Nhận dạng thông số và điều khiển hệ biến tần động cơ bằng PLC

Nội dung text: Nhận dạng thông số và điều khiển hệ biến tần động cơ bằng PLC

1. NHẬN DẠNG THÔNG SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ BẰNG PLC Nguyễn Minh Tâm (1), Phẩm Duyệt Chi (2), (1) Trường ĐH SPKT TP Hồ Chí Minh, (2)Trường Cao Đẳng Nghề Long An phamduyetchi@gmai.com TÓM TẮT Bài báo giới thiệu phương pháp tìm hàm truyền cho hệ thống biến tần động cơ bằng mô hình ARX(auto regressive with external input)thông qua các dữ liệu thu thập bằng thực nghiệm. Từ hàm truyền này, tác giả dùng công cụ PID tune của Matlab xác định được các thông số Kp, Ti, Td. Sau khi tìm được các thông số này tiến hành mô phỏng và lập trình cho PLC Siemens S7-200 để điều khiển ổn định tốc độ động cơ thực tế. Kết quả cho thấy, vận tốc động cơ được ổn định tại giá trị đặt. ABSTRACT This article introduces a method to found the transfer function for motor inverter system with auto regressive with external input model (ARX) based on the datas collected by experiment. From this transfer function, the author used the PID tune function to determined Kp, Ti, Td parameters. After that, simulated on Matlab and programed for PLC with PID function in Siemens S7-200 PLC controller to stabilize the engine speed. The results, the speed of the engine was stable at setpoint value good. I. GIỚI THIỆU Trong sản xuất công nghiệp, việc dùng biến tần để điều khiển động cơ không đồng 3 pha ngày càng phổ biến, nhưng để ổn định tốc độ động cơ cần phải xây dựng giải thuật điều khiển. Để xây dựng giải thuật cần phải có các thông số của mô hình đối tượng. Có rất nhiều cách để xác định thông số này, trong đó có phương pháp ARX. Trong bài báo này, trình bày phương pháp nhận dạng mô hình hệ biến tần động cơ bằng ARX. Sau đó, tiến hành mô phỏng trên cơ sở mô hình vừa tìm được. Để xây dựng giải thuật điều khiển PID cho mô hình trên, tác giả sử dụng công cụ PID tune trong Matlab để xác định các thông số Kp, Ti, Td. Dùng matlab mô phỏng hệ với sự điều khiển của khối PID. Dùng thực nghiệm lập trình trên PLC S7-200 với các thông số Kp, Ti, Td để điều khiển hệ biến tần động cơ, so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy vận tốc động cơ ổn định tại giá trị đặt. II. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG BẰNG MÔ HÌNH ARX 2.1 Cấu trúc mô hình ARX: [1] e(t) Cho hệ thống có tín hiệu vào là Hệ thống u(t), tín hiệu ra y(t), tín hiệu u(t) y(t) nhiểu e(t) được mô tả như hình u (k) y (k) 2.1 hình 2. 1 Mô hình hệ thống ARX Giả sử ta thu được n mẩu dữ liệu có các tín hiệu vào và ra được liệt kê bởi tập hợp sau NTk ={u(1), u(2), u(3), u(k) , u(n); y(1), y(2), y(3), y(k) , y(n)} (2. 1) Trong đó: u (k): là giá trị tín hiệu đầu vào tại thời điểm thứ Tk, y (k): là giá trị tín hiệu đầu ra tại thời điểm thứ Tk 1
2. Tk: thời gian lấy mẩu NTk: tập hợp n giá trị khảo sát được trong từng khoảng thời gian Tk Yêu cầu cần nhận dạng mô hình toán của hệ thống. Cấu trúc mô hình sử dụng là phương trình vi sai tuyến tính đơn giản y(t)+a1y(t-1)+ .+ anay(t-na) = b1u(t-nk)+ +bnbu(t-nk-nb-1) (2. 2) hay b u(t nk) b u(t nk nb 1) y (t) 1 nb (2.3) a1y(t 1) aan y(t na) 2.2 Xây dựng hàm truyền hệ thống theo mô hình ARX 2.2.1 Mô hình thực nghiệm: Khảo sát hệ gồm biến tần và động cơ không đồng bộ ba pha có các thông số kỹ thuật như sau: Vin =220VAC , VREF =0V  10V Động cơ không đồng bộ ba pha có các giá trị định mức như sau: P=370W, /Y; U= 220/380V; I= 1.6/0.8 A; n= 1450 rpm; f=50Hz; cos = 0.8 Hình 2.1 Hệ biến tần – động cơ Các dữ liệu vào và ra thu thập được từ thực do thi v/n n rpm nghiệm được mô tả như đồ thị hình 2.2 1600 1400 Từ các giá trị thực nghiệm thu thập được và thể 1200 1000 hiện qua đồ thị với mối quan hệ giữa V/n. Dùng 800 Series1 công cụ ident trong Matlab, xác định được hàm 600 400 truyền hệ biến tần động cơ theo mô hình ARX : 200 0 V ref B(q) 0.6588 0 2 4 6 8 10 12 W (s) W (s) A(q) 1 1.321s 1 0.2091s 2 0.1187s 3 (2. 4) Hình 2.2 Đồ thị quan hệ Vref (V)/n ( rpm) 2.2.2 Xây dựng mô hình hệ thống từ hàm truyền. Sử dụng công cụ simulink của Matlab thiết kế cho hàm truyền trên (2.4) cho ra mô hình vòng hở (hình 2.3) Hình 2.3 Mô hình hệ thống từ hàm truyền Từ mô hình hệ thống (Hình 2.3) xây dựng mô hình vòng kín với sự tham gia điều khiển của PID. 2
3. Hình 2.4 Mô hình hệ thống vòng kín có điều khiển bằng PID Từ mô hình này, dùng công cụ PID tune xác định được các thông số: Kp = 0.0248; TI = 0.00038; TD = -0.5685 Dùng Matlab mô phỏng mô hình (hình 2.4) với các thông số vừa tìm được. So sánh đáp ứng ngã ra của hàm truyền bằng mô phỏng với đáp ứng ngã ra từ thực nghiệm khi khảo sát với hàm step. n(rpm) 1600 1400 1200 1000 800 Series2 600 400 200 0 t(ms) 0 200 400 600 800 1000 hình 2.5a.Đáp ứng ngã ra hàm truyền bằng Matlab hình 2.5b.Đáp ứng ngã ra hệ thống thực tế Đáp ứng của hàm truyền có sự hổ trợ của khâu PID cho thấy đáp ứng tương đồng với đáp ứng khảo sát thực tế, nhưng có độ vọt lố thấp hơn và thời gian ổn định nhanh hơn. Sự khác nhau là do sai số làm tròn và không thể xác định chính xác được bằng thủ công. Đồ thị (hình 2.5a) có đáp ứng tốt hơn nhờ sự hổ trợ của khâu PID. Đồ thị hàm truyền đáp ứng đạt tỷ lệ 98% sau 300ms. Đáp ứng quá độ dao động tắt dần và ngưng dao động sau 300 ms tương ứng với động cơ đạt tốc độ ổn định. Trong khi đó đáp ứng thực tế (hình 2.5b) có dao động tắt dần và tỉ lệ ổn định sau 400ms. Vì vậy, ta cần bộ PID để điều khiển cho mô hình thực nghiệm. III. KẾTQUẢ KIỂM CHỨNG THỰC TẾ KHI CÓ PID 3.1 So sánh kết quả mô phỏng bằng Matlab và thực nghiệm 3.1.1 Kết quả đạt được khi động cơ không tải Khảo sát trên thực tế, khi cài đặt giá trị điện áp điều kiển là 6.144 V động cơ làm việc tại tần số 30 Hz, tốc độ đạt 915 rpm ổn định tại giá trị đặt (hình 3.1b) 3
4. Đồ thị tốc độ động cơ điều khiển bằng PID thực tế 1200 1100 n n (rpm) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 t (ms) hình 3.1a Đồ thị mô phỏng tốc độ hình 3.1b Đồ thị tốc độ động cơ động cơ bằng matlab điều khiển thực tế So sánh hai đồ thị (3.1a) và (3.1b) cho th ấy có sự tương đồ ng với nhau nhưng thời gian ổn định trên thực tế chậm hơn do tác độ ng nhi ễu. bằng PID thực 3.3.2. Kết quả đạt được khi động cơ mang tải tế Đồ thị tốc độ động cơ có điều khiển bằng PID thực tế có tải 1100 n n (rpm) 1000 900 800 700 Cấp 600 tải vào 500 động Cấp tải 400 cơ vào, nhẹ 300 hơn 200 Nhả tải ra 100 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000 t (ms) Hình 3.3 Đồ thị tốc độ động cơ điều khiển bằng PID thực tế có tải Ở trường hợp này, khi cho động cơ mang tải, tốc độ động cơ bị giảm xuống, lúc này áp điều khiển tăng làm cho tốc độ đông cơ tăng lên và dần đạt đến trạng thái ổn định Khi nhả tải ra tốc độ động cơ tăng, áp điều khiển giảm làm giảm tốc độ. Kết quả là động cơ vẫn giữ được tốc độ ổn định IV KẾT LUẬN Ở đề tài này, tác giả đã thực hiện thành công việc tìm hàm truyền đạt theo nguyên lý điều khiển của bộ PID, xác định được các thông số KP, TI, TD . Từ các thông số này, tác giả đã mô phỏng và tìm được giải thuật cho bộ điều khiển PID trong PLC để ổn định tốc độ động cơ. Kết quả là vận tốc động cơ ổn định tại giá trị đặt. Khi tải thay đổi tốc độ động cơ vẫn được giữ ổn định. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. PGS -TS Huỳnh Thái Hoàng Kỹ Thuật Nhận Dạng Mô Hình Có Tham Số ,Đh Bách khoa tp HCM 2. Điều khiển quá trình - PGS_TS Hoàng Minh Sơn Đh Bách khoa Hà Nội Tiếng Anh 4. Micromaster M420 Operating Instructions- SIEMENS. 5. Catalog S7-200 SIEMENS - SIEMENS guide 4
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.