiển thích nghi. Trong hệ điều khiển thông thường có một vòng điều khiển với mạch phản hồi nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các thông số và cấu trúc của bộ điều khiển không thay đổi được và được thiết kế theo thông số, cấu trúc của đối tượng đã biết trước. Do đó khi thông số hay cấu trúc của đối tượng bị thay đổi trong qúa trình hoạt động thì khi đó thông số và cấu trúc của bộ điều khiển không còn phù hợp nũa và hệ thống sẽ không đảm bảo yêu cầu về chất lượng. Hệ ĐKTN có thêm một mạch vòng thích nghi gồm các khối: Nhận dạng, tính toán và cơ cấu thích nghi. Do đó khi thông số hoặc cấu trúc của đối tượng bị thay đổi thì mạch vòng thích nghi sẽ tìm ra cho bộ điều khiển các thông số và cấu trúc phù hợp để đảm bảo các yêu cầu chất lượng của hệ thống theo một tiêu chuẩn xác định trước . Chính vì lý do này mà hệ điều khiển thích nghi co các ưu điểm mà hệ điều khiển thông thường ( không thích nghi ) không có. Đó chính là năm ưu điểm của hệ điều khiển thích nghi. III. Các bước để thiết kế bộ điều khiển thích nghi. Trong hệ điều khiển thích nghi do chưa biết các thông số của đối tượng điều khiển nên các thông số của bộ điều khiển phải được các luật thích nghi cập nhật. Do đó việc thíêt kế luật thích nghi sẽ bao gồm cả việc chọn luật thích nghi và chứng minh sự ổn định của hệ thống. Việc thiết kế luật thích nghi thường gồm các bước sau: + Chọn luật thích nghi có chứa các biến số. + Chọn luật thích nghi để điều chỉnh những thông số này. + Phân tích đặc tính hội tụ của hệ thống. IV. ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi. Hiện nay kỹ thuật điều khiển thích nghi đã được sử dụng có kết qủa trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt được ứng dụng ở lĩnh vực mà thông số của đối tượng biến thiên theo thời gian. Ví dụ: Xử lý các vật liệu thô trong các máy nghiền, máy trộn. Điều khiển lò sấy và xử lý nhiệt độ. Điều khiển lò xi măng. Điều khiển các hệ thống sản xuất hoá chất. Điều khiển các hệ thống sản xuất rượu, bia. Điều khiển tầu thuỷ. Điều khiển máy bay. Điều khiển các hệ thống năng lượng. Điều khiển các hệ thống vũ khí. Điều khiển các rô bốt công nghiệp ( tay may, người máy ). Các hệ thống điều khiển thích nghi này càng được sử dungh rộng rãi và có hiệu quả, nó góp phần vào: + Nâng cao chất lượng sản phẩm. + Nâng cao năng suất lao động. + Tiết kiệm điện năng. + Có thể phát hiệ sớm các sự cố hỏng hóc. + Giảm thời gian bảo dưỡng. + Luận chứng kinh tế vững chắc. Trong những năm gần đây các hệ thống điều khiểnthích nghi theo mô hình và các hệ tự chỉnh đã đạt được nhiều kết quả. Từ các luật điều khiển hiện đại đã cho ra nhiều hộ điều khiển theo chương trình cho các hệ thống truyền động điện. Đ 1.3 hệ ĐKTN có ứng dụng máy tính Trong hệ thống ĐKTN người ta phải dùng bộ điều khiển tự chỉnh có thể tự thay đổi thích nghi với sự biến đổi thông số của đối tượng do nhiễu tác động. Máy tính là một bộ điều khiển tự chỉnh lý tưởng vì nó cùng một lúc có thể thực hiện được nhiều chức năng như : Thu thập dữ liệu, đánh giá thông số cơ bản thích nghi, tính toán thông số tự chỉnh, đưa ra tín hiệu điều chỉnh hệ thống ... Phần lớn các đối tượng là hệ liên tục vì vậy khi dùng máy tính làm bộ điều khiển tự chỉnh ta phải có các bộ phận ghép nối. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển thích nghi có sử dụng máy tính được trình bầy như sau: Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống ĐKTN có ứng dụng máy tính Hình 1.9: Dạng thứ hai của sơ đồ nguyên lý. Trong sơ đồ : A/D và D/A là hai bộ biến đổi từ tín hiệu liên túcang tín hiệu rời rạc và ngược lại, nó đóng vai trò của một bộ ghép nối. Từ sơ đồ nguyên lý trên nếu thông số của đối tượng được gián đoạn hoá thành tín hiệu số thi sơ đồ nguyên lý của hệ có dạng như sau: Trong sơ đồ này đối tượng đã được gián đoạn hoá thành đối tượng số nhờ bộ biến đổi A/D . Bộ biến đổi D/A vẫn làm nhiệm vụ của bộ biến đổi tín hiệu số từ máy tính đưa sang u(k) thành tín hiệu liên tục u(t) đưa vào đối tượng. Trong sơ đồ các khối của nó vẫn giống các khối của sơ đồ trên nhưng chỉ thay đổi cách mắc để thuận lợi cho việc tổng hợp tín hiệu. Tín hiệu vào và tín hiệu ra đều dưới dạng tín hiệu số được tổng hợp với nhau rồi đưa trực tiếp vào máy tính. Tín hiệu ra của máy tính qua bộ biến đổi D/A sẽ được đưa vào điền khiển đối tượng hoàn toàn hoàn toàn tương tự sơ đồ trên. cồn bộ biến đổi A/D ở đây được mắc sau đối tượng với mục đích là gián đoạn hoá dối tượng thành tín hiệu rời rạc đẻ đưa vào máy tính. Phương pháp này có thuận lợi cho việc điều khiển máy tính vì nó cho phép tổng hợp trực tiếp dưới dạng đảo các thuật toán về điều khiển trên máy tính. Điều náy rất quan trọng khi các phần tử của hệ thống điếu khiển thích nghi là phi tuyến. Đ 1.4 Kết luận Tóm lại, phương pháp điều khiển thích nghi với các ưu điểm quan trọng của nó được sử dụng phù hợp trong các hệ thống điều chỉnh tự động lớn, thông số và cấu trúc của hệ biến thiên liên tục, yêu cầu chất lượng cao. Trong những năm gần đây, các phương pháp điều khiển thích nghi phát triển và hoàn thiện với tốc độ nhanh, đặc biệt các hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình và các hệ tự chỉnh đã đạt được nhiều kết quả. Từ các luật điều khiển hiện đại đã cho ra nhiều bộ điều khiển theo chương trình cho các hệ thống truyền động điện. Ngoài ra, điều khiển thích nghi ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. CHƯƠNGII hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Đ 2.1 giới thiệu chung I.Đặt vấn đề. Như đã biết, hệ điều khiển thích nghi có thể được thực hiện bằng các phương pháp : Điều chỉng hệ số khuếch đại, điều khiển theo mô hình mẫu, hệ tự chỉnh. Trong thực tế, có rất nhiều hệ thống điều khiển yêu cầu đặc tính ra của đối tượng trong khi có nhiễu tác động, luôn bán sát một đặc tính cho trước đã thoả mãn các yêu cầu về chất lượng .ví dụ : Các hệ điều khiển truyền động điện cho các máy hàn cắt gọt kim loại, các động cơ secvor truyền động cho tay máy, người máy ... Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu đáp ứng được yêu cầu đó . Để hiểu rõ về phương pháp điều khiển này, ta phân biệt : Hệ điều khiển theo mô hình mẫu và và hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. II.Hệ điều khiển theo mô hình mẫu. Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRC) xuất phát từ vấn đề bám sát mô hình mẫu hay điều khiển theo mô hình mẫu(MRC). Cấu trúc của sơ đồ điều khiển theo mô hình mẫu (MRC) cho hệ một đầu vào, một tín hiệu ra, liên tục và không thay đổi theo thời gian : Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển theo mô hình mẫu MRC. Trong hệ điều khiển theo mô hình mẫu, yêu cầu phải biết cấu trúc của đối tượng, các yêu cầu về đặc tính của đối tượng. Điều này cho phép người thiết kế có thể thiết kế được hệ thống có đặc tímh vào-ra giống đặc tính vào-ra của mô hình mẫu hay là đặc tính vào ra mong muốn của hệ kín. Mục đích của hệ MRAC là tìm ra luật điều khiển để thay dổi cấu trúc hoặc tham số củ hệ kín (bao gồm bộ điều khiển và đối tượng) để đặc tính vào-ra của hệ thống giống hệt đặc tính của mô hình mẫu. Hàm truyền Wm(p) của mô hình mẫu được thiết kế để với tín hiệu vào chuẩn r(t) thì tín hiệu ra của nó ym(t) có đặc tính mong muốn.Bộ điều khiển hồi tiếpC(qC*) được thiết kế để tất cả các tín hiệu bị giới hạn và hàm truyền hệ kín có tín hiệu vào là r(t) , tín hiệu ra la yS(t) sẽ bằng với Wm(p) hàm truyền của mô hình mẫu . Điều này đảm bảo với bất kỳ tín hiệu vào chuẩn r(t) thì sai lệch e(t giữa tín hiệu ra của đối tượng yS(t) với tín hiệu ra của mô hình mẫu ym(t) theo thời gian sẽ hội tụ về 0 . Sự bằng nhau về hàm truyền này có thể thực hiện bằng cách khử các điểm 0 của hàm truyền GS(p) và thay thế chúng bằng các điểm 0 của hàm truyền mô hình mẫu Wm(p) thông qua bộ điều khiển hồi tiếp.Sự khử các điểm 0 của đối tượng là một sự giới hạn lên đối tượng để có pha cực tiểu , do đó các điểm 0 ổn định. Nếu điểm 0 của đối tượng không ổn định thì sự khử này có thể dẫn đến các tín hiệu không hạn chế được . Để thiết kế được bộ điều khiển C(q*C) thì cần phải biết các hệ số của hàm truyền đối tượng GS(p) . Nếu gọi q* là vector chứa tất cả các hệ số của GS(p), khi đó ta có thể biểu diễn: GS(p) = GS(p, q*). Và vector tham số bộ điều khiển có thể tính tính theo phương trình: q*C = F(q*). III. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu. Trong phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MRC), nếu ta không biết q* thì ta không thể tính được q*C . Do đó phương pháp điều khiển theo mô hình mẫu (MRC) chỉ áp dụng được với đối tượng có thông số và cấu trúc biết trước và không thay đổi . Để giải quyết bài toán mà đối tượng có thông số và cấu trúc không biết trước hoặc thay đổi thì phương pháp điều khiển theo m,ô hình cần kết hợp với phương pháp điều khiển thích nghi để thay thế q*C trong luật điều khiển bằng vector thông số đánh giá qC . Từ đó ta có phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRC). Vector q(t) có thể thu được bằng phương pháp đánh giá trực tiếp hoặc phương pháp đánh giá gián tiếp , từ đó ta có thể chia phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu thành hai phương pháp : + Phương pháp diều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp. +Phương pháp diều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp. 1.Phương pháp MRAC trực tiếp. Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp. Trong phương pháp MRAC trực tiếp , thông số của bộ điều khiển qC(t), cần xác định theo yêu cầu về chất lượng của đối tượng điều khiển , được biểu diễn dưới dạng tham số trong mô hình đối tượng điều khiển : GS(p,q*) ---> GS(p,q*C). Tại mỗi thời điểm bộ đánh giá sẽ tính toán trực tiếp q*C(t), từ tín hiệu vào uS(t) và tín hiệu ra yS(t) của đối tượng điều khiển . Thông số q*C(t) sẽ được sử dụng để tính toán các thông số của bộ điều khiển qC(t). Tóm lại phương pháp MRAC trực tiếp vector qC(t) được điều chỉnh trực tiếp mà không phải qua quá trình đánh giá thông số của đối tượng thực . Như vậy vấn đề cơ bản của MRAC trực tiếp là chọn luật điều khiển C(qC(t)) và thuật toán của bộ đánh giá qC(t) sao cho thoả mãn yêu cầu chất lượng của hệ thống điều khiển . 2.Phương pháp MRAC gián tiếp . Trong phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp các thông số của đối tượng được nhận biết trong quá trình làm việc và được sử dụng để tính toán các thông số của bộ điều khiển. Sơ đồ: Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp. Trong phương pháp này mô hình đối tuợng được xây dựng với vector tham số q* chưa xác định nào đó . Tại mỗi thời thời điểm ứng với mỗi tín hiệu vào u(t) và tín hiệu ra yS(t) bộ đánh giá thông số làm việc sẽ chi ra giá trị q(t) ứng với q* và được coi là giá trị đúng của đối tượng tại thời điểm đó và sử dụng giá trị đó để tính toán các thông số bộ điều khiển qC(t) nhờ giải phương trình qC(t) = F(q(t)). Luật điều khiển C(qC(t)) được xây dựng ở mỗi thời điểm phải thoả mãn các chỉ tiêu của hệ thống ứng với mô hình đánh giá của đối tượng GS(p, q(t)). Như vậy vấn đề chính của MRAC gián tiếp là chọn luật điều khiển C(qC(t)) và bộ đánh giá các tham số q(t), cũng như phường trình qC(t) = F(q(t)) sao cho C(qC(t)) đáp ứng được các yêu cầu của mô hình đối tượng GS(q*) với q* chưa xác định. Ngoài cách phân loại theo phương pháp đánh giá thông số như trên, có thể phân loại các hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu với nhiều quan điểm khác như: + Dựa theo cấu trúc. + Theo tiêu chuẩn tối ưu. + Theo kiểu ứng dụng. + Theo kiểu thông số nhiễu. Chẳng hạn, theo quan điểm cấu trúc, các hệ thích nghi theo mô hình mẫu được phân chia thành ba loại sau: Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu nối tiếp Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu song song Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu song song và nối tiếp. a. Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu song song. Hình 2.4: Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu song song. b. Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu nối tiếp Hình 2.5: Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu nối tiếp. Hình 2.6: Hệ thống thích nghi có mô hình mẫu song song và nối tiếp. Đ 2.2 nguyên ký làm việc Cấu trúc cơ bản của hệ MRAC như sau : Hình 2.7 Cấu trúc của hệ thích nghi theo mô hình mẫu MRAC . Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu có thể coi như một hệ bám thích nghi , trong đó đặc tính mong muốn được tạo ra từ mô hình mẫu . Mô hình mẫu là một mô hình toán học được xây dượng dựa rên cơ sở các tiêu chuẩn chất lượng đặt trước. Trong trường hợp này, việc so sánh giữa tín hiệu đặt trước với tín hiệu đầu ra của hệ tối ưu, chính là so sánh giữa tín hiệu ra của mô hình mẫu với tín hiệu ra của quá trình. Mô hình được mô tả bởi phương trình : Xm = AmXm + BmU (2-1) Ym = C.Xm Hệ thống được mô tả bởi phương trình XS =AS(t).XS + BS(t).U (2-2) YS = C.XS Trong đó : Xm , XS : Là các vector trạng thái của mô hình mẫu và quá trình. Am , Bm : Là các ma trận hằng của mô hình mẫu. AS(t) , BS(t): Là các ma trận biến thiên theo thời gian do tác động của nhiễu bên ngoài hoặc bên trong hệ thống. Ym , YS :Là các vector tín hiệu của mô hình và của hệ thống. Sai lệch tín hiệu ra là : = Ym - YS = C.e (2-3) Trong đó : C: Là ma trận hàng C = [ 1 0 . . . 0 ] e =Xm – XS : Là sai số tổng quát (2-4) Tiêu chuẩn tối ưu ở đây có thể xem như một hàm : IP = F(e , C , t , aim , aiS) (2-5) Trong đó : aim , ais : Là các thông số của mô hình và của quá trình. Mục tiêu của cơ cấu thích nghi ở đây là điều chỉnh thông số nào đó sao cho hệ thống và mô hình có sai lệch nhỏ nhất, tức là đạt được: (2-6) và hệ thống ổn định Các luật thích nghi nhằm đạt được tiêu chuẩn trên dựa trên lý thuyết tối ưu. Điều khiển tối ưu là một chuyên ngành trong điều khiển tự động có vai trò xác định và tạo lập những luật điều khiển cho hệ thống để đạt được chỉ tiêu về tính hiệu quả đã được định trước dưới dạng ( phiếm ) hàm mục tiêu Q. Có hai phương pháp xây dựng cơ cấu điều chỉnh các tham số trong hệ thống điều khiển thích nghi là: Phương pháp tổng hợp luật điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ưu cục bộ và tổng hợp dựa trên cơ sở ổn định tuyệt đối. Phương pháp tổng hợp ĐKTN trên cơ sở lý thuyết tối ưu cục bộ. Nội dung phương pháp Trong bài toán điều khiển tối ưu tĩnh, người ta phát biểu: “ Tìm vector U*(t) tối ưu thuộc U sao cho hàm có giá trị nhỏ nhất “, tức là: (u*) £ (u) với (u) : Hàm mục tiêu. u : Miền tìm tín hiệu U : Tập con của u , gọi là miền các tín hiệu u(t) thích hợp hay miền U thích hợp, thường là các siêu diện. Trong nhiều trường hợp, vector tối ưu u* tìm được thoả mãn bất đẳng thức trên chỉ cho phép vector u thuộc một lân cận nào đó của u* , khi đó vector tín hiệu u*(t) gọi là vector tối ưu cục bộ Ta giả thiết để tổng hợp luật điều khiển trong trương hợp này, tại thời điểm t = t0 các thông số của quá trình biến thiên thông số và các thông số của mô hình mẫu có sai lệch nhất định nào đó. Am – aS(t0) = r (2-7) Bm – BS(t0) = x (2-8) Với vector sai số: e(t) = Xm – XS(t0) (2-9) Bài toán đặt ra là tìm luật điều khiển thích nghi để tìm cực tiểu của hàm: J = (2-10) ở đây L là hàm sai số e(t) và vi phân của chúng. Phương pháp Gradien là phương pháp cơ bản của lý thuyết này ( chỉ tiêu chất lượng được đánh giá theo cực tiểu của sai lệch tĩnh giữa đại lượng được điều khiển và trị số mong muốn là lượng chỉnh định. 2. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở ổn định tuyệt đối Trong phương pháp này, việc khảo sát hệ thống dựa trên cơ sở hệ đã ổn định. Xét hệ thống ổn định theo mô hình có cấu trúc sau Hình 2.9: Cấu trúc mô hình mẫu song song với hệ thống điều chỉnh . Mô hình mẫu được mô tả bởi phương trình vi phân: Ym = Am.Ym + Bm.Um (2-11) Đối tượng điều khiển được mô tả: YP = AP(e,t).YP + BP(e,t).UP (2-12) Trong đó e = Ym – Y B (2-13) Tín hiệu điều khiển đưa vào hệ thống được điều khiển theo phương pháp thích nghi thông số: UP = Km.Ym – KP.YP + KU.Um (2-14) với : YP : Là vector trạng thái của đối tuợng điều khiển bậc mx1. Ym : Là vector trạng thái của mô hình bâc nx1. Um : Là vector đại lượng vào mô hình bậc nx1. UP : Là vector đại lượng vào hệ thống được điều khiển bậc mx1. Am , Bm , AP , BP , Km , Ku : là các ma trận hằng, có bậc tương ứng Giả thiết : Các cặp ma trận [Am, Bm] và [AP, BP] là ổn định với Am là ma trận Hurwit. Cặp [AP, BP] có tính điều khiển. Bài toán tổng hợp hệ điều khiển hệ thích nghi được dặt ra ở đây là xác định các ma trận KU, Km sao cho cặp Am , AP , BP , Bm là các đại lượng trạng thái của mô hình. a.Phương pháp thích nghi thông số: Các ma trận KU(t), KP(t) cần thay đổi để bù đắp lại các biến thiên thông số của hệ thống cần điều khiển Hình 2.10: Phương pháp thích nghi thông số. b.Phương pháp tổng hợp tín hiệu bộ xung UP2(t) Tín hiệu bổ sung UP2(t) được đưa thêm vào tín hiệu điều khiển Hình 2.11: Phương pháp tổng hợp tín hiệu bổ xung Xét biể thức tín hiệu vào UP(t,e) = - KP(t,e).YP + KU(t,e).Um + Km.Ym (2.15) Đặt (2-16) (2-17) Với : : Là các ma trận hằng. : Là các thành phần biến thiên của KU, KP Tương tự đối với UP(t,e); UP(t,e) = UP1(t,e) + UP2(t,e) (2-18) Trong đó: (2-19) UP2(t,e) = DKP(t,e).YP - DKU(t,e).Um (2-20) Như vậy phương trình tín hiệu điều khiển vào ( 2-20) trở thành (2-21) Tín hiệu UP2(t,e) là tín hiệu bổ xung từ mạch vòng thích nghi, được tạo ra thế nào đó để có thể bù đắp được sự biến thiên của thông số, dẫn đến hệ thống bám chặt theo mô hình. Có nhiều luật thích nghi, nhưng theo ID. Landan ta có thể chọn luật thích nghi dưới dạng. (2-22) (2-23) Trong đó F1, F2 : Là các ma trận bậc m1xn y1, y2 : Là các ma trận bậc m1xm v: Là sai số tổng quát D: Là vector bù Tiếp theo ta phải xác định D, F1, F2 , y1, y2 để hệ ổn định tức là sao cho : (2-24) Với mọi YM(0), YP(0), AP, BP, KU(0) và mọi UM thuộc R0 Để giải quyết vấn đề này ta dựa trên cơ sở lý thuyết phản hồi và lý thuyết ổn định của Popov về ổn định tuyệt đối. Ta tìm được công thức (2-25) Giả thiết hệ thống thoả mẵn điều kiện Erzberger, ta có; (2-26) Trong đó KP0 và K0U là các giá trị KP và KU đảm bảo thực hiện điều kiện Erzberger. Vậy ta có: Am-AP = BP(Km-K0P ) Bm = BPK0U Thay vào phương trình (2-26) (2-27) Phương trình có dạng của hệ mạch phản hồi, ta có thể biến đổi tương đương: e = (Am – BPKm).e + BPW1 (2-28) với (2-29) v = D.e thay biểu thức của DKP(v,t), DKU(v,t) ta được: (2-30) Trong đó: DKP0 = DKP(0) – KP + KP0 (2-31) DKU0 = DKU(0) – KU + KU0 (2-32) 3. Kết luận. Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ưu cục bộ thường đơn giản, dễ áp dụng cho các hệ thống khác nhau, khi tính toán cần xác định đạo hàm nhạy cảm. Với các đối tượng không biết thông số cần áp dụng một vài phương pháp xấp xỉ. Tuy nhiên, luật điều khiển chỉ giới hạn ở miền biến thiên thông số hẹp, khó khảo sát vùng ổn định của hệ thống, hệ chỉ ổn định với các hệ số khuyếch đại nhỏ, đối với hệ bậc cao co khi không xác định được vùng ổn định. Tóm lại không thể đảm bảo hệ ổn định. Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở ổn định tuyệt đối luôn đảm bảo hệ ổn định, cấu trúc hệ đơn giản, vì không cần bộ lọc tín hiệu. Hệ cần điều khiển có khả năng bám chặt theo mô hình mẫu, tác động nhanh nâng cao tốc độ thích nghi. Kết luận Đề tài thiết kế tốt nghiệp với thời gian thực hiện trong vòng ba tháng đã thu được những kết quả tuy chưa hoàn hảo nhưng đã đi sâu nghiên cứu được các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập dùng hệ truyền động.Mô tả một cách tổng quát về chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc của bộ chỉnh lưu có điều khiển , các chế độ làm việc của hệ Thyristor- Động cơ đảo chiều . Các bộ điều khiển được thiết kế đều làm việc ổn định , độ quá điều chỉnh và sai lệch nhỏ. Qua các phần của đồ án tôi đã hoàn thành các yêu cầu của đề tài được giao với những kết quả nhất định như sau : 1. Nắm được một cách tổng quát về quy trình công nghệ , kết cấu của lò hồ quang và các yêu cầu đề ra cho bộ điều chỉnh công suất lò hồ quang . 2.Đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ và vị trí động cơ điện một chiều kích từ độc lập . 3.Thiết kế hệ thống điều khiển dịch điện cực lò hồ quang sử dụng hệ điều khiển Thyristor - Động cơ điện một chiều đạt được chất lượng cao thể hiện qua đặc tính quá độ tốc độ n (t) : với sai lệch tĩnh của hệ nhỏ hơn 5%,thời gian quá độ của hệ cũng rất ngắn khoảng từ (0.5 ¸ 1) s. 4.Nghiên cứu phần chuyên đề về hệ điều khiển thích nghi. Trong thời gian thiết kế và nghiên cứu phần chuyên đề về điều khiển thích nghi đồ án đã hoàn thành và đạt kết quả khả quan .Tuy nhiên do thời gian và kinh nghiệm thiết kế còn nhiều hạn chế nên bản đồ án này còn có những thiếu sót nhất định.Thành công của đồ án phải kể đến sự giúp đỡ , đóng góp ý kiến quý báu và sự động viên ủng hộ nhiệt tình của các thầy cô giáo bộ môn tự động hoá xí nghiệp công nghiệp.đặc biệt là thầy Th.S Võ Quang Vinh người đã trực tiếp hướng dẫn tôi, đã hết lòng ủng hộ và cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu, những kinh nghiệm làm việc bổ ích trong suốt thời gian làm đồ án. Một lần nữa tôi xin dành cho thầy những lời cảm ơn đặc biệt. Thái nguyên ,ngày 15 tháng 08 năm 2004. TàI liệu tham khảo [1]. Vũ Quang Hồi , Nguyễn Văn Chất , Nguyễn Thị Liên Anh. Trang bị đIện - đIện tử MÁY CÔNG NGHIỆP DÙNG CHUNG. Nhà xuất bản giáo dục - 1996. [2]. Pts.Võ Quang Lạp , Ths.Trần Xuân Minh. Kỹ THUậT BIếN ĐổI . ĐHKtCN.TN - 1998. [3]. PGS - PTS Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Chuyên,... kỹ thuật điện tử. Nhà xuất bản giáo dục - 1999. [4]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền. Truyền động đIện . Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật - 1994. [5]. Bùi Đình Tiếu, Phạm Duy Nhi. Cơ sở truyền động đIện tự động - Tập i Nhà xuất bản Đại học và trung học chuyên nghiệp. [6]. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn,Dương Văn Nghi. điều Chỉnh tự động truyền động đIện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật -1996. [7]. Phạm công Ngô. Lý thuyết điều khiển tự động. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật - 1994. [8]. Nguyễn Bính. đIện tử công suất. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật - 1994. [9].Cyril.lander- Người dịch: Lê Văn Doanh. đIện tử công suất và điều khiển động cơ đIện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật - 1994.