tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG điều KHIỂN hệ TRUYỀN ĐỘNG sử DỤNG ĐỘNG cơ ĐỒNG bộ KÍCH từ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ TÂM

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ
NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN
CHIẾU (BACKSTEPPING)

Chuyên ngành: Tự Động Hóa

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2011
1


Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái
Nguyên.

Cán bộ HDKH

: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển

Phản biện 1

: TS. Phạm Hữu Đức Dục

Phản biện 2

: TS. Nguyễn Duy Cương

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 9h giờ 00 phút ngày 25 tháng 10 năm 2011.

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

2


MỞ ĐẦU

Việc sử dụng tối ưu và hiệu quả năng lượng trong các hệ thống sản xuất công
nghiệp đang là vấn đề được thế giới quan tâm. Trong đó vấn đề làm thế nào để nâng
cao hiệu suất năng lượng trong các hệ truyền động sử dụng động cơ điện trở nên
quan trọng hơn bao giờ hết. Với mục đích bảo tồn năng lượng trong các hệ truyền
động, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những
đặc điểm mơmen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm
ứng AC thông thường. Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên
trong được gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng
phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mơmen quay tốt hơn.
Ứng dụng điển hình sẽ là những ứng dụng có mơmen quay cao, như các hệ
truyền động thang máy, cần trục, trục quay. Trong những ứng dụng mômen quay lớn,
IPM đem lại rất nhiều lợi ích. Chẳng hạn đối với máy cơng cụ, nó giảm thiểu lượng
nhiệt thất thốt, do đó khơng chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà cịn giúp duy trì độ
chính xác của máy công cụ.
Hiện nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh

cửu, mơ hình phi tuyến của động cơ sẽ được tuyến tính hố, sau đó sẽ được sử dụng
để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính (bộ điều khiển
tuyến tính). Do đó ta đã phá vỡ đi cấu trúc vật lý của đối tượng. Vì vậy việc đưa ra
phương pháp điều khiển phi tuyến sẽ đem lại những kết quả mong đợi. Trong đề tài
này tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển phi tuyến Backstepping để điều khiển
hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (VD như hệ
truyền động thang máy, cần trục, trục quay...) nhằm nâng cao chất lượng của hệ
thống. Phương pháp Backstepping được đánh giá là công cụ thiết kế đầy triển vọng
cho một số lớp hệ thống phi tuyến. Phương pháp dựa trên cách thiết kế từng bước
bộ điều khiển phản hồi thoả mãn ổn định Lyapunov. Bằng việc sử dụng phương

3


pháp thiết kế để xây dựng hàm điều chỉnh, backstepping cho phép xây dựng luật
điều khiển phản hồi chế ngự được tính phi tuyến của đối tượng.
Từ những vấn đề trên, việc ứng dụng phương pháp điều khiển phi tuyến
Backstepping cho hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh
cửu là hết sức cần thiết và thiết thực.
Trong thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu tổng hợp kỹ thuật,
thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ kích từ nam châm
vĩnh cửu nhằm khai thác tớt những tính năng vượt trội vơ cùng quý giá này. Trong
khn khổ đề tài này, tơi đưa ra các thuật tốn thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cuốn
chiếu (Backstepping) nhằm thấy được tính khả thi của việc áp dụng phương pháp
này để tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm
cho mơmen quay tốt hơn, từ đó cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển. Sau đó
được kiểm tra tính đúng đắn của các thuật tốn trên hệ thớng điều khiển động cơ
đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng mơ phỏng Matlab-Simulink.- Plecs.
Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho động

cơ động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống.
Chương 3: Áp dụng phương điều khiển Backstepping cho hệ thống.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Nguyễn
Như Hiển người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tơi xin chân thành cám ơn thầy Đặng Danh Hoằng và các thầy cô ở Khoa
Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều
kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn.

4


Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tơi hồn thành khóa học.
Tơi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện

Nguyễn Thị Tâm

5


1

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP
DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:
Các phương pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã được hình
thành, phát triển và đạt được nhiều kết quả rất quan trọng. Đặt nền móng ban đầu
phải nói đến các phương pháp điều khiển phi tuyến kinh điển như phân tích mặt
phẳng pha, tính ổn định tuyệt đối, cân bằng điều hòa…. Sau đến là các phương pháp
tuyến tính hố trong lân cận điểm làm việc, điều khiển bù phi tuyến phân tích hệ
thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain
scheduling … và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải
quyết được bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính tốn. Do kỹ thuật máy tính, kỹ
thuật vi xử lý phát triển vượt bậc, con người có khả năng tính được nhiều các phép
tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trước kia thi các phương pháp
điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời như điều khiển cuốn chiếu
(Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thụ đợng
(Passitivy-based), …. Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và được ứng dụng
trong những năm gần đây được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển thơng minh có
thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ, lý thuyết mạng Nơron, thuật tốn di
truyền, vector khơng gian.
1.1.1. Phương pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha
1.1.2. Kỹ thuật Gain scheduling

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm

2

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

1.1.3. Phương pháp tuyến tính hố trong lân cận điểm làm việc
Bản chất của tuyến tính hố xấp xỉ mơ hình hệ thống xung quanh điểm làm
việc x v đó là thay đổi một đoạn đường cong f ( x , u ) trong lân cận điểm x v bằng
một đoạn thẳng tiếp xúc với đường cong đó tại điểm x v

w

~ d~
u x

-

dt

= A ~ + B~
x u

~
u

R
Hình 1.2: Ổn định hệ phi tuyến
1.1.4. Điều khiển tuyến tính hình thức
1.1.5. Điều khiển bù phi tuyến

1.1.6. Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động (PBC)
Điều khiển tựa theo thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển
mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ
kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn. Nguyên lý
PBC được xem như là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm năng lượng (Energy
shaping) và kỹ thuật phun tín hiệu suy giảm (Damping injection). Kỹ thuật chọn
hàm năng lượng là quá trình thay đổi thế năng của hệ thống để sao cho hàm thế
năng mới là nhỏ nhất và duy nhất tại trạng thái cân bằng. Tiếp theo là quá trình

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

3

Chuyên ngành: Tự động hóa

phun tín hiệu duy giảm, đó là giai đoạn làm thay đổi năng lượng tiêu thụ
(dissipation energy) để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống.
1.1.7. Phương pháp Backstepping
a. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm Lyapunov
Điểm cân bằng: Điểm cân bằng x e của hệ thống là nghiệm của phương trình:
dx
= f ( x, u , t ) u = 0 = 0
dt

Ổn định Lyapunov: Một hệ thống với mơ hình khơng kích thích:

~
dx
= f ( x, u , t ) u = 0 = f ( x , t )
dt

(1.9)

với một điểm cân bằng là gốc toạ độ 0 được gọi là:
•

Ổn định Lyapunov tại điểm cân bằng 0

•

Ổn định tiệm cận Lyapunov tại điểm cân bằng 0

Thuật toán thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov
Bây giờ chúng ta thêm đầu vào điều khiển và xét hệ thống:

x = f ( x, u )

(1.11)

Nhiệm vụ của bài toán điều khiển được đặt ra trong luận văn này là thiết kế bộ điều
khiển phản hồi trạng thái u = α (x) để cho trạng thái mong muốn của hệ kín

x = f ( x,α ( x )) là một điểm cân bằng ổn định tiệm cận toàn cục(ổn định tuyệt đối).

Từ các phân tích về ổn định Lyapunov ở trên, để đạt được mục đích đặt ra, ta cần
thực hiện các bước sau:

• Tìm một hàm V (x ) xác định dương, khả vi.
• Xác định hàm u = α (x) để có:
< 0khi x ≠ 0
dV ( x)
∂V
= LfV =
f ( x, α ( x)) = 
dt
∂x
= 0khi x = 0
Một hàm xác định dương, khả vi V (x ) thỏa mãn điều kiện trên được gọi là hàm
điều khiển Lyapunov (CLF). Như vậy bất cứ một hàm xác định dương, trơn nào

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


4

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

cũng có thể là hàm CLF của hệ (1.11) nếu như tồn tại ít nhất một quan hệ u = α (x)
sao cho:
 ∂V ( x )

inf L f V = inf 
 ∂ x f ( x, u )  < 0  khix ≠ 0


u
u


b. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở Backstepping
Xét hệ thống được mô tả như (1.12).
x = cos x − x 3 + ξ


ξ = u


Có thể biểu diễn (1.12) ở dạng sơ đồ khối như sau:
.

u

∫

ξ

x
∫

+
+ +
x3

x

− (.)3

Cos(x Cos(.)
)

Hình 1.7: Sơ đồ khối cho hệ (1.12)
Ta thấy bản chất của phương pháp là dựa trên hàm điều khiển Lyapunov và kỹ thuật
Backstepping để thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái nhằm làm ổn định hệ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

5

Chuyên ngành: Tự động hóa

thống, mà chưa quan tâm tới chất lượng tĩnh và động của hệ thống. Do đó khi áp
dụng PĐSG, ta phải thực hiện:
• Quan tâm tới chất lượng tĩnh thơng qua biện pháp khử sai lệch tĩnh
• Quan tâm tới chất lượng động thơng qua tổng hợp bộ điều khiển thích nghi
1.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH
VĨNH CỬU.
1.2.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
Đề tài này nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử
dụng hệ máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng điều khiển theo phương

pháp cuốn chiếu (Backsteppping) .Đề tài này cùng với một số cơng trình nghiên cứu
khác về điều khiển hệ thống động cơ điện đồng bộ ba pha nhằm tạo ra các kỹ thuật
điều khiển mới, công nghệ hiện đại để ứng dụng rộng rãi vào quá trình chế tạo, vận
hành, điều khiển và quản lý các hệ thống thiết bị động cơ đồng bộ kích thích vĩnh
cửu khiến cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ có được trình độ kỹ thuật
hồn hảo, có quy mô phát triển hợp lý và có triển vọng thương mại hóa cao, có hiệu
quả kinh tế thiết thực, có thể sử dụng rộng rãi để mang lại lợi ích kinh tế cho xã hội.
1.2.2 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển.
* Phát biểu bài tốn.
Xây dựng vector khơng gian





disq
ψp
Lsd
1
1
= −ωs
isd −
isq +
u sq − ωs
dt
Lsq
Tsq
Lsq
Lsq 


L
disd
1
1
=−
isd + ωs sq isq +
u sd
dt
Tsd
Lsd
Lsd

Với phương trình từ thơng:

ψ sd = Lsd isd + ψ P 
 (1.39 )
ψ sq = Lsq isq

Trong đó:

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


6

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

+ Lsd: Điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực.
+ Lsq: Điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực.
+ ΨP: Từ thông cực (vĩnh cửu).
+ Tsd =
+ Tsq =

Lsd
: Hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực.
Rs
Lsq
Rs

: Hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực.

Phương trình mơ men của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:

mM =

[

]

3
3
z p (ψ sd isq −ψ sq isd ) = z p ψ p isq + isd isq ( Lsd − Lsq ) (1.40)
2
2

Với hệ phương trình (1.38), (1.39) ta xây dựng sơ đồ khối ở hình 1.17

us

usα

d

1
Lsd

Tsd
1+ s
T

ωs

u

us
q

1
Ls
q

−

Lsd − Lsq

3 zp

2

−

mM

ωs = ω

Lsd

ψp
Lsq
−

ω

zp
s
J

Lsq

X

u sβ

sd

d X

Lsd
Lsq

X

e − jϑ

is

mw

Tsq
1+ s
T

sq

is

ψp

ωs
1
s

q

Hình.17. Mơ hình MĐĐB-KTVC trên hệ tọa dộ dq (hệ tọa độ từ thông )
1.2.3- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức tốc độ quay của từ

trường được xác định theo công thức sau:
ns =

60. f s
2Π. f s
(vòng / phút ) hay ω s =
(rad / s ) .
p
p

Trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp xoay chiều cho mạch Stato (mạch phần ứng).

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


7

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

P là số đôi cực từ.
ωs là tần số đồng bộ hay tần số quay của rô to.
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
2.1 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH SẢN XUẤT XI MĂNG LÒ ĐỨNG
2.1.1 Sơ lược về ngành sản xuất xi măng
Để sản xuất xi măng, tuỳ theo trình độ kỹ thuật và khả năng đầu tư của mỗi

nước, mỗi địa phương người ta sản xuất theo các phương án công nghệ khác nhau.
Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã và đang sản xuất theo một số cơng nghệ sau:
•

Lị đứng thủ cơng

•

Lị đứng cơ giới hố

•

Lị quay bán khơ

•

Lị quay phương pháp ướt

•

Lị quay theo phương pháp khơ

2.1.1.1 Sản xuất theo cơng nghệ lị đứng thủ cơng
*. Ưu điểm: Vốn đầu tư ít, cơng suất nhỏ, có thể đáp ứng nhu cầu tại chỗ ở
một số vùng xa, nguồn ngun liệu ít và giao thơng khó khăn.
*. Nhược điểm: Thiết bị cỡ nhỏ nên chất lượng sản phẩm thấp (xi măng
nghiền thơ, clinker chín khơng hồn tồn, thu hồi sản phẩm thấp, chất lượng sản
phẩm khơng đều).
2.1.1.2 Sản xuất theo cơng nghệ lị đứng cơ giới hóa
* Ưu điểm:

• Nhờ có cơ giới hóa cao với năng suất thiết bị lớn, nên đã cho sản lượng cao
hơn, chất lượng hơn.
• Việc đưa các Silơ chứa ngun vật liệu đã gia công sơ bộ, clinker, phụ gia
và xi măng bột đã làm tăng mức độ đồng nhất nguyên phối liệu bán thành phẩm và

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

8

Chuyên ngành: Tự động hóa

sản phẩm; làm cho sản xuất ổn định hơn, sản phẩm xuất xưởng có chất lượng tốt
hơn và đều hơn phương án thủ cơng.
• Việc sử dụng các máy nghiền phối liệu, xi măng cơng suất lớn chu trình
kín (có máy phân ly) nên một số phối liệu và xi măng được tốt hơn, không lẫn hạt
thô nên cho chất lượng sản phẩm cao.
*. Nhược điểm:
Vốn đầu tư tương đối lớn, khơng thuận lợi đối với các đơn vị có quy mơ hoạt
động nhỏ đóng tại các địa phương cịn gặp nhiều khó khăn trong phát triển kinh tế.
2.1.1.3 Các phương án lò quay
Là những phương án hiện đại yêu cầu đầu tư lớn, sản xuất tập trung. Các
phương án này chất lượng và sản lượng xi măng là cao nhất, tuy nhiên các phương
án này chỉ phù hợp với các cơng ty thuộc sở hữu nhà nước có vốn đầu tư lớn, thị
trường rộng.
2.1.2 Nguyên liệu và nhiên liệu để sản xuất xi măng

2.1.2.1 Nguyên liệu để sản xuất xi măng
Thành phần hoá học chủ yếu của phối liệu gồm bốn oxit chính: CaO chủ yếu do đá
vơi cung cấp ; SiO2, Al2O3, Fe2O3 do đất sét cung cấp. Nếu thiếu SiO2 hay Al2O3,
Fe2O3 ta dùng nguyên liệu phụ gia điều chỉnh như quặng sắt chứa nhiều Fe 2O3, bôsit
chứa nhiều Al2O3.
2.1.2.2 Nhiên liệu để sản xuất xi măng
Nhiên liệu chính là Than - là chất đốt tạo nhiệt thường chiếm khoảng từ
(12÷17)% tổng trọng lượng nguyên liệu; than cấp về các nhà máy chủ yếu lấy từ
nguồn mỏ than ở khu vực Quảng Ninh, sau khi kiểm tra đạt yêu cầu được xử lý
bằng cách đồng nhất để đảm bảo chất lượng khi sử dụng.
2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG LỊ ĐỨNG CƠ GIỚI HĨA

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

9

Chun ngành: Tự động hóa

Hình 2.1: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất xi măng lị đứng cơ giới hoá
của một nhà máy xi măng
2.2.1 Chế tạo phối liệu
2.2.1.1 Chế biến sơ bộ và đồng nhất nguyên liệu
2.2.1.2 Cân định lượng
Nguyên liệu được chế biến sơ bộ sau đó đưa tới các Silơ chứa, chuẩn bị cho cơng
đoạn cân

Vì vậy u cầu cho băng tải vận chuyển là :
• Điều chỉnh và ổn định tốc độ với u cầu khơng cao.
• Có thể đảo chiều quay.
• Khởi động có tải và làm việc liên tục.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

 10


Chuyên ngành: Tự động hóa

2.2.1.3 Nghiền bi
2.2.1.4 Trộn ẩm và vê viên
2.2.2 Nung clinker
Khi nung clinker trong lị nung thì có thể chia thành các q trình sau :
• Q trình sấy khơ và nung nóng nhiệt : tăng từ 25 0 ÷ 30oC q trình này được
thực hiện ở vùng sấy nhờ dịng khí nóng từ dưới vùng nung đi lên.
• Q trình phân huỷ các cấu tạo nguyên tử của các nguyên liệu, khi nung nóng
các cấu trúc Cacbonat bị phân huỷ thành Ơxít kim loại và CO 2. Khi liệu đạt 3000÷
900oC trong q trình này cịn diễn ra sự khử nước trong cấu trúc tinh thể khoáng sét,
phân huỷ chúng thành Al2O3 hoạt tính, SiO2 hoạt tính.
• Phản ứng pha rắn và sự hình thành pha lỏng clinker xảy ra nhit
6000ữ 1300oC.
ã Tng hp C3S trong pha lng: Q trình này xảy ra ở nhiệt độ 13000÷1450oC

trong khoảng thời gian từ 20 - 40 phút.
• Sự kết tinh pha lỏng tạo clinker : Sau khi quá trình tổng hợp pha lỏng xảy ra
hoàn toàn ở nhiệt độ t max = 1450oC thì clinker chuyển sang giai đoạn kết tinh pha
lỏng nhờ giảm nhiệt độ. Trong quá trình này nhiệt độ giảm càng nhanh càng tốt
(nhiệt độ giảm từ 14500C xuống 1200oC).
• Làm nguội clinker trong vùng làm nguội nhiệt độ giảm từ 1200oC xuống 150oC ở
quá trình này xảy ra sự biến đổi thù hình của clinker qua nhiều giai đoạn.
2.2.3 Nghiền xi măng
Đây là giai đoạn công nghệ cuối cùng trong sản xuất xi măng, xi măng phải
được nghiền tới độ mịn cao và đảm bảo thành phần cỡ hạt, để nghiền xi măng người
ta dùng hệ thống máy nghiền bi nhiều ngăn theo chu trình kín có hệ thống phân ly
trung gian thu hồi sản phẩm nghiền mịn, tránh hiện tượng bột mịn làm giảm khả
năng nghiền của bi đạn.
2.3 TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
ĐƯỢC DÙNG TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

 11


Chuyên ngành: Tự động hóa

Trong dây chuyền sản xuất của hầu hết các nhà máy xi măng đều trang bị các hệ
thống tự động làm việc liên tục, chính xác và ổn định đạt năng suất cao như:

• Hệ thống cân băng định lượng
• Hệ thống tự động đo mức clinker
• Hệ thống lọc bụi tĩnh điện
• Hệ thống cân đóng bao xi măng
2.3.1 Hệ thống cân băng định lượng
Trong công nghệ sản xuất xi măng các thiết bị định lượng chuyên dùng có nhiều
kiểu, có thể phân loại các thiết bị định lượng như sau:
• Theo chế độ vận hành có : Định lượng liên tục và định lượng gián đoạn.
• Theo phương pháp định lượng người ta chia thành : Định lượng theo thể tích
(đong) hoặc theo định lượng (cân) hoặc ở dạng hỗn hợp (cân đong).
• Theo phương pháp điều khiển định lượng : Thiết bị định lượng thủ công, thiết
bị định lượng từ xa, thiết bị định lượng tự động (theo chương trình đặt sẵn).
2.3.2 Sơ đồ nguyên lý kết cấu băng tải cân băng
Băng tải cân (9)

Khung cân (8)

Chân đế (10)

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Con lăn cân (1)

 12


Chuyên ngành: Tự động hóa

Động cơ (7)

Đầu đo khối lượng
(5)
Đối trọng (2)
Lò xo căng băng
(4)
Bộ truyền đai (3)
Tang chủ động (6)

2.3.3 Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống cân băng định lượng
Hệ thống cân băng định lượng của nhà máy xi măng có các đặc tính kỹ thuật sau:
• Hình thức định lượng: Cân băng tải theo định mức
• Năng suất đạt 25 tấn/h (có thể mở rộng đến 40 tấn/h).
• Cho phép thay đổi năng suất các cân theo tình hình sản xuất và tiêu thụ
sản phẩm bằng bàn phím máy tính.
• Tốc độ tối đa của các băng ti cõn: 1,0 ữ 10,0 m/ph (tu cõn).
ã Sai s của các cân : ≤ 2%.
• Có hiện số về tốc độ băng tải và trọng lượng tức thời trên các băng tải trên hộp
điều khiển và trên màn hình máy tính đặt tại phịng điều khiển.
• Có các chương trình cân, kiểm định cân và chỉnh định hồn tồn tự động.
Chương trình quản lý đi kèm với phần mềm điều khiển

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm

 13


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

2.4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH
LƯỢNG DÙNG ĐỘNG CƠ ĐB KTNCVC VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN
2.4.1 Sơ đồ khối và nguyên lí điều khiển
2.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng động cơ ĐB
KTNCVC với bộ điều khiển phi tuyến

is
u Mơ hình
điện động cơ

PBC

BPC

m*

-

ω*
ω

mT mM

zc
sJ

Bộ lọc
Mơ hình động cơ ĐBKTVC

Qđặt
Quy đổi

÷
Đầu đo
khối lượng

Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng

CHƯƠNG 3
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
BACKSTEPPING CHO HỆ THỐNG
Như đã chỉ ra ở chương trước, chương này đi vào áp dụng cụ thể phương pháp điều
khiển Backstepping để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống cân băng định
lượng sử dụng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
3.1. ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ ĐBKTVC
3.1.1 Cấu trúc điều khiển

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm

 14


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

Nội dung của việc thiết kế bộ điều khiển dịng động cơ gồm các công việc sau
- Tổng hợp bộ điều khiển dòng backstepping cơ bản động cơ đồng bộ kích thích vĩnh
cửu gồm: Tổng hợp bộ điều khiển thành phần ird và irq trên miền liên tục.
- Kiểm tra chất lượng của bộ điều khiển thông qua mô phỏng bằng Matlab - Simulink.
3.1.2 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển
3.1.2.1 Phát biểu bài tốn
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có mơ hình được mơ tả bởi các phương
trình (1.38) - (1.39), với các vector trạng thái [i sT,ϑ,ω]T, điện áp cung cấp cho hệ
thống cuộn dây stator là vector điện áp u. Tốc độ đầu ra được điều khiển là ω. Thiết
kế một bộ điều khiển backstepping (BPC) sao cho tốc độ và từ thông rotor thoả mãn:
lim | ω − ω * |= 0 tất cả các trạng thái trong bị giới hạn.
t →∞

3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng

is
BPC

Mơ hình
điện động cơ

u

mT -

zc
sJ

3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng mM
m*

-

ω*
ω

Bộ lọc
Mơ hình động cơ ĐBKTVC

Qđặt
Quy đổi

÷
Đầu đo
khối lượng

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm

 15


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

u
isd*

DC

Khâu ĐCD
usd

MTu

isq*

-

usq

usa

ejϑs

tr
ts

tt

usb
ĐCVTKG

isa

isd

e-jϑs

Lọc

isb 2

3

isu
isv

ϑs
ω

*

3~
ω

ĐCĐB

Khâu ĐCω

ω

IE

Qđặt
Quy đổi

÷
Đầu đo
khối lượng

Hình 3.3- Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tuyến

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


 16


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

4
MT
1 /L sd

1

T sd /(1 + sT sd )

Us

-K -

In 1

0 .0 1 5 3

P ro d u c t4
2

-K -

0 .0 1 5 3 s+ 1

3

usd

0 .0 0 0 4 s

L sd - L sq
2

zc/sJ

3 z c/2

-K Uv

In 2
P ro d u c t1

-K 3

Om ega
1

Uw

In 3

P ro d u ct
usq

1 /L sq

Om egaS
5

-K T r2

-K -

0 .1 0 8

v s1

0 .0 4
Q uy doi nguon

tu th o n g

0 .0 4 s+ 1
T sq /(1 + sT sq )

1
s
T ic h p h a n

vs
6

-K -

Q uy doi

i sq

Toc do n
2

3

i sd
4

3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TỪ
THÔNG ROTOR
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cơ bản thành phần isd
Từ hệ phương trình mơ tả q trình động học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh
cửu (chương 1):





disq
ψp 
Lsd
1
1
= −ωs
isd −
isq +
usq − ωs
dt
Lsq
Tsq
Lsq
Lsq 

L
disd
1
1

=−
isd + ωs sq isq +
usd
dt
Tsd
Lsd
Lsd

(3.6)

Với phương trình từ thông:

ψ sd = Lsd isd + ψ P 

ψ sq = Lsq isq

(3.7)
Phương trình mơ men của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

mM =

 17


Chuyên ngành: Tự động hóa

[

3
3
z p (ψ sd isq −ψ sq isd ) = z p ψ p isq + isd isq ( Lsd − Lsq )
2
2

]

(3.8)

Vậy ta được bộ điều khiển dòng isd như sau:

a
b
1 di*
K
usd = − isd − isq + . sd − 1 z1
c
c
c dt
c

(3.13)

3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cơ bản thành phần isq

Ta được bộ điều khiển dòng isq như sau:
*

a'
b'
d
1 di
K
usq = − isd − isq − ψ p + . sq − 2 .Z 2
c'
c'
c'
c' dt
c'

(3.23)

3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping theo phương pháp tuyến tính hố
chính xác và tách kênh trực tiếp
Bước1: Thực hiện tuyến tính hố chính xác. Khi đó mơ hình tốn học của động cơ
đồng bộ kích thích vĩnh cửu sẽ có dạng mới như sau:

 disd
 dt = w1


 disq = w
2
 dt


(3.25)

Trong đó:

w1 = aisd + bisq + cusd
(3.26a)

w2 = a' isd + b' isq + c' u sq + d ψ p

(3.26b)

Bước 2: Từ các phương trình (3.25), áp dụng thủ tục thiết kế Backstepping để
xây dựng bộ điều khiển:
3.2.4. Thiết kế bộ điều khiển isd
3.2.5. Thiết kế bộ điều khiển isq
3.2.6. Thiết kế bộ điều khiển isd và isq có đưa thêm khâu tích phân

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm


 18


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

CHƯƠNG 4
MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.1. SƠ ĐỒ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG MƠ HÌNH MATLAB- SIMULINK
In1 Isd*

is d*
Out1

Step

Usd

tinh gia tri dong i sd*

In1

Isd
Out2

n

W 'p Isq*

Isq*

In2
Out3

T o Workspace2

Usq
m* thong
tu

Toc do quay

is q
Out4
In3

tinh gia tri dong i sq*

So sanh toc do

omega
Out5
Vs

Toc do goc

In4
W*p
Out6

Bo dieu khien dong

Subsystem 3

In1
mom endat

In
mom entai
In3

Subsystem 2

t
Cl ock

T o Workspace1

Qtt

40

Out1

Divide

40

Gai n2

Out2

He so quy doi toc do

Subsystem

Di vide1

Product

So sanh Q
1
0.002s+1
Bo loc1

Q
T o Workspace

4.1.1 Sơ đồ của bộ điều khiển BPC trong mơ hình Matlab-Simulink
4.1.1.1 Khối bộ điều khiển dòng
1

is d*

isd*
2

Is d

Isd
4

Is q

i sq

1

Usd
om ega_s

Sa tu ra tion

Usd

20 00
Ks 1

K1 1
Kt1

10 00
5
om eg a

K1 2

P rod uct

T han h pha n isd

6
W*p

isd

3

Is q*

Isq*
Is q

4.1.1.2 Các khâu tính tốn giá trị đặt

om ega_s

2

U sq

S aturatio n1

Usq

W *p

20 00

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm

Ks 2

K2 1

Kt2

10 00
K2 2

Pro duct1

T han h pha n isq
1
s
Inte grator

3
Vs


 19


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

*
* Khâu tính tốn giá trị dịng đặt i sd

1
Tu thong dat

-C1
Tu thong

Isd*

Divide

-CLsd
*
* Khâu tính tốn giá trị dịng đặt isq

1
1

W'p
Divide
2

Saturation1

Isq*

1/3

m*

Gain2

m*
2
tu thong

* Điều khiển tốc độ và tính tốn mơ men
1
-K-

w*

1
s

Gain2

Integrator
2

6

w
Gain3
du/dt

-K-

Derivative1

1
mM*

Gain4

3

Mt
2
MT
Step1
Step2

*. Khâu tính tốn vận tốc đặt ω *
Out1
Divide

1
Omega dat

Q dat

4.2 THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Out1

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Loadcell

HV: Nguyễn Thị Tâm


 20


Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật

Chuyên ngành: Tự động hóa

4.2.1 Tham số của động cơ
4.2.2 Tham số của bộ điều khiển
4.3 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
4.3.1 Kết quả mơ phỏng tốc độ
1200

1000

800

600

400

200

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Hình 4.2: Tốc độ đặt và tốc độ của động cơ khi hệ thống hoạt động với
sản lượng đặt Q = 100 kg/ms và khối lượng khơng đổi
1200

1000

800

600

400

200

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Hình 4.3: Tốc độ đặt và tốc độ của động cơ khi hệ thống hoạt động với
sản lượng đặt Q = 100 kg/ms và khối lượng m nhảy bậc từ 2kg/m2 lên 3kg/m2

GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HV: Nguyễn Thị Tâm