hệ điều khiển cho truyền động t-đ có tham số mô men quán tính j biến đổi

1
MỞ ĐẦU
Mục tiêu của điều khiển là ngày càng nâng cao chất lượng các hệ thống
điều khiển tự động. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác
nhau với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành
nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cụ thể để ứng dụng điều khiển cho
từng đối tượng. Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển làm cho các hệ
truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp,
và hiệu quả đạt được là cao nhất đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động điện
và các dây chuyền sản xuất.
Những năm gần đây khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là ngành
điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo điều kiện thuận lợi vừa đặt ra
vấn đề đòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển để đáp ứng yêu cầu
ngày càng cao những đòi hỏi của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển
ngày càng cao của khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển
cho các hệ truyền động có tham số biến đổi dựa trên các lý thuyết điều khiển hiện
đại là một vấn đề rất cần thiết đối với việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và
thực tiễn cuộc sống.
Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp được nhiều nhà khoa
học trong và ngoài nước sử dung rất nhiều đó là phương pháp mô hình hoá hệ
thống. Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Matlab Simulink để xây dựng mô
hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển, đây là công cụ khá đắc lực giúp được
nhiều lợi ích thiết thực trong việc nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau và có khả
năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều.
Động cơ điện một chiều có kết cấu với nhiều dạng khác nhau và có rất nhiều
công dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Động cơ điện một chiều được sử dụng
rộng rãi trong các hệ truyền động ở các nhà máy cán thép, ở các cần trục, trong cơ
cấu truyền động tay máy, quay anten, điều khiển pháo binh, tên lửa, máy CNC, tàu
biển, xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền …
2
Hệ truyền động T-Đ thường được dùng trong các hệ thống truyền động điện

đòi hỏi chất lượng cao chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động
này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Và nói chung, phần lớn các hệ
thống truyền động trong thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoặc
không thể biết trước.
Đối với hệ truyền động T-Đ các thông số thường bị thay đổi làm ảnh hưởng
chất lượng điều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy điện bị bão hòa làm điện cảm
mạch phần ứng L
u
của động cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng R
u
của máy điện
thay đổi theo nhiệt độ làm việc và do đó hằng số thời gian mạch phần ứng T
u
= L
u
/R
u
cũng sẽ thay đổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ thông Φ có
thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay đổi. Khi xét đến tải
của các hệ truyền động thì mô men quán tính của tải thường bị thay đổi làm cho mô
men quán tính của hệ qui đổi về trục của động cơ thay đổi ……. Nếu như hệ truyền
động điện có cấu trúc, tham số bộ điều chỉnh cố định và được chỉnh định theo tiêu
chuẩn tối ưu nào đó ở các giá trị xác định của hệ, thì chất lượng của hệ sẽ không
được đảm bảo khi cấu trúc, tham số của hệ bị thay đổi trong qua trình làm việc.
Trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện yêu cầu chất lượng không cao
ta thường bỏ qua các thay đổi này nhưng trong các truyền động yêu cầu chất lượng
cao thì cần phải có mạch điều chỉnh với cấu trúc, tham số của nó có thể thay đổi đáp
ứng theo sự biến thiên của hệ, sao cho đảm bảo yêu cầu chất lượng của hệ. Do vậy
việc nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho hệ truyền động T-Đ có tham số biến
đổi đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên

cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tế điều
khiển.
Mômen quán tính của tải là đại lượng đặc trưng cho sự phân bố khối lượng
của tải (vật). Mômen quán tính của một vật đối với một trục nào đó phụ thuộc vào
khối lượng của vật và bán kính quán tính của vật tức là
2
2
RG
J
⋅
=
nên trong các
truyền động có sự thay đổi khối lượng hay bán kính quán tính của tải trong quá
3
trình làm việc sẽ làm cho mômen quán tính của chung của hệ thay đổi và ảnh hưởng
xấu đến chất lượng điều khiển chung của hệ. Một số hệ truyền động có mômen
quán tính J của tải thay đổi thường gặp như truyền động trong tay máy (hình 1) và
truyền động trong máy quấn dây (hình 2) …
Hình 1 Truyền động trong tay máy
Hình 2 Truyền động trong máy quấn dây
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho
truyền động T-Đ có tham số mômen quán tính J biến đổi, nhằm nâng cao chất lượng
hệ truyền động, giữ cho hệ luôn đạt được một chất lượng điều chỉnh cao khi tham
số của hệ biến đổi, từ đó hoàn thiện phương pháp điều khiển chung cho hệ truyền
động T-Đ có tham số biến đổi. Tăng khả năng ứng dụng của phương pháp vào trong
thực tế sản xuất.
4
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ truyền động T-Đ. Phạm vi nghiên cứu
là hệ điều khiển cho truyền động T-Đ có tham số mô men quán tính J biến đổi.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài chính là ở chỗ đã hệ thống hóa các

vấn đề về điều khiển hệ truyền động T-Đ có tham số biến đổi. Đề xuất và xây dựng
được hệ điều khiển cho truyền động có tham số biến đổi dựa trên cơ sở lý thuyết
điều khiển thích nghi và điều khiển mờ. Góp phần khẳng định vấn đề phát triển và
khả năng triển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ, điều khiển thích nghi cho hệ
truyền động có tham số biến đổi nói chung.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia thành 5 chương:
Chương 1: Hệ truyền động T-Đ.
Chương 2: Điều khiển thích nghi.
Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển thich nghi cho truyền động T - Đ có
tham số J biến đổi.
Chương 4: Điều khiển mờ và mờ lai PID.
Chương 5: Xây dựng hệ điều khiển mờ lai PID cho truyền động T- Đ có
tham số J biến đổi.
5
Chương 1
HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG.
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các
hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài
W đến hàng MW. Đây là loại động cơ đa dụng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu
mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng
đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều
nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ.
Hệ truyền động T-Đ, so với hệ truyền động máy phát - động cơ thì hệ truyền
động T-Đ đảo chiều khó khăn hơn do các chỉnh lưu dẩn dòng theo một chiều và ta
chỉ điều khiển được thời điểm van mở còn thời điểm đóng van phụ thuộc vào điện
áp nguồn. Vì vậy yêu cầu đối với hệ T-Đ đảo chiều độ an toàn và logic điều khiển
phải chặt chẽ. Tuy nhiên do lợi thế của các hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không
gây ồn ào và do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất lớn nên các hệ
điều khiển có cấu trúc nhiều vòng, mức độ tự động hoá cao thường sử dụng hệ T-Đ.

Trong hệ truyền động T-Đ, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu
điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ.
Chỉnh lưu ở đây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha.
1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ T - Đ.
1.2.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều.
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u
k
nào đó thì trong dây quấn kích từ
sẽ có dòng điện i
k
và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá
trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy
qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện
từ , giá trị của mômen điện từ được tính như sau:
IkI
a
Np
M Φ=Φ= .
.2
'.
π
(1.1)
Trong đó: p' - số đôi cực của động cơ.
6
N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ.
a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
k = pN/2π.a - hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phấn ứng
quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:
ωω

π
Φ=Φ= k
a
Np
E .
2
'
(1.2)
Trong đó: ω - tốc độ góc của rôto.
Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng
điện áp phần ứng:
Φ
−
=
k
IRU
u
ω
(1.3)
Trong đó: R
u
- điện trở mạch phần ứng của động cơ.
1.2.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều.
1.2.2.1. Mô tả chung.
Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được phương trình
mô tả sơ đồ thay thế như sau:
Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ i
k
và từ thông máy Φ là phụ thuộc
phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

U
k
(p)= R
k
I
k
(p) +N
k
.P.Φ(p) (1.4)
Trong đó N
k
- số vòng dây cuộn kích từ;
R
k
- điện trở cuộn dây kích từ.
Mạch phần ứng:
U(p)= R
u
.I(p) + L
u
p I(p) ± N
N
p Φ(p) + E(p) (1.5)
Hoặc dạng dòng điện:
)]()()([
1
1
)( pEppNpU
pT
R

pI
N
u
u
−Φ±
+
=

Trong đó Lu - điện cảm mạch phần ứng;
N
N
- số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;
Tu - Lu/Ru - hằng số thời gian mạch phần ứng.
7
Phương trình chuyển động của hệ thống:
ω
JppMpM
c
=− )()(
(1.6)
Trong đó J là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ.
Từ các phương trình trên thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ một
chiều (hình 1.1). Thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính toán
ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc.
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều
Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập (N
N
= 0) thì có thể viết các
phương trình sau:
Mạch phần ứng:

)]()].[([
)]([)]([)(
ppK
pIILppIIRpUU
Bo
ououo
ωω
∆+∆Φ+Φ+
+∆++∆+=∆+
(1.7)
Mạch kích từ:
)]([)]([)( pIIpLpIIRpUU
kkokkkokkko
∆++∆+=∆+
(1.8)
Phương trình chuyển động cơ học:
)]([)]([)]()].[([ BJpMMpIIpK
BpcBoo
ωω
∆+=∆+−∆+∆Φ+Φ
(1.9)
Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể
viết được các phương trình của gia số:
8
)1).((.)]( )( [)(
uuoB
pTpIRpKpKpU +∆=∆Φ+∆Φ−∆
ωω
(1.10)
)1).((

kkkk
pTpIRU +∆=∆
(1.11)
)(.)(.)( ppJMpIKpIK
coo
ω
∆=∆−∆Φ+∆Φ
(1.12)
Hình 1.2 trình bày sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hoá theo các phương
trình (1.10), (1.12) của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động cơ điện một chiều
1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi.
Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích
bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
KΦ = const = C
u
U(p) = R
u
.I(p).(1+pT
u
) +C
u
.ω(p) (1.13)
C
u
.I(p) - M
c
(p) = Jp.ω(p) (1.14)
Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 1.3.
Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn hình 1.4, Trong đó đặt:

hệ số khuyếch đại động cơ: K
đ
= 1/C
u
, hằng số thời gian cơ học:
2
u
u
c
C
JR
T =
(1.15)
1
)(.)(
)(
2
++
+
=
pTpTT
C
pM
R
TppU
pI
ccu
u
c
u

c
(1.16)
9
Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
Hình 1.4 Các sơ đồ cấu trúc gọn:
a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện.
1.2.3. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển.
Bộ biến đổi tiristo với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp (dòng điện) ra là
một chiều là các thiết bị điện, biến nguồn điện xoay chiều ba pha thành điện áp một
chiều điều khiển được. Hoạt động của mạch do nguồn xoay chiều quyết định vì nhờ
đó mà có thể thực hiện được chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Phần mạch quan trọng của chỉnh lưu là phần điều khiển, tại đó các xung mở
tiristo được phát ra theo một trật tự đã định. Quy luật hoạt động của mạch điều
10
khiển được xác định bởi loại chỉnh lưu (đảo chiều, không đảo chiều, …) và bởi đặc
tính phụ tải.
Trong thực tế truyền động điện hay dùng nhất là hệ thống phát xung đồng bộ
nhiều kênh, trong đó việc đồng bộ được thực hiện nhờ việc đồng bộ hoá điện áp tựa
với lưới. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa quét ngược hoặc là hình sin.
Các hệ thống làm việc với điện áp tựa kiểu răng cưa là bất biến khi biên độ
điện áp nguồn thay đổi. Xung điều khiển xuất hiện tại thời điểm mà điện áp tựa
bằng điện áp điều khiển.
Phần mạch lực của chỉnh lưu thường được phân thành hai nhóm chính, chỉnh
lưu hình tia và hình cầu. Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia (anôt chung hoặc catôt
chung) mỗi pha của nguồn xoay chiều chỉ dẫn dòng trong một nữa chu kỳ. Sơ đồ
chỉnh lưu cầu bao gồm hai chỉnh lưu hình tia. Các van tiristo có thể được nối theo
kiểu điều khiển đối xứng hoặc không đối xứng.
Trong truyền động điện, đa số các trường hợp chỉnh lưu được điều khiển
bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất xung
và tính bán điều khiển đến quá trình quá độ là nhỏ và do đó, gần đúng có thể coi

chỉnh lưu là mạch điều chỉnh liên tục với sơ đồ thay thế như hình 1.5.
Hình 1.5 Mạch thay thế chỉnh lưu
Trong đó
.
2
)
4
1(
fefb
L
mm
RR
ω
ππ
µ
+−=
fb
LL =
m - số xung áp đầu ra;
µ
- góc chuyển mạch cực đại;
L
f
, R
f
- điện cảm và điện trở của một pha xoay chiều.
Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu, khi hiện tượng chuyển mạch
không có ảnh hưởng đến giá trị trung bình của điện áp thì điện trở R
b
=R

f
.
11
Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm
của tín hiệu điều khiển thay đổi không trùng với thời điểm thay đổi góc điều khiển
α. Độ dài của khoảng thời gian trễ này có đặc tính ngẫu nhiên. Theo kinh nghiệm,
nên chọn giá trị của thời gian trễ là:
.
e
vo
m
T
ω
π
=
(1.17)
Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn, có thể dùng biểu diễn gần đúng bởi
khai triển Mc.Laurin:
+++
=
−
22
!2
1
1
1
vovo
pT
TppT
e

vo
(1.18)
và khi này có thể thay thế hàm trễ bởi một khâu quán tính.
Hình 1.6. Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo
Hình 1.7 Hàm truyền của bộ chỉnh lưu trong trường hợp gần đúng.
1.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN.
1.3.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành
thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của
mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là
trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác định mômen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức
năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc v.v…
Một phương án đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện có cấu trúc như hình
1.8a dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuyếch đại tổng và
mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P. Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi
12
tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm viêc như bộ điều chỉnh tốc độ
(hay điện áp) mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện. Khi dòng
điện đủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng
hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R.
Phương án thứ hai được mô tả trên hình 1.8b. Có hai mạch vòng với hai bộ
điều chỉnh riêng biệt R
1
, R
2
, trong đó R
2
là bộ điều chỉnh dòng điện với giá trị đặt
I
đ

. Cấu trúc kiểu này cho phép điều chỉnh độc lập từng mạch vòng.
Phương án điều chỉnh dòng điện được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền
động điện tự động như trên hình 1.8c, trong đó R
1
là bộ điều chỉnh dòng điện, R
ω
là
bộ điều chỉnh tốc độ. Mỗi mạch vòng có bộ điều chỉnh riêng được tổng hợp từ đối
tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng.
Hình 1.8 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
13
1.3.2. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện khi bỏ qua sức điện động
động cơ.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như trên hình 1.9, trong đó
F là mạch lọc tín hiệu, R
i
là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều,
S
i
là xenxơ dòng điện.
Xenxơ dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều
hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch do cách ly trong mạch một chiều.
Hình 1.9 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện.
Trong đó: T
f
, T
đk
, T
vo
, T

u
, T
i
- các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển
chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và xenxơ dòng điện.
R
u
- điện trở mạch phần ứng.
α
∂
∂
d
U
- hệ số khuyếch đại của chỉnh lưu.
Trong trường hợp coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá
trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện tức là coi ΔE = 0 hoặc E = 0.
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là
như sau:
)1)(1)(1)(1)(1(
/.
)(
iuvođkf
uicl
oi
PTPTPTPTPT
RKK
PS
+++++
=
(1.19)

Trong đó các hằng số thời gian T
f
, T
đk
, T
vo
, T
i
là rất nhỏ so với hằng số thời gian
điện từ T
u
. Đặt T
s
= T
f
+ T
đk
+ T
vo
+ T
i
thì có thể viết lại (1.19) ở dạng gần đúng sau:
)1)(1(
/
)(
pTpT
RKK
pS
us
uicl

oi
++
=
; Trong đó T
s
<<T
u
. (1.20)
14
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh
dòng điện có dạng khâu PI :
paT
R
KK
pT
pR
s
u
icl
u
i
.
1
)(
+
=
(1.21)
Trong đó để bù hằng số thời lớn hơn (
u
T

), ta chọn
s
TT =
σ
và hằng số a có
thể lấy a = 2
Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng sẽ là:
( )
22
221
11
112
11
)(
)(
pTpT
KpTpTKpU
pI
ss
issiiđ
++
⋅=
++
⋅=
(1.22)
1.3.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc
độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống
điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các hệ thống
này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần

đạt vô sai cấp một hoặc vô sai cấp hai.
Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Rω có thể được
tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải M
c
. Trong trường hợp
chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều khiển lẫn từ
phía tín hiệu nhiễu loạn.
Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình 1.10.
Hình 1.10 Sơ đồ khối
1.3.4. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ.
15
Ở phần trên ta đã tổng hợp được mạch dòng điện, trong phần này sẽ sử dụng
biểu thức kết quả trong đó đã bỏ qua ảnh hưởng của s.đ.đ của động cơ:
)1(21
1
.
1
)(
)(
pTpTKpU
pI
ssiiđ
++
=
(1.23)
Do T
S
rất nhỏ → T
S
2

≈ 0, do vậy để thuận tiện trong tính toán tiếp theo, ta có
thể thay (1.23) bởi biểu thức gần đúng tính hàm truyền của mạch vòng dòng điện:
pTKpU
pI
siiđ
21
1
.
1
)(
)(
+
=
(1.24)
Hoặc nếu mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối
xứng thì:
pTKpU
pI
siiđ
41
1
.
1
)(
)(
+
=
(1.25)
Sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như trên hình 1.11, trong đó S
ω

là xenxơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền K
ω
và hằng số
thời gian (lọc) T
ω
. Thường T
ω
có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’
s
=2T
s
+ T
ω
, đối tượng
điều chỉnh có hàm truyền:
)1'2(
1
.)(
2
+
=
pTPTKK
KR
pS
sci
u
o
φ
ω
(1.26)

Theo tiêu chuẩn tối ưu môđun, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều
chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ:
'
2
'2
1
.)(
p
su
ci
K
aTKR
TKK
pR ==
ω
φ
ω
(1.27)
Trong đó thường lấy a
2
= 2
16
Hình 1.11 Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ
Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là:
1)12('4
11
)(
)(
++
=

pTpTKpU
p
ssvđ
ω
ω
(1.28)
Sau đây ta kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đến độ quá điều chỉnh và độ
chính xác tĩnh của hệ thống vừa nêu. Theo sơ đồ khối hình 1.11 tính được:
[ ]
]
)(
)(
1[
)()()(
)(
pI
pI
pTK
pIR
pTK
RpIpI
p
cc
cu
c
uc
−−=
−
=∆
φφ

ω
(1.29)
Mặt khác: [I(p) - Ic(p)].Fo(p) = -I(p)
Do đó:
)(1
)(
)(
)(
pF
pF
pI
pI
o
o
c
+
=
Trong đó Fo(p) là hàm truyền mạch vòng của hệ điều chỉnh tốc độ.
Khi Ic = 1(t) thì:
1)1'2('4
1'2
.
.
'4
)(1
1
.
.
)(
++

+
=
+
−=∆
pTpT
pT
TK
RIT
pFpTK
IR
p
ss
s
c
ucs
oc
cu
φφ
ω
(1.30)
Từ biểu thức (1.30) thấy rằng độ sụt tốc độ tĩnh Δω = Ic.Ru/K
Φ
trong hệ
thống hở sẽ được giảm đi Tc/4T’s lần trong hệ kín. Trên hình 1.12 mô tả quá trình
thay đổi dòng điện và tốc độ khi có đột biến nhiễu tải. Mạch vòng tốc độ này là vô
sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với tín hiệu nhiễu.
Giá trị của sai lệch tĩnh tuỳ thuộc vào các thông số trong biểu thức (1.30):
c
c
us

t
I
TK
RT
.
4
φ
ω
−=∆
∞→
(1.31)
Hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh tốc độ Kp có thể thay đổi thông qua
tham số a
2
theo (1.27).
17
Hình 1.12 Quá trình dòng điện và tốc độ khi có nhiễu tải
1.3.5. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI.
Trong nhiều thiết bị công nghệ thường có yêu cầu hệ thống điều chỉnh vô sai
cấp cao, khi này có thể sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng để tổng hợp các bộ
điều chỉnh. Với mạch vòng điều chỉnh tốc độ hàm truyền của bộ điều chỉnh có
dạng:
pKT
pT
pR
o
o
+
=
1

)(
ω
(1.32)
Và hàm truyền mạch hở sẽ là:
)1'2(
1

1
)(
+
+
=
pTpTKK
KR
pKT
pT
pF
sci
u
o
o
o
φ
ω
(1.33)
Từ (1.33) có thể tìm được hàm truyền mạch kín F(p), đồng nhất F(P) với
hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được tham số của bộ điều chỉnh
Nếu chọn T’s = Ts thì:
To = 8Ts
s

ci
u
s
s
ci
u
T
TKK
KR
T
T
TKK
KR
K '4.
.'8
)'2(8
.
.
2
φ
ω
φ
ω
==
)
.'8
1
1(
'4
1

.
.
)(
pTTKR
TKK
pR
ssu
ci
+=
ω
φ
ω
(1.34)
Thấy rằng thành phần tỷ lệ của bộ điều chỉnh (1.34) đúng bằng hệ số
khuyếch đại của bộ khuyếch đại (1.27)
Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu đối xứng thường phải dùng
thêm khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu đặt này thường
18
có hàm truyền đạt của khâu lọc thông thấp bậc nhất, có hằng số thời gian lọc tuỳ
thuộc vào gia tốc cho phép của hệ thống. Tất nhiên khâu tạo tín hiệu đặt này phải
đặt bên ngoài mạch vòng điều chỉnh tốc độ.
Hàm truyền mạch kín của hệ thống:
1]1)'21('4['8
'81
)(
)(
)(
+++
+
==

pTpTpT
pT
pU
pU
pF
sss
s
đ
ω
ω
ω
(1.35)
Căn cứ vào các biểu thức đã nêu trên ta có thể tính được hàm truyền với tín
hiệu nhiễu loạn là dòng điện tải:
1]1)'21('4['8
'81
)(
)(
)(
+++
+
=
∆
∆
=
pTpTpT
pT
pI
pI
pF

sss
s
c
i
(1.36)
và cũng tính được sai số tốc độ tương ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:
1]1)'21('4['8
)'21('8
.
'4

)]()([
)(
+++
+
−=
−
=∆
pTpTpT
pTpT
TK
IRT
R
pTK
pIpI
p
sss
ss
c
cus

u
c
c
φ
φ
ω
(1.37)
Kết quả là, mạch vòng điều chỉnh tốc độ là vô sai cấp hai đối với tín hiệu
điều khiển (1.35) và là vô sai cấp một đối với tín hiệu nhiễu (1.37). Như vậy khi đã
ổn định thì sai lệch tốc độ sẽ bằng không.
1.4. TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ.
1.4.1. Sơ đồ cấu trúc và tham số hệ truyền động T-Đ:
Sơ đồ cấu trúc:
19
Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ một chiều
Các phần tử trong hệ truyền động T- Đ :
- Động cơ Đ: Động cơ điện một chiều, kích từ độc lập, dòng điện kích từ
không đổi (từ thông là hằng số).
+ Động cơ : 2,2kW–220V-12A- 1500vòng/phút.
Ω= 2,1
u
R
;
mHL
u
31=
.
+ Dòng điện cho phép lớn nhất:
AI
cp

36=
.
+ Hằng số thời gian mạch phần ứng:
3
3
10.83,25
2,1
10.31
−
−
===
u
u
u
R
L
T
.
+ Từ thông định mức:
đm
uđđuuđđ
đm
uđđ
i
W
IRU
W
E
KF
.−

==
= 1,3089.
+ Mômen quán tính tính toán kể cả roto của động cơ:
2
.016,0 mkgJ =
.
- Chỉnh lưu CL: Chỉnh lưu thực hiện nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều. Chỉnh lưu CL sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha có
điều khiển dùng van tiristo. Khối phát xung điều khiển các tiristo sử dụng hệ thống
phát xung đồng bộ nhiều kênh, trong đó việc đồng bộ được thực hiện nhờ việc đồng
bộ hoá điện áp tựa với lưới. Điện áp tựa có dạng hình răng cưa quét ngược được tạo
ra từ máy phát điện áp tựa.
20
+ Hệ số
cl
K
: Vì chỉnh lưu là chỉnh lưu cầu 3 pha m = 3.
2,57
9
22043,234,2
=
⋅
==
rc
cl
U
U
K
.
+ Hằng số thời gian mạch chỉnh lưu:

3
0
10166,0
−
⋅=
v
T
.
+ Máy phát xung răng cưa có biên độ
vU
rcm
9=
.
+ Hằng số thời gian mạch điều khiển :
3
102,0
−
⋅=
đk
T
.
- Đo lường dòng điện: Sử dụng 3 biến dòng lắp đặt ở ba pha. Điện áp sơ cấp
biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điôt ba pha, mạch lọc RC lọc thành phần xoay
chiều sau chỉnh lưu.
+ Thông số mạch lọc RC: R
d
= 100 ; C
d
= 0,000005.
+ Tỷ số biến đổi dòng:

1:50=
bd
K
.
+ Hàm truyền cơ cấu đo dòng điện:
pT
K
pI
pU
pF
i
i
I
i
.1)(
)(
)(
1
2
+
==
Trong đó: Hệ số tỷ lệ
2
50
100
===
bd
d
i
K

R
K
.
Hằng số thời gian bộ lọc:
0005,0. ==
ddi
CRT
.
- Đo lường tốc độ: Sử dụng máy phát tốc một chiều FT. Để đảm bảo yêu cầu
là điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc độ
động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại lượng đo, ta sử
dụng máy phát tốc một chiều có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc
độ. Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp
và sử dụng là thép kỹ thuật điện mỏng (hạn chế tổn thất dòng điện xoáy). Để loại bỏ
sóng điều hoà tần số cao sử dụng bộ lọc lắp ở đầu ra máy phát tốc.
+ Máy phát tốc FT:
vUphútvòngn
đmđm
24;/3000 ==
.
+ Hàm truyền của máy phát tốc khi có bộ lọc sẽ là:
pT
K
p
pU
pF
f
.1)(
)(
)(

ω
ωω
ω
+
==
21
Trong đó:
3000
2455,9
55,9
⋅
=
⋅
=
đm
đm
n
U
K
ω
= 0,0764
+ Hằng số thời gian nhỏ:
0005,0=
ω
T
.
* Đoạn chương trình tính toán và tạo dữ liệu cho đối tượng cũng như tính
toán tham số các bộ điều khiển được thể hiện ở phụ lục 1
1.4.2. Mạch vòng dòng điện.
- Hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục.

- Coi sức điện động E không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch
vòng dòng điện.
- Bộ điều chỉnh dòng điện RI thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu môđun như đã
trình bày ở mục 1.3.2
Tính toán thông số của khâu chỉnh lưu:
vođkcl
TTT ⋅=
2
= 0,0002 x 0,000166 = 3,32 e-8
vođkcl
TTT +=
1
= 0,0002 + 0,000166 = 0,000366
Bộ điều chỉnh dòng điện RI thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu môđun
paT
R
KK
pT
pR
si
u
icl
u
i
.
1
)(
+
=
=

pT
pT
ri
u
+1
vođkisi
TTTT ++=
= 0,0005+ 0,0002 + 0,000166 = 0,000866
2,1
22,57000866,02
2
×××
=
⋅⋅⋅
=
u
iclsi
ri
R
KKT
T
= 0,16512
Mô hình cấu trúc mạch vòng dòng điện với bộ điều chỉnh dòng điện RI thiết
kế theo tiêu chuẩn tối ưu môđun như hình 1.14
22
uid
ei
udk
Iu
ui

Uu
sai lech
Ki
Ti.s+1
Transfer Fcn4
1/Ru
Tu.s+1
Transfer Fcn2
Kcl
Tcl2.s +Tcl1.s+1
2
Transfer Fcn chinh luu
Tu.s+1
Tri.s
Transfer Fcn Ri(p)
dcdong
To Workspace
Step6
Mux
Dong dien Iu
Dien ap Uu
Hinh 1.14 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
1.4.3. Xây dựng bộ điều khiển PI cho hệ truyền động T-Đ.
1.4.3.1. Xây dựng bộ điều khiển.
- Bộ điều chỉnh tốc độ Rω dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI thiết
kế theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng như đã trình bày ở mục 1.3.5
- Kế thừa các kết quả khi đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện, ta tổng
hợp mạch vòng tốc độ. Hàm truyền mạch vòng dòng điện
pT
K

pU
pI
si
i
iđ
21
1
.
)(
)(
+
=
=
p001732,01
5,0
+
Bộ điều chỉnh tốc độ Rω thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng








+⋅
⋅
⋅⋅
=
pTTKR

TKFK
pR
swswu
cii
8
1
1
4
1
)(
ω
ω

pTTKR
TKFK
TKR
TKFK
pR
swswu
cii
swu
cii
8
1
4
1
4
1
)( ⋅
⋅

⋅⋅
+⋅
⋅
⋅⋅
=
ωω
ω
( )
2
2
wsi
sw
TT
T
+⋅
=
= 0,001116
23
2
i
u
c
KF
RJ
T
⋅
=
= 0,011207
swu
cii

n
TKR
TKFK
KP
4
1
⋅
⋅
⋅⋅
=
ω
= 71,685
swswu
cii
n
TTKR
TKFK
KI
8
1
4
1
⋅
⋅
⋅⋅
=
ω
= 8029,3
Để hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ ta dùng khâu bão hoà và khâu
này được đặt ở đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ. Và chính vì khâu bão hoà này đã xảy ra

hiện tượng windup.
1.4.3.2. Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân.
Khâu vi phân điều khiển cơ cấu chấp hành và làm cho nó bảo hòa có thể gây
ra một số ảnh hưởng không mong muốn. Nếu sai số điều khiển lớn khâu vi phân
làm cho cơ cấu chấp hành hoạt động trong vùng bảo hòa, vòng hồi tiếp sẽ bị gãy,
bởi vì cơ cấu chấp hành vẫn bảo hòa thậm chí nếu ngõ ra hệ thống thay đổi. Khâu vi
phân, trở thành một hệ thống không ổn định, có thể sau đó khâu vi phân đạt đến một
giá trị rất lớn. Khi sai số cuối cùng giảm xuống, khâu vi phân có thể vẫn lớn để nó
cần có khoảng thời gian cần thiết cho tới khi khâu vi phân trở lại giá trị bình
thường. Sự ảnh hưởng này gọi là windup khâu vi phân. Hình 1.15 miêu tả sự ảnh
hưởng đó.
Hình 1.15 Biểu diễn windup của khâu vi phân.
Đường nét nhỏ thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển PID thông thường.
24
Đường nét đậm thể hiện đáp ứng của PID đã được cải thiện khi antiwindup.
Có nhiều cách để tránh windup khâu vi phân. Một cách có hiệu quả nhất là
dừng cập nhật khâu vi phân khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa. Một phương pháp
khác được biểu diễn ở sơ đồ khối hình 1.16(a). Ở đây, một đường hồi tiếp được
thêm vào để cung cấp giá trị đo được ở ngõ ra của cơ cấu chấp hành, tín hiệu sai số
es là sự khác nhau giữa ngõ ra cơ cấu chấp hành (uc) và ngõ ra bộ điều khiển (v)
được đến về ngõ vào bộ tích phân qua khâu khuếch đại 1/Tt. Tín hiệu sai số e
s
bằng
không khi cơ cấu chấp hành không bị bảo hòa. Khi cơ cấu chấp hành bị bảo hòa
đường hồi tiếp thêm vào sẽ cố gắng làm cho e
s
bằng không. Điều này có nghĩa là
khâu vi phân sẽ được reset để ngõ ra của bộ điều khiển ở tại giá trị giới hạn bảo hòa.
Khâu vi phân được reset đến một giá trị tỷ lệ với hằng số thời gian Tt, được gọi là
hằng số thời gian theo dỏi (tracking-time). Một sự thuận lợi với phương pháp

antiwindup này là nó có thể áp dụng cho nhiều cơ cấu chấp hành, không chỉ cơ cấu
chấp hành bảo hòa mà còn các bộ kích có đặc tính tùy ý, như vùng chết hay hiện
tượng trễ, theo ngõ ra của bộ kích được đo lường. Nếu ngõ ra của cơ cấu chấp hành
không được đo lường, cơ cấu chấp hành có thể được thiết kế theo kiểu mẫu và tín
hiệu tương đương có thể phát ra từ kiểu mẫu này, như biểu diễn ở hình 1.16(b).
25
Hình 1.16 Bộ điều khiển với antiwindup.
Đầu ra của cơ cấu chấp hành được đo lường hình (a),
Đầu ra của cơ cấu chấp hành được giới hạn bằng hàm toán học hình (b)
Ứng dụng kỹ thuật này cho bộ điều khiển tốc độ PI để tránh hiện tượng
Windup khi tín hiệu điều khiển rơi vào vùng bão hoà.
1.4.4. Sơ đồ mô phỏng.
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab Simulink.