thiết kế bộ điều khiển thông minh cho truyền động trục chính của máy doa

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá ,hiện đại hoá đất nước có thể nói một
trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia là mức độ tự
động hoá trong các quá trình sản xuất mà trước hết là năng suất sản xuất và chất
lượng sản phẩm .Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử ,công nghệ
thông tin và những thành tựu trong lý thuyết điều khiển tự động đã làm cơ sở và
hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng trong lĩnh vực tự động hoá
ở nước ta ,mặc dù là một nước chậm phát triển ,nhưng trong những năm
gần đây cùng với sự đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế
thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật , đặc biệt là sự tự động
hoá các quá trình sản xuất ngày càng được chú trọng , nhằm tạo bước phát triển
mới ,hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành mọt nền kinh tế tri thức
Ngày nay ,tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào
từng ngõ ngách và trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm .Việc tăng
năng suất máy và giảm giá thành thiết bị của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với
hệ thống chuyền động điện và tự động hoá nhưng chúng luôn mâu thuẫn nhau.
Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số
lượng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc lựa chọn một hệ
thống truyền động điện và tự động hoá cho thích hợp là một bài toán khó.Một
trong những ứng dụng đó là “Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động chính
cho máy doa ngang”.
Với sự cố gắng của bản thân bản đồ án đã được hoàn thành .Tuy nhiên do
kiến thức còn có hạn nên tài liệu thiết kế này của em không tránh khỏi những sai
lầm và thiếu sót .Chính vì vậy mà em mong các thầy cô sẽ chỉ bảo và góp ý để
bản đồ án của em được hoàn thiện hơn .
Em xin chân thành cảm ơn !
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÁY DOA
1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY DOA
1.1. Nhiệm vụ của máy doa trong dây truyền sản xuất

Máy cắt kim loại dùng để gia công chi tiết bằng kim loại bằng cách cắt
bớt các lớp kim loại thừa tạo chi tiết có hình dạng đúng yêu cầu. Các máy cắt có
thể là khoan, bào, phay, doa. Máy doa chính là một loại máy dùng để gia công
chi tiết bằng kim loại.
Máy doa dùng để gia công chi tiết với các nguyên công: khoét lỗ trụ,
khoan lỗ, có thể dùng để phay. Thực hiện các nguyên công trên máy doa sẽ đạt
được độ chính xác và độ bóng cao.
Máy doa được chia thành hai loại chính: máy doa đứng và máy doa
ngang. Máy doa ngang dùng để gia công các chi tiết cỡ trung bình và nặng.
Doa là một phương pháp gia công chi tiết ,doa thuộc công đoạn gia công
tinh ,nó gia công các lỗ đã được khoan ,khoét, những lỗ hình côn, hình trụ, cắt
ren. Ngoài ra máy doa còn có thể được dung để phay. Doa là một phương pháp
gia công tinh nó có thể đạt độ bóng bề mặt từ ∇6-∇9 và cấp chinh xác từ 4 - 2
hoặc cấp chính xác 1.
Hình 1.1. Hình dáng bên ngoài của máy doa ngang.
1.Bệ máy; 2. Ụ trước; 3. Giá; 4. Bàn quay gá chi tiết;
5. Ụ trục chính; 6. Trục trước.
2
1.1.1. Các bộ phận của máy doa
a, Thân máy
Thân máy là phần cố định so với bệ máy, có kết cấu hình chữ U, hai đầu
có hai ụ.
b, Ụ chính
Nằm trên thân máy, có thể chuyển động tịnh tiến so với thân máy. Động
cơ trục chính được gắn vào thân máy cùng với hộp tốc độ, quá trình di chuyển
được thực hiên nhờ trục chính hoặc động cơ chạy dao.
c, Ụ trục phụ
Nằm trên thân máy có thể chuyển động tịnh tiến nhờ động cơ ăn dao hoặc
bằng tay. Khi gia công chi tiết có đòi hỏi độ chính xác cao thì nó có tác dụng giữ
dao.

d, Bàn máy
Được bố trí giữa hai ụ, có thể di chuyển ngang, dọc, qua trái, qua phải.
1.1.2. Các đặc điểm của máy doa hiện đại
Những máy Doa hiện đại ngày nay hay còn được gọi là máy doa vạn năng
thì ngoài chức năng doa máy còn có thể thực hiện được các chức năng như một
máy mài, máy khoan …
Trên chuyển động chính của máy có thể gá mũi khoan hoặc mũi doa , vì
vậy máy có thể gia công thô ( Khoan , khoét các lỗ hình côn , hìng trụ ) và sau
đó thì có thể gia công tinh khi gá mũi doa. Đặc điểm của máy doa là có thể gia
công đồng thời nhiều lỗ có trục song song hoặc trục thẳng góc với nhau.
Máy doa ngang là máy Doa có mũi doa quay theo phương ngang. Các
nguyên công chính của máy doa vạn năng:
- Nguyên công doa: thường doa các lỗ hình côn ,hình trụ, các mặt phẳng vuông
góc với nhau có độ định tâm cao.
- Nguyên công tiện: khi nắp lưỡi dao tiện thì có thể tiện trong ,cắt mặt đầu, cắt
ren Với nguyên công cắt ren thì truyền động ăn dao được truyền từ trục chính.
-Nguyên công khoan: khi cần gia công các lỗ có độ định tâm cao ta có thể thực
hiện trên máy doa, nguyên công này thường nặng nề nhất.
3
- Nguyên công phay: phay mặt đầu, phay mặt phẳng, phay mặt trong ,phay mặt
ngoài.
1.2. CÁC TRUYỀN ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MÁY DOA
a, Truyền động chính
Truyền động chính trong máy Doa là truyền động quay mâm gá dao,
truyền động này được thực hiện nhờ động cơ KĐB ro to lồng sóc, thay đổi tốc
độ nhờ thay đổi cách đấy dây từ ∆∆-YY.
Tốc độ của trục và mâm gá dao thay đổi trong phạm vi rộng có cấp nhờ
hộp tốc độ Khi thay đổi tốc độ nếu các bánh răng chưa ăn khớp động cơ được
đóng điện với mô men nhỏ tạo điêù kiện cho các bánh răng vào ăn khớp, truyền
động này có nhiều cấp tốc độ nhờ kết hợp cả hai phương pháp thay đổi tốc độ

bằng điện và bằng cơ khí. Động cơ chính được hãm ngược sau khi ấn nút dừng
hoặc sau khi ấn nút thử máy.
b, Truyền động ăn dao
Chuyển động ăn dao có thể là chuyển động tịnh tiến theo phương ngang,
dọc của bàn máy mang chi tiết hay di chuyển dọc ( trái, phải) của trục chính
mang đầu dao.
Ngoài ra còn có chuyển động của bàn máy và ụ máy theo hai chiều, các
chuyển động này được truyền động bằng động cơ điện một chiều kích từ độc lập
và nó là truyền động quan trọng nhất, phức tạp nhất trong máy doa với những
yêu cầu về các thông số chất lượng rất cao.
c, Các truyền động phụ
- Truyền động di chuyển cơ cấu kẹp chi tiết, được thực hiện nhờ động cơ KĐB
ro to lồng sóc.
- Các truyền động bơm nước, bơm dầu làm mát, chuyển động thẳng đứng của ụ
dao vv
d, Các chế độ vận hành của máy
+Truyền dộng ăn dao nhờ hai chế độ vận hành bằng tay hoặc tự động. Trong bản
đồ án náy em sẽ thiết kế một hệ truyền động ăn dao tự động
4
+ Trong các quá trình gia công máy có thể vận hành ở những cấp tốc độ khác
nhau tuỳ thuộc trạng thái làm việc và yêu cầu của người sử dụng khi đó ta sẽ có
các phương án điều chỉnh tương ứng , ví như thực hiện chạy nhanh bàn dao
bằng phương pháp giảm từ thông động cơ. Chỉnh định toạ độ của ụ, trục nhờ hệ
kính phóng đại quang học phần này sẽ được nói đến chi tiết ở các phần sau.
+Điều khiển máy nhờ các nút bấm và tay gạt, chúng được bố chí trên hai ụ máy.
1.3. CÁC YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CỦA
MÁY DOA
Trong máy doa ngang truyền động ăn dao là truyền động phức tạp
nhất, nó đòi hỏi hệ thống trang bị điện có mức độ tự động hoá cao. Ở truyền
động này dùng động cơ một chiêu kích từ độc lập, truyền động này có các yêu

cầu về chỉ tiêu chất lượng.
1.3.1. Truyền động chính
Yêu cầu cần phải đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ D = 130/1
với công suất không đổi, độ trơn điều chỉnh φ = 1,26. Hệ thống truyền động
chính cần phải hãm dừng nhanh.
Hiện nay hệ truyền động chính máy doa thường sử dụng động cơ không
đồng bộ rô to lồng sóc và hộp tốc độ (động cơ có một cấp hay nhiều cấp tốc độ).
Ở những máy doa cỡ nặng có thể sử dụng động cơ điện một chiều, điều chỉnh
tốc độ trơn trong phạm vi rộng. Nhờ vậy có thể đơn giản kết cấu cơ khí, mặt
khác có thể hạn chế được mô men ở vùng tốc độ thấp bằng phương pháp điều
chỉnh tốc độ hai vùng.
1.3.2. Truyền động ăn dao
Phạm vi điều chỉnh truyền động ăn dao là D = 1500/1. Lượng ăn dao
được điều chỉnh trong phạm vi 2 mm/ph ÷ 600 mm/ph ; khi di chuyển nhanh có
thể đạt tới 2,5 m/ph ÷ 3 m/ph. Lượng ăn dao (mm/ph) ở những máy cỡ nặng yêu
cầu giữ không đổi khi tốc độ trục chính thay đổi. Đặc tính cơ cần có độ cứng
cao, với độ ổn định tốc độ < 10%. Hệ thống truyền động ăn dao phải đảm bảo độ
tác động nhanh cao, dừng máy chính xác, đảm bảo sự liên động với truyền động
chính khi làm việc tự động.
5
Ở những máy doa cỡ trung bình và nặng, hệ thống truyền động ăn dao
sử dụng hệ thống khuyếch đại máy điện - động cơ điện một chiều hoặc hệ thống
T - Đ.
6
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHO HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRỤC CHÍNH MÁY DOA
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.
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)
Hình 2.1. Biểu diễn nguyên lý của điều khiển thích nghi.
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 )
7
- 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 2.2. Sơ đồ các ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi.
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)
8
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 2.3. 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
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
9
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 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
10
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 2.4. 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)
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
11

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)
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
+
=
12
1
RBR
+
=
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.
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 2.5

13
Hình 2.5. 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
++++
=
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
14
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 DOA
Hình 2.6. 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)
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)
15
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
⇒
(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 :
⇒
(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
16
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 :
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
17
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 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
CHƯƠNG 3. KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TRÊN
MATLAB & SIMULINK
18
3.1. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN
Hình 3.1. Các khối chính của bộ điều khiển
Trong đó :
1. Khối đối tượng là quá trình cần điều khiển (đối tượng động cơ cần điều khiển
tốc độ)
G
DC
(s) =
JLA
KbKtBfRA

s
JLA
JRABfLA
s
JLA
KtKK
.

.

.
1
2
+
+
+
+
=
2.1
1
2
asas
b
++
19
Hình 3.2. Đối tượng điều khiển
2. 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
++
3. Khối luật điều khiển: u = k.(n
*
- n)
Hình 3.3. Khối luật điều khiển
4. 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
20
Hình 3.4. Khối hiệu chỉnh hệ số
3.2. 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:
+ 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.
+ 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
21
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.
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Với n
*
= 2000

Hình 3.5. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ

= -1
Hình 3.6. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -10
22
Hình 3.7. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -50
Hình 3.8. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= 100
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.
23
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu tài liệu và thực hiện đồ án, em đã nắm được
một phần cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của máy doa, đồng thời thiết kế
được điều khiển cho máy doa. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện do thời gian
và tài liệu cũng như kiến thức có hạn nên còn nhiều sai sót mong thầy giáo
hướng dẫn để đồ án của em hoàn thiện tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS. Hoàng Xuân Bình đã tận tình
giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án này.

24
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Thị Phương Hà - Lý thuyết điều khiển hiện đại - Nhà xuất bản Đại
Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh - 2007.
[2]. 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 -
2001.
[3]. Nguyễn Doãn Phước - Lý thuyết điều khiển tuyến tính - Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật - 2005.
[4]. PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang - MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư
điều khiển tự động - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - 2006.
25