BÀI tập lớn điều KHIỂN tự ĐỘNG II

BÀI TẬP LỚN
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG II
Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phan Xuân Minh
Sinh viên thực hiện : Mai Đức Chính
Nguyễn Khả Hoan
Phạm Trung Thành
Lớp : ĐKTĐ1 – K50






THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ
ĐIỆN 1 CHIỀU
I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN 1 CHIỀU VÀ CÁC
PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
Khi tiến hành thiết kế 1 bộ điều khiển nói
chung, việc đầu tiên ta phải hiểu biết về
đặc tính của đối tượng từ đó xây dựng mô
hình toán học cho đối tượng. Công việc
này cung cấp cho ta những hiểu biết về
đối tượng , giúp ta thành công trong việc
tổng hợp bộ điều khiển.


1. Cấu tạo, phân loại và nguyên
lý hoạt động của động cơ điện 1

chiều.
a. Cấu tạo :
Kết cấu của động cơ điện 1 chiều gồm 2
phần chính là phần tĩnh (stator) và phần
động (rotor)

b. Nguyên lý hoạt động :
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp
kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích
từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ikt làm xuất
hiện từ thông Ф. Tiếp đó đặt một giá trị
điện áp U lên mạch phần ứng thì trong
dây quấn phần ứng sẽ có 1 dòng điện i
chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần
ứng và từ thông kích thích tạo thành
mômen điện từ.

c. Phân loại :
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1
chiều thành các loại như sau :
- Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng
và phần kích từ được cấp điện bởi 2 nguồn riêng rẽ.
- Động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp : cuộn dây kích
thích được mắc nối tiếp với phần ứng.
- Động cơ điện 1 chiều kích thích song song : cuộn dây
kích thích được mắc song với phần ứng.
- Động cơ điện 1 chiều kích thích hỗn hợp : gồm có 2 cuộn
dây kích từ , 1 cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn
mắc song song với phần ứng.

2. Mô tả toán học động cơ điện 1
chiều

- Tín hiệu vào ud
- Tín hiệu ra n(t)
Ta có phương trình ud = i. rư + Lư. + kl. n(t)





dt
di
(*)
Tư = Lư/rư Thời gian quán tính điện hay
hằng số thời gian điện từ
Thời gian quán tính cơ hay
hằng số thời gian điện cơ.
kd : hằng số khuếch đại của động cơ.
Phương trình (*) là phương trình mô tả toán
học của động cơ điện 1 chiều.
Đặt a2 = Tư. Tc , a1 = Tc , ao = 1 , bo =
kd, ta có :
Mô hình trạng thái tuyến tính:
Đặt x1 = n(t), x2 = , y(t) = x1

dt
dn
Mô tả động cơ ở miền tần số
3. Các phƣơng pháp điều khiển

tốc độ động cơ điện 1 chiều
Dựa vào đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều ta có các
phương pháp điều khiển tốc độ sau :
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Ф.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên
mạch phần ứng.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
Dưới đây chúng em chỉ đề cập đến phương pháp điều
khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cách thay đổi
điện áp phần ứng. Phương pháp này được sử dụng chủ
yếu để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ
độc lập.
a. Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều không đảo
chiều quay dùng Tranzito
- Sơ đồ nguyên lý :
b. Phương án điều khiển có đảo chiều quay dùng
Tranzito
- Sơ đồ nguyên lý dùng Tranzitor :
- Sơ đồ nguyên lý dùng Tranzitor và khuếch đại
thuật toán :
Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng Thyristor
Dùng để điều khiển động cơ có công suất lớn và
điện áp phần ứng cao.
- Sơ đồ nguyên lý :
II. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG (PID)
Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để thiết kế
bộ điều khiển cho động cơ 1 chiều như thiết kế
bộ điều khiển theo luật kinh điển ( tỷ lệ, tỷ lệ -
tích phân, tỷ lệ - vi phân, tỷ lệ - vi tích phân),

theo luật điều khiển hiện đại ( gán điểm cực,
phản hồi trạng thái-quan sát trạng thái), theo
luật điều khiển phi tuyến(SMC, Gain scheduling)
. Tuy nhiên trong bài tập lớn này chúng em sử
dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển theo
luật PID để điều khiển động cơ 1 chiều vì bộ
điều khiển PID có đặc tính mềm dẻo phù hợp
cho hầu hết các đối tượng công nghiệp.
1. Sơ đồ chức năng:
Máy phát tốc FT đo vận tốc x của động cơ đƣa tin
hiệu ra là điện áp –uFT đến khối cộng. Khối cộng có
chức năng so sánh tín hiệu uFT với tín hiệu đặt r(t)
và đƣa độ sai lệch e(t) tới bộ điều khiển. Bộ điều
khiển dựa vào độ sai lệch e(t) để cấp điện áp điều
khiển u(t) tới các thiết bị chấp hành để tăng hay
giảm điện áp ud đặt phần ứng của động cơ.
2. Sơ đồ khối
- Máy phát tốc FT có nhiệm vụ đo tốc độ x của động cơ,
nó có cấu tạo và hoạt động giống như 1 máy phát điện
mini có kích từ cố định, bộ chuyển đổi này coi như 1
khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại Kf với uFT = Kf.x.
- Động cơ điện 1 chiều biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu
cơ theo phương trình :
1
)(
2


sTsTT
k

sG
ccu
d
ĐC
- Thiết bị chấp hành chuyển tín hiệu điều khiển u(t) tác
động vào các cơ cấu chấp hành (Tranzitor, Thyisror
…) để điều chỉnh điện áp cấp vào phần ứng động cơ .
tuKtu
dt
tdu
T
CHd
d
CH
(.)(
)(
. 
- => Thiết bị chấp hành là khâu quán tính bậc nhất có
hàm truyền :

Bộ điều khiển thực hiện theo luật PID cần được xác định
thông số và cấu trúc.
sT
K
G
CH
CH
CH
.1


).
.
1
1.( sT
sT
KG
D
I
PĐK

=> Sơ đồ cấu trúc :
3. Thiết kế bộ điều khiển PID
- Mô hình tổng quát :

- Dựa vào mô hình đối tượng ta thiết kế bộ điều
khiển theo phương pháp tối ưu mô đun theo luật
PID - ADD
-Đặt KĐT = KCH.kd.Kf, T1 = TCH, -1/T2 ,-1/T3
là nghiệm của phương trình
=> Bài toán thiết kế : Lựa chọn các tham số của
bộ điều khiển để điều khiển đối tượng có mô
hình hàm truyền GĐT(s) như trên để tạo ra 1 hệ
thống ổn định và đạt tiêu chuẩn chất lượng.
- Để áp dụng được phương pháp tối ưu môđun ta
đưa bài toán về mô hình dạng chuẩn điều khiển:
Với là hằng số thời
gian tổng.
Ta nhận được các tham số tối ưu của luật điều
khiển PID – ADD :