Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) áp dụng cho bài toán phân chia công suất hai động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


NGUYỄN VĂN ĐÀO


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa
Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT






THÁI NGUYÊN - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào.

Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975.
Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.

Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI
TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” do thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng
hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội
dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì
trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam
đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Học viên


Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn
tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cƣơng, luận văn với đề tài
“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ
HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG
SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”
đã đƣợc hoàn thành.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và
một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập để hoàn thành luận văn này.
Công ty cổ phần tự động hóa Hoàng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất
và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì
vậy, tôi mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các
bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014
Học viên


Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN I
LỜI CẢM ƠN III
MỤC LỤC IV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII
LỜI NÓI ĐẦU X
CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI
CỨNG TRỤC. 1

1.1 Bài toán thực tế: 1
1.1.1 Giải pháp truyền thống 3
1.1.2 Giải pháp đề xuất 6
1.2 Mô hình hệ thống. 8
1.2.1 Giới thiệu: 8
1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống. 9
1.3 Tham số hệ thống. 13
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH
MẪU MRAS 2-15
2.1 GIỚI THIỆU 2-15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.1.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp 2-15
2.1.2 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 2-15
2.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 2-19
2.3 Phƣơng pháp ổn định của Lyapunov. 2-29
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN.
39
3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển. 39
3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1. 40
3.3 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mô
hình mẫu MRAS. 45
3.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ. 54
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM 62
4.1 Giới thiệu: 62
4.2 Các mạch điện thực hiện. 63
4.3 Thực nghiệm trên mô hình. 67
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt
LFFC
Learning Feed Forward Control

MRAS
Model Reference Adaptive
System
Hệ thống thích nghi theo
mô hình mẫu
PID
Proportional - Integral -
Derivative
Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm
STR
Self Tuning Regulator
Bộ điều khiển tự chỉnh
FEL
Learning Feedback Error
Điều khiển học sai lệch
phản hồi
ILC
Interative learning control
Điều khiển học theo quá

trình lặp
AC
Alternating Current
Dòng điện xoay chiều
DC
Direct Current
Dòng điện một chiều
PWM
Pulse – width modulation
Điều chế độ rộng xung
AD
Analog digital
Bộ biến đổi tƣơng tự -số
MLP
Multilayer perceptron

LC
Learning Control
Bộ điều khiển học





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ 1
Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ. 2

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau. 3
Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ. 5
Hình 1-5: Giải pháp truyền thống. 6
Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. 7
Hình 1-7: Mô hình hệ thống. 9
Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 10
Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. 12
Hình 1-10: Mô hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải 13
Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số. 2-16
Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu. 2-17
Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp 2-18
Hình 2-4: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu 2-21
Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. 2-22
Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng khi thay đổi tham số bp. 2-23
Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp. 2-23
Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb. 2-24
Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng điều khiển và mô hình mẫu theo luật
MIT. 2-24
Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tƣợng và mô hình mẫu. 2-25
Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT. 2-25
Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb. 2-27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tƣợng và mô hình mẫu. .2-
27
Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb. 2-28
Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi. 2-28
Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov. .2-
36

Hình 2-17: Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tƣợng và mô hình mẫu. 2-37
Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb. 2-37
Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển. 40
Hình 3-2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện. 41
Hình 3-3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện 1. 44
Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện 1. 44
Hình 3-5: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2. 51
Hình 3-6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện
mẫu. 51
Hình 3-7: Các tham số của bộ điều khiển. 52
Hình 3-8: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện
mẫu khi thông số phần ứng thay đổi. 53
Hình 3-9: Các tham số của bộ điều khiển khi thông số phần ứng thay đổi. 53
Hình 3-10: Cấu trúc mạch vòng tốc độ. 55
Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ. 57
Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ. 58
Hình 3-13: Tốc độ động cơ dƣới điều kiện định mức. 59
Hình 3-14: Đáp ứng và sai lệch dòng điện của hai động cơ. 59
Hình 3-15: Tham số của bộ điều khiển. 60
Hình 4-1: Mô hình đối tƣợng. 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 4-2: Tổng thể hệ thống. 63
Hình 4-4: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực hiện. 64
Hình 4-4: Mặt trƣớc tủ điều khiển. 65
Hình 4-5: 06 Thyristor của mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha. 65
Hình 4-5: Mạch khuếch đại và truyền xung. 65
Hình 4-5: Mạch điều khiển pha xung. 66
Hình 4-5: Mạch điều khiển. 66

Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm. 67
Hình 4-10: Điện áp đồng bộ và điện áp răng cƣa. 68
Hình 4-11: Điện áp điều khiển và điện áp răng cƣa 68
Hình 4-12: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu so sánh. 69
Hình 4-13: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu sửa xung. 69
Hình 4-14: Xung chùm. 70
Hình 4-15: Nhân xung chùm. 70
Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor. 71
Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ của động cơ. 71
Hình 4-17: Dòng điện 2 động cơ. 72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay,
việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển,
từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ở một ngã
tƣ cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong nhà máy, xí nghiệp đƣợc đặc
biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ
thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng
hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ
thuật phải có trình độ ngày càng cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công
nghệ mới tốt. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang đƣợc sử dụng lại
yêu cầu ngƣời cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ
cho các hệ thống đó.
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp
nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với
nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ
nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng tự nhƣ đã đặt vấn

đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng
rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tƣơng
xứng.
Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN
CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC,
CHUNG TẢI”, tác giả đƣa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên
khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ đƣợc chọn yêu
cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục. Ƣu điểm của
giải pháp là: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng nhƣ bộ biến
đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ một chiều
nối cứng trục
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS áp
dụng cho bài toán chia tải hai động cơ.
- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm
Matlab/Simulink.
- Thiết kế chế tạo mô hình và bộ điều khiển bằng mạch điện tử sử dụng
khuếch đại thuật toán.

Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chƣơng, nội dung tóm tắt của các chƣơng nhƣ sau:
Chương 1: Bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục.
Vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục đƣợc xem xét. Đồng
thời xây dựng mô hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ nối cứng trục.

Chương 2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu - Model
Reference Adaptive Systems – MRAS.
Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình
mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp đƣợc giới thiệu trong chƣơng này.
Lý thuyết ổn định Lyapunov đƣợc áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông
số của đổi tƣợng điều theo thông số của mô hình mẫu.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Chương 3: Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển.
Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS đƣợc
trình bày ở Chƣơng 2 cho việc thiết kế hệ thống điều khiển nhƣ đã đề xuất tại
Chƣơng 1. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ
bên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện của động cơ thứ nhất đƣợc tính toán trƣớc với các thông số bộ điều khiển là
cố định. Dòng phần ứng của động cơ thứ nhất đƣợc xem là dòng điện mẫu. Bộ
điều khiển PID thích nghi mạch vòng dòng điện động cơ thứ 2 sau đó đƣợc thiết
kế dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov theo đó dòng điện phần ứng động cơ thứ
2 luôn bám sát dòng điện mẫu – dòng phần ứng động cơ 1. Kết quả thiết kế, tính
toán đƣợc đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Chương 4: Thực nghiệm.
Dựa trên các kết quả đạt đƣợc ở Chƣơng 3, tác giả đi tiến hành xây dựng
mạch điện tử thực hiện chức năng của hệ thống điều khiển và triển khai trên thiết
bị thực. Kết quả chạy thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của thuật toán
điều khiển đề xuất.

Thái Nguyên, ngày tháng .năm 2014
Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI
CỨNG TRỤC.

1.1 Bài toán thực tế:
Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động
cơ một chiều hay xoay chiều công suất đến hàng nghìn KW (Hình 1-1). Thiết bị
cán Block là khâu cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu sử dụng
công suất vào khoảng 5000 Kw là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lò,
trạm nén khí, trạm bơm,…là các hệ thống điển hình mà ở đó thƣờng yêu cầu sử
dụng động cơ công suất lớn.



Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ.
BBĐ

Tải
AC
Động cơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp

nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử
dụng cũng nhƣ việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu
tố trọng lƣợng và kích thƣớc. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với
việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động
cơ một chiều, bộ nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng
tự nhƣ đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể
khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi công
suất lớn tƣơng xứng.



Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ.

Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ
công suất lớn đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 hay
nhiều hơn 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay
thế, các động cơ đƣợc chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định
mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục (Hình 1-2).

Tải

Động cơ 2
Động cơ 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ƣu điểm: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng nhƣ bộ
biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ
dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây

của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hƣởng của thành
phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lƣới điện.
1.1.1 Giải pháp truyền thống


Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau.

Trƣớc hết ta phân tích giải pháp đơn giản nhất là thay thế 01 động cơ một
chiều bởi 02 động cơ một chiều giống nhau có tổng công suất bằng công suất
động cơ cần thay thế, các động cơ đã nêu có chung tốc độ định mức. Yêu cầu đặt
BBĐ
AC

Tải

Động cơ 2
Động cơ 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ra là trong quá trình vận hành hai động cơ trên luôn đóng góp phần công suất của
mình cho phụ tải chung là nhƣ nhau. Yêu cầu khắt khe này không thực hiện đƣợc
nếu không có sự can thiệp của điều khiển bởi lẽ trong thực tế ta không thể tìm
đƣợc hai động cơ giống nhau tuyệt đối.
Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau,
các dòng phần ứng nhƣ nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc
nối tiếp các cuộn dây phần ứng (Hình 1-3). Khi đó sự đóng góp của hai động cơ
là hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tƣởng nhƣ đơn giản tuy nhiên không thể thực
hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu
cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi

yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở
đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong
thực tế.
Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải
dùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
nếu không có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự
đóng góp công suất nhƣ nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu
02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái
nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải;
Trƣờng hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả
động cơ còn lại.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ.

Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch
vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép
bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng
dòng điện (Hình 1-5). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ đƣợc hiệu chỉnh
bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện
một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng đƣợc yêu cầu của sản xuất. Tuy
nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận
hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tƣơng đối lớn về
dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với
quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ
điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhƣợc

điểm cơ bản của thiết kế đã nêu.
Driver 2

AC
Driver 1

AC
Tải
Động cơ 2
Động cơ 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1-5: Giải pháp truyền thống.
1.1.2 Giải pháp đề xuất

Tốc độ đặt
BĐK Dòng
Điện 1

BĐK
Tốc Độ
BBĐ 2
Tải


BBĐ1

Động cơ 1
Máy phát tốc
U
C
U
B
U
A
U
C
U
B
U
A
(+)

(-)

I
2
I
1
Động cơ 2
BĐK Dòng
Điện 1

(+)

(-)

(-)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất.

Máy phát tốc
Tốc độ
đặt
BĐK
Dòng Điện
1
controlle

SVF1
BBĐ2



BBĐ1

U
C
U
B
U
A

U
C
U
B
U
A
I
2
I
1
Luật TN
SVF2
BĐK
Tốc Độ
BĐK
Dòng Điện
2
controlle



(-)

βI
2
βI
2
2
I




I
1
1
I


e
1
e
2
Tả
i
Động cơ
1
Động cơ
2
(-)

(-)

(-)

(-)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Giải pháp đề xuất trong luận văn này đƣợc phát triển dựa theo giải pháp

vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai
mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung
cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với
thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ
điều khiển dòng của động cơ thứ hai đƣợc hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng
điện giữa 02 động cơ (Hình 1-6). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của
động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế dựa trên mô hình mẫu
đƣợc tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của
động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ
nhất đƣợc xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với
sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau –
điều mà chúng ta mong đợi.

1.2 Mô hình hệ thống.
1.2.1 Giới thiệu:
Nhằm mục đích kiểm tra khả năng của bộ điều khiển đề xuất trƣớc khi đƣa
vào ứng dụng trong thực tế sản xuất, một mô hình của hệ thống hai động cơ một
chiều nối cứng trục, chung tải đã đƣợc xây dựng tại Phòng Thí Nghiệm Điện –
Điện tử thuộc Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái
Nguyên.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1-7: Mô hình hệ thống.

Hệ thống bao gốm 3 động cơ một chiều kích từ độc lập, đƣợc nối cứng
trục với nhau qua hệ thống khớp nối và đai truyền.
Hai động cơ đầu (Master Motor, và Slave Motor) dùng để điều khiển tốc độ
quay, động cơ thứ ba đóng vài trò của một máy phát (Generator), tạo ra phụ tải
cho hệ.
Ngoài ra, trên mô hinh còn gắn một máy phát tốc (Tacho) đƣa tín hiệu
phản hồi tốc độ về bộ điều khiển.
1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống.
a) Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Phƣơng trình cân bằng điện áp của động cơ:

u
u u u u u
di
u e R i L
dt
  
(1.1)
Trong đó:

u
u
: điện áp phần ứng động cơ (V).

u
i
: dòng điện mạch phần ứng động cơ (A).

u
e
: suất điện động phần ứng (V).

u
R
: điện trở mạch phần ứng (

).

u
L
: điện cảm mạch phần ứng (H).
Khi từ thông động cơ không đổi thì suất điện động phần ứng:

uu
eC


(1.2)
Trong đó:

u
C
: hằng số động cơ.


: tốc độ động cơ (rad/s).

+
-
-
+
U
u
U
kt
R
u
R
kt
L
kt
L
u
E
u
I
u
I
kt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Phƣơng trình cân bằng mô men của động cơ:

dt c
d
M M J
dt


(1.3)
Trong đó:
c
M
: moment cản của tải (N.m).
J
: mô men quán tính của hệ qui về trục động cơ (
2
kgm
).
dt u a
M C i
: moment điện từ của động cơ (N.m).

Từ các phƣơng trình (1.1) - (1.3) ta có mô tả của động cơ một chiều dƣới
dạng không gian trạng thái nhƣ sau:

1
1
u
ac
a u u
au

u u u
dC
iM
dt J J
di R C
iU
dt L L L








   


(1.4)
Viết lại dƣới dạng ma trận:

1
00

1
0
u
c
uu
a a u

u u u
C
M
JJ
d
CR
i i U
dt
L L L

   

   
     
   

     
   
     

   
   
(1.5)
Hay:

x Ax Bu
y Cx








Trong đó:

u
x
i





là vector biến trạng thái của hệ.

y


: đầu ra tốc độ của động cơ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


 
1
00
,
1
0

10
u
uu
u
uu
C
JJ
AB
CR
L
LL
C
















(1.6)

Ta có mô hình của động cơ một chiều kích từ độc lập nhƣ sau:





Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập.

b) Mô hình hệ thống 02 động cơ nối cứng trục:
Tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp một động cơ, từ (1.1) ta có phƣơng trình cân bằng áp
cho hai động cơ nhƣ sau:


u
i

c
M

(-)
u
e

(-)
u
u

dt
M

1
J

1
s

u
C

1
uu
R L s

u
C


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


u
u u u u u
u
u u u u u
di
e R i L
dt
di
e R i L
dt

  
  
1
1 1 1 1 1
2
2 2 2 2 2
u
u
(1.7)
Nhìn chung, các tham số của hai động cơ là khác nhau, bởi vì nhƣ đã đề cập ở
trên, ta không thể chế tạo đƣợc hai động cơ giống nhau tuyệt đối.
Phƣơng trình cân bằng moment của hệ:

dt dt c
d
dt

  
12
M M M J
(1.8)
Trong đó:

dt u u

1 1 1
M C i
: moment điện từ của động cơ 1 (N.m).

dt u u


2 2 2
M C i
: moment điện tử của động cơ 2 (N.m).

J
: moment quán tính của hệ thống qui về trục động cơ (
2
kgm
).
Từ đó ta có mô hình của hệ hai động cơ 1 chiều nối cứng trục, chung tải nhƣ sau:

1.3 Tham số hệ thống.
Động cơ sử dụng trong mô hình có thông số:
2.2kWP
;
220
dm
VU
;
12
dm
AI
;
1430 /
dm
vpn
;
0.85



.
Các tham số của mô hình đƣợc cho trong bảng sau:
Thông số
Ý nghĩa
Giá trị
u
R

Điện trở mạch phần ứng động cơ
0.5 (

)
u
L

Điện cảm mạch phần ứng
50 (mH)
u
C

Hệ số sức phản điện động
1.37 (V.s/rad)
J
Moment quán tính của hệ thống qui
đổi về trục động cơ
0.1 (
2
.kg m
)