NHỮNG NGUYÊN TẮC CƠ BẢN KHI XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

Môn học:

Tự động điều chỉnh truyền động điện
số tiết: 45
Chương 1 (5 tiết)
những nguyên tắc cơ bản khi xây dựng
hệ truyền động điện tự động
1.1. Khái niệm và phân loại.
1. Khái niệm.
Điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị
yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc
vào tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh.


NL

THĐ

R

BĐ

M

MX

ĐL
Hình 1-1. Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện

M - Động cơ truyền động thường dùng động cơ điện một
chiều, xoay chiều không đồng bộ, xoay chiều đồng bộ và

các loại động cơ bước.


BĐ - Bộ biến đổi là các bộ chỉnh lưu thyristor, biến tần,
điều áp xoay chiều thyristor, bộ băm xung điện áp, v.v
Các bộ biến đổi có hai chức năng: là biến đổi năng lượng
điện, từ dạng này sang dạng khác thích ứng với động cơ
truyền động và mang thông tin điều khiển để điều khiển các
tham số đầu ra bộ biến đổi (như công suất, điện áp, dòng
điện, tần số,).
R - bộ điều chỉnh: nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về
trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa
tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lường ĐL các đại lượng của
truyền động. Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnh được
khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm
bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống truyền động.


Trong thực tế các đại lượng điều chỉnh của truyền động
là mômen quay, tốc độ, vị trí. Để đảm bảo chất lượng của
hệ, thường có nhiều mạch vòng điều chỉnh như điện áp,
dòng điện, tốc độ, từ thông, tần số, công suất, mômen, v.v
MX: máy sản xuất;
ĐL: thiết bị đo lường
TĐH: tín hiệu đặt ;
NL: nhiễu loạn
2. Phân loại.
Theo nhiệm vụ chung của hệ thống ta có thể phân ra ba
loại:
- Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy

trì theo lượng đặt trước không đổi.
Ví dụ duy trì tốc độ không đổi, mômen hoặc công suất
không đổi.


- Hệ điều chỉnh tuỳ động (hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí
trong đó cần điều khiển truyền động theo lượng đặt trước
biến thiên tuỳ ý,
Ví dụ truyền động quay anten, rađa, các cơ cấu ăn dao máy
cắt gọt kim loại, v.v
-Hệ điều khiển chương trình: Thực chất là hệ điều khiển vị
trí nhưng đại lượng điều khiển lại tuân theo chương trình đặt
trước.
1.2. Những vấn đề chung khi thiết kế hệ truyền động
điện tự động.
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần
phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra, đó
là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các
yêu cầu về kinh tế.


Chất lượng của hệ được thể hiện trong trạng thái động và
tĩnh.
+ Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính xác
điều chỉnh.
+ Trạng thái động có các yêu cầu về ổn định và các chỉ
tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều
chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao động.
ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, cấu trúc
mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều

khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy
khi thiết kế hệ ta phải thực hiện các bài toán về phân tích và
tổng hợp


Đối với bài toán rổng hợp hệ, người ta thường đưa ra ba
loại: tổng hợp chức năng, tổng hợp tham số và tổng hợp cấu
trúc- tham số.
- Bài toán tổng hợp chức năng thực hiện khi đã biết cấu trúc
và tham số của mạch điều khiển ta phải xác định luật điều
khiển đầu vào sao cho hệ đảm bảo chất lượng.
- Bài toán tổng hợp tham số: Thực hiện khi đã biết cấu trúc
hệ và lượng tác động đầu vào của hệ ta cần xác định tham số
các hệ điều khiển.
- Bài toán tổng hợp cấu trúc- tham số thực hiện khi đã biết
quy luật biến thiên của lượng đầu vào và ra của từng phần tử
trong hệ thống, ta cần xác định cấu trúc của hệ và đặc tính
tham số các bộ điều chỉnh.


1.3. Độ chính xác của hệ truyền động điện- tự
động (TĐĐ-TĐ) ở chế độ xác lập và tựa xác lập.
Bất cứ một hệ thống tự động điều chỉnh nào cũng
đòi hỏi đại lượng điều chỉnh phải bám theo chính
xác tín hiệu điều khiển trong chế độ xác lập, tựa xác
lập và quá độ.
Độ ổn định và độ chính xác điều chỉnh là hai chỉ
tiêu kỹ thuật quan trọng bậc nhất của một hệ thống
tự động. Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân
tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụ

thuộc rất nhiều yếu tố.


1.3.1. C¸c hÖ sè sai lÖch.
XÐt mét hÖ thèng tù ®éng ®iÒu chØnh cã cÊu tróc tèi gi¶n
sau:
N1

R

E
-

…

Nn
C

F0(p)

TM

a,


Trong đó:
F0(p)- hàm truyền mạch hở;
TM- thiết bị công nghệ;
R, r(t)- tín hiệu điều khiển;
C, c(t)- tín hiệu ra;

E: sai lệch điều chỉnh;
Ni- các nhiễu loạn
Hàm truyền hệ kín

F0 ( p )
F ( p) =
1 + F0 ( p )

Vậy sai lệch điều chỉnh
e(t) = r(t) C(t)
Được viết dưới dạng hàm bởi tín hiệu vào thỏa mãn điều
kiện Me.Laurin


dR(t )
d 2 R (t )
d i R(t )
dN1 (t )
e(t ) = C0 R (t ) + C1
+ C2
+
...
+
C
+
C
N
(
t
)

+
C
+ ... +
i
0 N1 1
1N 1
2
i
dt
dt
dt
dt
dN n (t )
d i N n (t )
d i N1 (t )
+ CiN 1
+ ... + C0 Nn N n (t ) + C1Nn
+ ... + CiNn
+ ℜ(t )
i
i
dt
dt
dt

Mét hÖ thèng chÝnh x¸c tuyÖt ®èi lµ hÖ cã mäi hÖ sè sai lÖch
®Òu b»ng kh«ng.
Hµm truyÒn ®¹t cña hÖ thèng ®èi víi sai lÖch lµ:

E ( p)

1
M ( p)
Fe ( p ) =
=
=
R ( p ) 1 + F0 ( p) N ( p )


Nếu đem chia đa thức M(p) cho đa thức N(p) thì ta có cách
viết hàm sai lệch như sau:
Fe(p)= (C0+ C1p+ C2p2+....+ Cipi)R(p).
Từ đó suy ra cách tính các hệ số sai lệch điều chỉnh:
C0- hệ số sai lệch vị trí;

C0 = lim{ Fe ( p )}
p0

C1- hệ số sai lệch tốc độ;

1

C1 = lim [ Fe ( p) C0 ]
p 0 p




C2- hÖ sè sai lÖch gia tèc;

1


C 2 = lim 2 [ Fe ( p ) − C0 − C1 p ] 
p →0 p


Còng cã thÓ tÝnh

E ( p) R( P) − C ( P)
C ( P)
Fe ( p ) =
=
=1−
R( p)
R( P)
R( P)
NÕu viÕt Fe(P) d­íi d¹ng ph©n thøc


NÕu viÕt Fe(P) d­íi d¹ng ph©n thøc

b0 + b1 p + b2 p + ..... + bm p
Fe ( P) =
2
n
1 + a1 p + a2 p + ..... + an p
2

HÖ sè sai lÖch ®­îc tÝnh nh­ sau:

C0 = 1 – b 0

C 1 = a 1 – C 0 a1 – b 1
C2 = a2 – C1a1 – C0a2 – b2
....

m


1.3.2. Tiêu chuẩn sai lệch.
Trong tính toán thực tế các hệ thống tự động điều chỉnh,
thường định ra các chỉ tiêu chất lượng nhất định đối với sai
lệch để đánh giá một hệ thống là tốt hoặc là xấu.
1. Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE)
- Nội dung: chất lượng của hệ thống được đánh giá bởi tích
phân sau đây:


e
(
t
)
dt

2

0


Cận trên không xác định thay thế bằng thời gian hữu hạn
T đủ lớn sao cho ở t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ
qua. Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực

tiểu.
Tiêu chuẩn ISE áp dụng cho loại tín hiệu vào đã xác định
(thí dụ loại nhảy cấp đơn vị) hoặc cho loại tín hiệu vào xác
định theo phương pháp thống kê.
- Đặc điểm
+ Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và
đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ. (hệ bậc hai không nên
dùng tiêu chuẩn này) .
+ Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE làm cho các
sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp
ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định.


+ Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống
có yêu cầu cực tiểu hoá tiêu thụ năng lượng.
2. Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá
trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE)
- Nội dung: Theo tiêu chuẩn ITAE, hệ thống tự động điều
chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây:


t. e(t ) dt
0

- Đặc điểm
+ Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu
còn các sai lệch sau, xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì
bị đánh giá rất nặng.

+ Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng
có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm
nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh.
+ Thường dùng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu số lần
dao động ít.


1.4. Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh kiểu nối cấp
dùng phương pháp hàm chuẩn môđun tối ưu:
- Xét hệ thống có cấu trúc chung
như hình vẽ:
F
2

F02
F1
F01
P1
X1nd
Rn(p)
-

X1d

X2d

R1(p)

R2(p)
-

S01(p)

Pn

P2
X1

X2
S02(p)

-

Hình 1-10. Hệ truyền động có các bộ điều chỉnh nối theo cấp

S0n(p)

Xn


- Trong ®ã:
+ X1÷Xi: lµ n th«ng sè,
+ R1(p) ÷ Rn(p): lµ n bé ®iÒu chØnh
+ S1(p) ÷ Sn(p): lµ n ®èi t­îng(HÖ thèng)
+ P1 ÷ Pn: lµ n nhiÔu lo¹n t¸c ®éng lªn hÖ.


Giả thiết:
+ Các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng có chứa một
phần có các hằng số thời gian lớn, thí dụ hằng số thời gian

điện cơ, hằng số thời gian của cuộn dây kích từ v.v
+ Mạch có chứa Các hằng số thời gian nhỏ, thí dụ hằng số
thời gian của các xen xơ, của mạch điều khiển thyristor
v.v
- Hàm truyền của đối tượng có dạng:

K . (1 + T j p ).e
m

S 0 ( p) =

Td p

j =1

v

u

k =1

s =1

(

p i (1 + Tk p ). 1 + Ts' p

)

- Td là hằng số thời gian của khâu trễ
- Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh sẽ được tiến hành sao
cho bù được các khâu có hằng số thời gian tương đối lớn
Tk, bằng cách đó ta đã giảm cấp cho mạch hở, các khâu
có hằng số thời gian tương đối nhỏ Ts sẽ không được bù.
-Trong kỹ thuật truyền động điện có thể bỏ qua các hằng
số thời gian nhỏ hơn 1 miligiây, các hằng số thời gian cỡ
dưới vài chục miligiây có thể coi là nhỏ (Ts), các hằng số
thời gian cỡ 0,1 giây trở lên có thể coi là lớn (Tk).
- Ưu thế của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là ở chỗ
mỗi giá trị của lượng đặt Xđi được hạn chế bởi đoạn bão
hoà của đặc tính của bộ điều chỉnh Ri+1. , giá trị hạn chế
này có thể là hằng số hoặc là thay đổi được.


- Mçi m¹ch vßng ®iÒu chØnh cã mét bé ®iÒu chØnh vµ hÖ
thèng ®­îc ®iÒu chØnh bao gåm ®èi t­îng ®iÒu chØnh S0 vµ
m¹ch vßng phô, thÝ dô;

R1 ( p ).S 01 ( p )
F1 ( p ) =
R1 ( p ).S 01 ( p ) + 1
F02 ( p ) = S 02 ( p ).F1 ( p )
F0i ( p ) = S 0i ( p ).Fi −1 ( p )


-Việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng
mạch vòng, từ mạch vòng đầu tiên đến mạch vòng thứ n.
- Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh, thường sử
dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông

số các bộ điều chỉnh cho các mạch vòng.


1.4.1. áp dụng tiêu chuẩn môđun tối ưu:
+ Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môdul tối ưu, hàm có dạng:

1
FMC ( p ) = 2 2
2 p + 2 p + 1
+ Tiêu chuẩn môdul tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở
vùng tần số thấp và trung bình và không đảm bảo trước được
tính ổn định của hệ thống. Do đó, sau khi ứng dụng tiêu
chuẩn môdul tối ưu cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ.
+ Dải tần thấp nhất, hàm truyền phải đạt được điều kiện:

F( j ) 1