thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và điều chỉnh tốc độ của máy mài

Đồ án môn học Trang bị điện
MỤC LỤC
Mục lục…………………………………………………………………1
Lời nói đầu…………………………………………………………… 3
Chương 1. Tổng quan về công nghệ trên máy mài…………………….4
1.1. Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ………………………… 4
1.1.1. Phân loại máy mài………………………………………… 4
1.1.2. Giới thiệu một số loại máy mài và đặc điểm công nghệ……5
1.2. Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài…….6
1.2.1. Hệ truyền động điện……………………………………… 6
a) Truyền động chính……………………………………… 6
b) Truyền động ăn dao……………………………………….6
c) Truyền động phụ………………………………………… 7
1.2.2. Trang bị điện ……………………………………………… 7
Chương 2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và
điều chỉnh tốc độ của máy mài………………………………………… 8
2.1. Đặt vấn đề……………………………………………………… …8
2.1.1. Khái niệm chung…………………………………………….8
2.1.2. Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi……………… 9
2.1.3. Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi…………………… 9
2.1.4. Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC … 9
a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu MRAC……………… 10
b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient…….11
2.2. Nhận dạng hệ thống……………………………………………… 14
2.3. Thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy mài…………… 17
2.3.1. Thuật giải……………………………………………………17
2.3.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển…………………… 20
a) Khối đối tượng ………………………………………… 21
b) Khối mô hình mẫu………………………………………….21
c) Khối luật điều khiển………………………… … …… 21
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 1

Đồ án môn học Trang bị điện
d) Khối hiệu chỉnh hệ số…………………………………… 21
2.3.3. Điều kiện hoạt động ổn định của hệ thống………………….22
a) Giới hạn của tích số……………………………………… 22
b) Hệ thống chịu nhiễu tác động…………………………… 22
2.3.4. Kết quả mô phỏng………………………………………… 23
2.4. Nhận xét……………………………………………………………24
Chương 3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp………………… 25
3.1. Sơ đồ điều khiển máy mài………………………………………….25
3.2. Nguyên lý làm việc…………………….………………………… 27
Kết luận……………………………………………………………… 29
Tài liệu tham khảo…………………………………………………….30
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 2
Đồ án môn học Trang bị điện
LỜI NÓI ĐẦU
Đã từ rất lâu, loài người đã biết sử dụng các dụng cụ để phục vụ cho
cuộc sống của mình. Nhất là khi mà các dụng cụ vẫn còn thô sơ: giáo
mác, dao kiếm thì con người đã biết đến kĩ thuật mài (bằng tay). Bởi vậy
kĩ thuật mài đã ra đời từ rất lâu trong lịch sử phát triển của loài người.
Ngày nay, kĩ thuật mài vẫn còn vô cùng quan trọng trong cuộc sống của
con người.
Cùng với sự phát triển của điện, điện tử, công nghệ mài đã phát triển
đến một trình độ rất cao, con người đã sử dụng máy móc để mài thay cho
mình: con người đã có thể mài được nhiều vật thể cứng như kim cương,
thủy tinh; mài được những mặt phẳng gần như tuyệt đối. Để mài được
những vật thể cứng và gần như phẳng tuyệt đối như vậy đòi hỏi phải có
một công nghệ cực cao và thật hiện đại. Trong bài viết này, em xin đề cập
đến công nghệ mài trong công nghiệp.
Những máy mài này dùng để phục vụ trong công nghiệp, dùng để
mài những vật thể, chi tiết máy bằng những vật liệu không cứng như:

Kim cương và bề mặt được mài không đòi hỏi có độ phẳng tuyệt đối. Tuy
vậy, công nghệ được trang bị cho những máy này cũng rất hiện đại và
không kém phần quan trọng vì tất cả máy này đang trực tiếp phục vụ cho
nền công nghiệp đang phát triển với tốc độ rất cao của con người.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS. HOÀNG XUÂN BÌNH
đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên
Nguyễn Hà Giang
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 3
Đồ án môn học Trang bị điện
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRÊN MÁY
MÀI
1.1. Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ
1.1.1. Phân loại máy mài
Máy mài được chia làm hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng.
Ngoài ra còn có các máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy
mài cắt, máy mài răng…Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên
đó kẹp chi tiết ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt
trên bệ máy. Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1.1.
Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn công nghệ máy mài.
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 4
Đồ án môn học Trang bị điện
1.1.2. Giới thiệu một vài loại máy mài và đặc điểm công nghệ
a) Máy mài tròn
Có hai loại:
• Máy mài tròn ngoài (hình 1.1 a)
• Máy mài tròn trong (hình 1.1 b)
Trên máy mài tròn:
• Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài.
• Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục

(ăn dao ngang) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng).
• Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết.
b) Máy mài phẳng
Có hai loại:
• Mài bằng biên đá (hình 1.1 c)
• Mài bằng mặt đầu (hình 1.1 d)
- Chi tiết được kẹp trên bàn máy tròn hoặc chữ nhật. Ở máy mài bằng
biên đá, đá mài quay tròn và chuyển động tịnh tiến ngang so với chi tiết,
bàn máy mang chi tiết chuyển động tịnh tiến qua lại:
• Chuyển động quay của đá là chuyển động chính.
• Chuyển động ăn dao là di chuyển của đá (ăn dao ngang) hoặc
chuyển động của chi tiết (ăn dao dọc).
- Ở máy mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật:
• Chuyển động quay của đá là chuyển động chính.
• Chuyển động ăn dao là di chuyển ngang của đá (ăn dao ngang)
hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn mang chi tiết (ăn dao
dọc).
Một tham số quan trọng của chế độ mài là tốc độ cắt ( m/s):
v=0,5.d.
ω
đ
. 10
-3
, [ m/s] (1.1)
Trong đó:
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 5
Đồ án môn học Trang bị điện
d - đường kính đá mài, [mm]
w
đ

- tốc độ quay của đá mài, [rad/s].
Thông thường v=30
÷
50 m/s.
1.2. Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài
1.2.1. Hệ truyền động điện
a) Truyền đông chính
- Thông thường máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, nên sử dụng động
cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc
độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi,
thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D =
(2 ÷ 4/1) với công suất không đổi.
- Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 80 m/s nên đá mài có đường kính
lớn thì tốc độ quay đá khoảng 1000vg/ph. Ở những máy có đường kính
nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biêt, đá
mài gắn trên trục động cơ, động cơ có tốc độ (24000 ÷ 48000) vg/ph,
hoặc có thể lên tới (150000 ÷ 200000) vg/ph. Nguồn của động cơ là các
bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT quay) hoặc là các bộ
biến tần tĩnh bằng Thyristor.
- Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 ÷ 20% momen định
mức. Mô men quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn: 500 ÷ 600%
momen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay
đá. Không yêu cầu đảo chiều quay đá.
b) Truyền động ăn dao
+) Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ
không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực) với D = (2 ÷ 4)/1.
Ở các máy lớn thì dùng hệ thống biến đổi - động cơ một chiều (BBĐ-
ĐM), hệ KĐT – ĐM có D = 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng.
Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ-
ĐM với D = (20 ÷ 25)/1. Truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực.

Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 6
Đồ án môn học Trang bị điện
+) Máy mài phẳng: Truyền động ăn dao của ụ đá thực hiện lặp lại nhiều
chu kỳ, sử dụng thuỷ lực. Truyền động ăn dao tịnh tiến qua lại của bàn
dùng hệ truyền động một chiều với phạm vi điều chỉnh tốc độ D = (8 ÷
10):1
c) Truyền động phụ trong máy mài và truyền động ăn di chuyển nhanh
đầu mài, bơm dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát thường dùng
hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.
1.2.2. Trang bị điện
- Mạch điều khiển đảm bảo bảo vệ thông thường và các bảo vệ đặc trưng
của công nghệ mài.
- Có các chế độ làm việc khác nhau
- Hệ thống điều khiển gia công chính xác phụ thuộc vào bộ điều khiển
của các hệ truyền động điện
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 7
Đồ án môn học Trang bị điện
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHUYỂN ĐỘNG Ụ TRỤC CHÍNH VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC
ĐỘ CỦA MÁY MÀI
2.1. Đặt vấn đề
2.1.1. Khái niệm chung
“Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác động
điều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc
với mục đích đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu
lượng thông tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi”
Hay:
“Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉnh
định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì
ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình

được điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian”.
Hệ thống được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:
(1) Vòng hồi tiếp thông thường (Feedback)
(2) Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi (Adaptation)
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 8
Đồ án môn học Trang bị điện
2.1.2. Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi
Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:
- Hệ thích nghi mô hình tham chiếu ( MRAC )
- Bộ tự chỉnh định ( STR )
- Lịch trình độ lợi
- Hệ tự học
- Hệ tự tổ chức
2.1.3. Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi
Hệ điều khiển thích nghi có các ứng dụng như sau:
• Tự chỉnh định
• Lịch trình độ lợi
• Thích nghi liên tục
Hình 2.1. Sơ đồ các ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 9
Đồ án môn học Trang bị điện
2.1.4. Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC
a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu - MRAC (Model Reference
Adaptive Control)
Hệ thống thích nghi sử dụng mô hình chuẩn là một trong những
phương pháp chính của điều khiển thích nghi. Nguyên lí cơ bản như sau:
Hình 2.2. Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
Mô hình chuẩn sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệu
đặt (yêu cầu). Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đối
tượng và bộ điều khiển. Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và

của mô hình chuẩn e = y - y
m
. Bộ điều khiển có thông số thay đổi dựa vào
sai số này. Hệ thống có hai vòng hồi tiếp:hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp
thông thường và vòng hồi tiếp bên ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi
tiếp bên trong. Vòng hồi tiếp bên trong được giả sử là nhanh hơn vòng
hồi tiếp bên ngoài.
Hình trên là mô hình MRAC đầu tiên được đề nghị bởi Whitaker
vào năm 1958 với hai ý tưởng mới được đưa ra: Trước hết sự thực hiện
của hệ thống được xác định bởi một mô hình, thứ hai là sai số của bộ điều
khiển được chỉnh bởi sai số giữa mô hình chuẩn và hệ thống. Mô hình
chuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau đó được
mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễu ngẫu nhiên
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 10
Đồ án môn học Trang bị điện
b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient
Có ba phương pháp cơ bản để phân tích và thiết kế hệ MRAC :
1. Phương pháp tiếp cận Gradient
2. Hàm Lyapunov
3. Lý thuyết bị động
Ở đây em xin đề cập đến phương pháp tiếp cận Gradient:
Phương pháp Gradient được dùng bởi Whitaker đầu tiên cho hệ
MRAC. Phương pháp này dựa vào giả sử tham số của bộ hiệu chỉnh thay
đổi chậm hơn các biến khác của hệ thống. Giả sử này thừa nhận có sự ổn
định giả cần thiết cho việc tính toán độ nhạy và cho cơ cấu hiệu chỉnh
thích nghi. Phương pháp tiếp cận gradient không cho kết quả cần thiết
cho hệ thống kín ổn định. Bộ quan sát được đưa ra để áp dụng lý thuyết
ổn định Lyapunov và lí thuyết bị động được dùng để bổ sung cho cơ cấu
thích nghi.
Đối với hệ thống có tham số điều chỉnh được như trong hình 2.3,

phương pháp thích nghi sử dụng mô hình chuẩn cho một cách hiệu chỉnh
tham số tổng quát để có được hàm truyền hệ thống vòng kín gần với mô
hình. Đây gọi là vấn đề mô hình kèm theo. Một câu hỏi đặt ra là chúng ta
làm cho sai lệch nhỏ như thế nào, điều này phụ thuộc bởi mô hình, hệ
thống và tín hiệu đặt. Nếu có thể làm cho sai số bằng 0 đối với mọi tín
hiệu yêu cầu thì gọi là mô hình kèm theo hoàn hảo.
+) Mô hình kèm theo
Vấn đề mô hình kèm theo có thể được giải quyết bằng thiết kế phân số
cực. Mô hình kèm theo là cách đơn giản để thiết lập hay giải một vấn đề
điều khiển tuỳ động. Mô hình sử dụng có thể là tuyến tính hay phi tuyến.
Các tham số trong hệ thống được hiệu chỉnh để có được y càng gần với
y
m
càng tốt đối với một tập các tín hiệu vào. Phương pháp thích nghi là
một công cụ thiết kế hệ MRAC. Mặc dù mô hình kèm theo hoàn hảo chỉ
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 11
Đồ án môn học Trang bị điện
có thể đạt được trong điều kiện lý tưởng nhưng phân tích trường hợp này
sẽ cho hiểu biết sâu sắc vào vấn đề thiết kế.
Xét hệ 1 đầu vào, 1 đầu ra có thể là liên tục hay rời rạc có phương trình:
y(t) =
)(tu
A
B
(2.1)
với u là tín hiệu điều khiển, y là ngõ ra. Kí hiệu A, B là những đa thức
theo biến S hay Z. Giả sử bậc của A ≥ bậc của B nghĩa là hệ thống là hợp
thức (đối với hệ liên tục) và nhân quả đối với hệ rời rạc. Giả sử hệ số bậc
cao nhất của A là 1.Tìm bộ điều khiển sao cho quan hệ giữa tín hiệu đặt
u

c
và tín hiệu ra mong muốn y
m
được cho bởi :

)(tu
A
B
y
c
m
m
m
=
(2.2)
Với Am, Bm cũng là những đa thức theo biến S hoặc Z.
Luật điều khiển tổng quát được cho bởi :
Ru=Tu
C
- Sy (2.3)
với R, S, T là các đa thức. Luật điều khiển này được xem như vừa có
thành phần hồi tiếp âm với hàm truyền -S/R và thành phần nuôi tiến với
hàm truyền T/R.
Hình 2.3. Hệ vòng kín với bộ điều khiển tuyến tính tổng quát
Khử u ở 2 phương trình (2.2) và (2.3) được phương trình sau cho hệ
thống vòng kín:

c
BTuyBSAR =+ )(
(2.4)

Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 12
Đồ án môn học Trang bị điện
Để đạt được đáp ứng vòng kín mong muốn, thì AR + BS phải chia hết cho
A
m
, các zero của đối tượng, khi cho B = 0, sẽ là zero của hệ kín nếu
không bị khử bởi cực vòng kín.
Bởi vì các điểm zero không ổn định không thể bị khử nên có thể phân
tích thành B = B
+
B
-
, trong đó B
+
chứa những thành phần có thể khử đi, B
-
là thành phần còn lại.
Theo phương trình (2.4) AR + BS là đa thức đặc trưng của hệ thống được
phân tích thành ba thành phần : khử zero của đối tượng:B
+
; cực mong
muốn của mô hình được cho bởi A
m
; các cực của bộ quan sát A
0
. Vì thế :
AR + BS = B
+
A
0

A
m
gọi là phương trình Diophantine ( hay là phương trình nhận dạng
Benzout). Vì B
+
có thể khử nên :
(2.6)
Chia phương trình (2.5) cho B
+
sẽ được:
A .R
1
+ B
-
.S = A
0
A
m
(2.7)
Vì yêu cầu là phải giống đáp ứng mong muốn nên tử số (3.4) phải chia
hết cho B
m
, nếu không thì sẽ không có lời giải cho bài toán thiết kế. Vì
vậy :
B
m
= B
-
.B
’

m
(2.8)
T = A
0
B
’
m
Điều kiện để đảm bảo tồn tại lời giải là :
bậc( A
0
)


≥
2 bậc(A) - bậc( A
m
) - bậc(B
+
) - 1
bậc( A
m
) - bậc (B
m
)
≥
bậc( A) - bậc(B)
Giả sử tất cả các zero đều bị khử, khi đó có thể viết lại như sau :
A
0
A

m
= AR
1
+ b
0
S
Nhân 2 vế cho y và dùng thêm phương trình (2.5) ta được:
A
0.
A
m
.y = BR
1
u + b
0
Sy
= b
0
(Ru + Sy) (2.9)
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 13
1
RBR
+
=
Đồ án môn học Trang bị điện
Các thông số ở vế trái đã biết, vế phải chưa biết. Đa thức T có được trực
tiếp từ phương trình (2.8). Các tham số mô hình của phương trình (2.9)
bây giờ có thể được dùng để ước lượng các tham số chưa biết của bộ điều
khiển.
+) Hệ tuyến tính tổng quát

Hệ SISO được mô tả bởi phương trình sau:
Ay = Bu
Với đặc tính hệ thống mong muốn đạt được là:
A
m
y
m
= B
m
u
c
Bộ điều khiển:
Ru = Tu
c
- Sy (*)
Hệ vòng kín được mô tả:
C
u
BSAR
BT
y
+
=
Thay y vào (*) ta tính được:
C
u
BSAR
AT
u
+

=
Sai số là: e = y - y
m
2.2. Nhận dạng hệ thống
Đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều DC có các thông
số sau đây:
• Hằng số mô men : K
t
= 5.76 (Nm/A)
• Hằng số điện áp : K
b
= 0.6 (V/rpm)
• Hằng số ma sát : Bf = 0.15 (Nm/rpm)
• Điện trở phần ứng : R
A
= 2.7 (
Ω
)
• Điện cảm phần ứng : L
A
=1.1(mH)
• Quán tính trục động cơ : J=81.6.10
-3
(kgm
2
)
Khối công suất có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển
(0~5VDC) biến đổi thành (0~24VDC) cấp cho động cơ.
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 14
Đồ án môn học Trang bị điện

Các bộ điều khiển dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ được tổng hợp
trên máy tính, hay nói chính xác hơn thì Ri và Rw là các thuật toán điều
khiển được cài đặt trên thiết bị tính toán (máy tính, vi xử lý, vi điều
khiển).
Ngoài ra còn có các cảm biến phản hồi dòng phần ứng và tốc độ động cơ.
Ta có hệ phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều trên miền ảnh Laplace
như sau :
ω
ω
.
.
.
).(
.
1
bA
Atm
f
Le
AA
AA
A
Ke
iKM
BsJ
TT
eu
sLR
i
=

=
+
−
=
−
+
=
Đối tượng động cơ DC SERVO có cấu trúc như hình 2.1

Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc động cơ
Hàm truyền của đối tượng được tính như sau :
G1(s) =
RAsLA +.
1
.Kt.
BfsJ +.
1
=
BfRAsJRABfLAsJLA
Kt
.) (
2
+++
G2(s) =
KbG
G
.11
1
+
=

KbKtBfRAsJRABfLAsJLA
Kt
) (
2
++++
Hàm truyền đạt đối tượng :
G
DC
(s) =
KbKtBfRAsJRABfLAsJLA
KtKKcl
) (

2
++++
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 15
Đồ án môn học Trang bị điện
=
JLA
KbKtBfRA
s
JLA
JRABfLA
s
JLA
KtKKcl
.

.

.

2
+
+
+
+
Đặt b1 =
JLA
KtKKcl
.

a1 =
JLA
JRABfLA
.
+
a2 =
JLA
KbKtBfRA
.
+
Hàm truyền đối tượng có dạng :
G
DC
(s) =
2.1
1
2
asas

b
++
=
)(
)(
sA
sB
Vấn đề đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển tốc độ (bỏ qua mạch
vòng dòng điện) động cơ có hàm truyền như trên. Để thiết kế 1 bộ điều
khiển tốc độ thông thường có rất nhiều các phương pháp khác nhau. Ta
thường gặp nhiều khó khăn khi phải thiết kế bằng tay 1 bộ điều khiển cho
đối tượng để nhằm đạt được các đáp ứng như mong muốn. Nhưng với
phần mềm Matlab thì việc thiết kế bộ điều khiển mà điển hình là bộ PID
khiến cho việc thiết kế trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, các tham số của động cơ có
thể bị thay đổi. Hoặc với 1 bộ điều khiển PID thường như vậy chỉ có thể
điều khiển được 1 đối tượng cố định chuẩn, nếu thay đổi đối tượng thì bộ
điều khiển PID thường không còn có mang tính chính xác. Bộ điều khiển
thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC có thể giải quyết vấn đề này.
Phương pháp thiết kế được chọn là phương pháp tiếp cận Gradient.
2.3. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho máy mài
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 16
Đồ án môn học Trang bị điện
Hình 2.5. Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
Trong đó ta có:
• U
C
là tín hiệu đặt (tốc độ đặt)
• y
m

là đầu ra tín hiệu đặt qua mô hình mẫu
• y là tín hiệu ra (tốc độ)
2.3.1. Thuật giải
Hàm truyền đạt vòng hở của quá trình :
G
DC
(s) =
2.1
1
2
asas
b
++
=
)(
)(
sU
sN
(2.10)
⇔
(s
2
+ a1.s + a2).N(s) = b1.U(s)
⇒
(p
2
+ a1.p + a2).n = b1.u (2.11)
Trong đó p là toán tử vi phân
dt
d

Luật điều khiển: u = k.(n
*
- n) (2.12)
Trong đó:
• k: hệ số tỉ lệ
• n*: tốc độ đặt
• n: tốc độ thực
Thay (2.12) vào (2.11) ta được :
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 17
u
y
u
c
Mô hình
Mô hình
Cơ cấu hiệu chỉnh
Cơ cấu hiệu chỉnh
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển
Đối tượng
Đối tượng
Tham số điều khiển
y
m
Đồ án môn học Trang bị điện
⇒
(p
2
+ a1.p + a2).n = b1.k.(n
*

- n)
⇔
(p
2
+ a1.p + a2 + b1.k).n = b1.k.n
*
(2.13)
⇔
n =
kbapap
kb
.12.1
.1
2
+++
.n
*
(2.14)
Sai số của hệ thống vòng kín :
e = n - n
*
=
)1
.12.1
.1
(
2
−
+++ kbapap
kb

. n
*
(2.15)
Từ phương trình (2.15) suy ra độ nhạy của sai số theo hệ số tỉ lệ k :
k
e
∂
∂
=
22
2
).12.1(
.1.1).12.1.(1
kbapap
kbbkbapapb
+++
−+++
.n
*
⇔

k
e
∂
∂
=
22
2
).12.1(
)2.1.(1

kbapap
apapb
+++
++
.n
*
(2.16)
Do đó, theo luật MIT, luật cập nhật hệ số tỉ lệ k có dạng:
dt
dk
= -
γ
.e.
k
e
∂
∂
= -
γ
(n - n
*
).






+++
++

*
22
2
.n
).12.1(
)2.1.(1
kbapap
apapb
(2.17)
Phương trình (2.17) không thể sử dụng trực tiếp để cập nhật hệ số
tỉ lệ k của bộ điều khiển được do các thông số động cơ thay đổi dẫn đến
hàm truyền đối tượng lúc này cũng thay đổi. Do đó phải sử dụng phép
xấp xỉ để loại bỏ đi thông số chưa biết này.
Đối với động cơ DC servo, đặc tính tốc độ của động cơ đạt theo 1
chỉ tiêu mong muốn nào đó nghĩa là tín hiệu tốc độ đặt đạt mong muốn
trong thời gian xác lập nhất đinh t giây(t = 1
÷
3s), độ quá điều chỉnh
không quá 4.3%,… Như vậy cần phải chỉnh định đặc tính động cơ theo 1
mô hình mẫu nhất định. Điều cần chú ý trong quá tình tìm kiếm hàm
truyền mô hình mẫu đó là :
G
m
=
)(
)(
sA
sB
m
m

với điều kiện là :
- Bậc (A
m
) = bậc (A)
- Bậc (B
m
) = bậc (B)
Hàm truyền đạt mong muốn của hệ thống vòng kín :
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 18
Đồ án môn học Trang bị điện
G
m
(s) =
)(
)(
*
sN
sN
m
=
2.1
1
2
amsams
bm
++
⇔
(s
2
+ am1.s + am2).N

m
(s) = N
*
(s).bm1
⇔
(p
2
+am1.p + am2).n
m
= n
*
.bm1 (2.18)
⇔
n
m
=
2.1
1
2
ampamp
bm
++
.n
*
(2.19)
Khi hàm truyền đạt của hệ thống đạt tới hàm truyền mong muốn thì
phương trình (2.13) sẽ đạt tới phương trình (2.18)
⇔
(p
2

+am1.p + am2).n
m
= n
*
.bm1
Tương đương với (p
2
+ a1.p + a2 + b1.k).n = b1.k.n
*
Khi đó ta có điều kiện :
a1 am1
=



=
+=
b1.k bm1
b1.ka2 am2
⇒
k = (bm1 + am2 –a2)/(2.b1)
Hay b1.k = (bm1 + am2 - a2)/2
Khi đó phương trình (2.8) có thể xấp xỉ :
dt
dk
= -
γ
(n - n
m
).







−++++
++
*
22
2
.
)2/)221(2.1(
)2.1.(1
n
aambmapap
apapb
(2.20)
Bên cạnh đó có thể đặt
1
γ
=
γ
.b1, khi đó phương trình (2.20) có thể xấp
xỉ :
dt
dk
= -
1
γ

(n - n
m
).






−++++
++
*
22
2
.
)2/)221(2.1(
)2.1(
n
aambmapap
apap
(2.21)
Một câu hỏi đặt ra là các phép xấp xỉ trên có ảnh hưởng như thế nào
tới chất lượng điều khiển. Ta biết rằng, hàm truyền đạt vòng kín của hệ
thống chỉ có thể hội tụ về hàm truyền đạt vòng kín mong muốn khi thông
số
1
γ
được chọn đủ nhỏ. Phép xấp xỉ
1
γ

=
γ
.b1 đã gộp thông số b1 thay
đổi theo thời gian vào
1
γ
, hay nói cách khác
1
γ
cũng thay đổi theo thời
gian.
1
γ
tượng trưng cho tốc độ hội tụ về hàm truyền đạt vòng kín mong
muốn của hệ thống (tốc độ thích nghi). Do đó, nếu
1
γ
nhỏ (khi thông số
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 19
Đồ án môn học Trang bị điện
b1 nhỏ), hệ thống sẽ hội tụ chậm. Nếu
1
γ
lớn (khi thông số b1 lớn), tính
ổn định của hệ thống sẽ không được đảm bảo và hệ thống sẽ không điều
khiển được. Như vậy bộ điều khiển chỉ có thể thích nghi khi thông số b1
của quá trình thay đổi trong một gới hạn cho phép.
Phép xấp xỉ k = (bm1 + am2 –a2)/(2.b1) không ảnh hưởng đáng kể đến
chất lượng điêu khiển vì một khi hệ thống vòng kín tiến đến hàm truyền
đạt mong muốn thì phép xấp xỉ này cũng tiến đến một phép toán chính

xác.
Nói tóm lại, tính ổn định của hệ thống phụ thuộc nhiều vào thông số b1
của quá trình. Việc lựa chọn thông số
γ
của bộ điều khiển thích nghi phải
căn cứ vào tầm thay đổi của thông số b1 khi hệ thống hoạt động
2.3.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển
Hình 2.6. Các khối chính của bộ điều khiển
Trong đó :
a) Khối đối tượng : là quá trình cần điều khiển (đối tượng động cơ cần
điều khiển tốc độ)
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 20
Đồ án môn học Trang bị điện
G
DC
(s) =
JLA
KbKtBfRA
s
JLA
JRABfLA
s
JLA
KtKK
.

.

.
1

2
+
+
+
+
=
2.1
1
2
asas
b
++
Hình 2.7. Đối tượng điều khiển
b) Khối mô hình mẫu
Hàm truyền đạt mong muốn của hệ thống vòng kín:
G
m
(s) =
)(
)(
*
sN
sN
m
=
2.1
1
2
amsams
bm

++
c) Khối luật điều khiển: u = k.(n
*
- n)
Hình 2.8. Khối luật điều khiển
d) Khối hiệu chỉnh hệ số: là khối quan trọng nhất của bộ điều khiển
thích nghi, có chức năng hiệu chỉnh hệ số tỉ lệ k của khối luật điều khiển
theo luật cập nhật thông số MIT
dt
dk
= -
1
γ
(n - n
m
).






−++++
++
*
22
2
.
)2/)221(2.1(
)2.1(

n
aambmapap
apap
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 21
Đồ án môn học Trang bị điện
Hình 2.9. Khối hiệu chỉnh hệ số
2.3.3. Điều kiện hoạt động ổn định của hệ thống
Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống đó là :
• Biên độ tín hiệu đặt (khắc phục bằng luật hiệu chỉnh bổ sung tham số)
• Tốc độ hội tụ thật sự
1
γ
• Nhiễu tác động vào hệ thống
Bây giờ ta đi giải quyết từng vấn đề:
a) Giới hạn của tích số:
1
γ
=
γ
.b1
Nếu
1
γ
quá lớn có thể làm hệ thống mất ổn định. Do đó việc lựa chọn
γ

tùy thuộc vào tầm thay đổi của b1 sao cho
1
γ
=

γ
.b1 vẫn còn đủ nhỏ khi
b1 đạt đến giá trị cực đại. Giả sử chưa xét đến tác động của nhiễu, b1
thay đổi đến giá trị b1
max
thì hệ thống bắt đầu mất ổn định khi:
1
γ
< b1
max
*0.8 =
1
γ
max
(0.8 là hệ số an toàn)
Dựa vào phương trình trên ta có thể chọn tốc độ hội tụ
1
γ
phù hợp với sự
thay đổi của quá trình.
b) Hệ thống chịu nhiễu tác động
Rất khó để đưa ra một ước lượng chính xác để đánh giá tác động của
nhiễu đối với tính ổn định của hệ thống. Một cách tương đối, khi tốc độ
hội tụ
γ
càng nhỏ thì hệ thống càng bền vững với nhiễu (tuy nhiên hệ
thống sẽ chậm hội tụ về hàm truyền mong muốn). Do đó, khi có nhiễu
tác động vào hệ thống, chỉ có thể chọn
1
γ

bằng cách thử nghiệm. Và khi
đó ta lựa chọn
1
γ
< 0.8*
1
γ
max
thì sẽ đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 22
Đồ án môn học Trang bị điện
2.3.4. Kết quả mô phỏng
Với n
*
= 2000

Hình 2.10. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -1
Hình 2.11. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -10
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 23
Đồ án môn học Trang bị điện
Hình 2.12. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -50

Hình 2.13. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= 100
2.4. Nhận xét
Khi tăng hệ số
1
γ
, thời gian xác lập của hệ thống nhanh dần, chất lượng
điều khiển cũng tốt dần lên. Tuy nhiên, khi tăng đến 1 giá trị giới hạn thì
chất lượng không thay đổi đáng kể, đây chính là giới hạn lựa chọn của hệ
số tốc độ hội tụ.
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 24
Đồ án môn học Trang bị điện
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, SƠ ĐỒ
LẮP RÁP
Ở đây ta đi sâu nghiên cứu sơ đồ nguyên lý của máy mài tròn 3A161
được dùng để gia công mặt trụ của các chi tiết có chiều dài dưới 1000mm
và đường kính dưới 280mm, đường kính đá mài lớn nhất là 600mm.
3.1. Sơ đồ điều khiển máy mài
Sơ đồ điều khiển đơn giản hóa:
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 25