Ổn định điện áp đầu ra máy phát điện một chiều kích từ độc lập sử dụng thuật toán điều khiển PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN : KỸ THUẬT ĐIỆN

Ổn định điện áp đầu ra máy phát điện một chiều kích từ độc lập
sử dụng thuật toán điều khiển PID

HÀ NỘI
Tháng 09 năm 2016


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................3
CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU .................................5
SỬ DỤNG TRÊN ĐẦU MÁY ..................................................................................5
1. Giới thiệu về máy phát điện một chiều ...................................................... 5
1.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập .....................................................5
1.2. Máy phát điện kích từ song song .................................................................6
1.3. Máy phát điện kích từ nối tiếp .....................................................................8
1.4. Máy phát điện kích từ hỗn hợp ....................................................................8
2. Khảo sát máy phát điện ZQF – 23 sử dụng trên đầu máy D10H ........... 9
2.1. Kết cấu .........................................................................................................9
2.2. Thông số kỹ thuật của máy phát ZQF – 23................................................11
2.3. Nguyên lý làm việc ....................................................................................12
3. Tại sao phải ổn định điện áp đầu ra máy phát ....................................... 13
CHƯƠNG 2: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG............................................................15
1. Khái niệm và những nguyên tắc cơ bản .................................................. 15
1.1 Khái niệm ....................................................................................................15
1.2. Các bước tiến hành .....................................................................................15
1.3 Phân loại các phương pháp nhận dạng........................................................16
2. Tiến hành thực nghiệm ............................................................................. 19

2.1 Khi máy phát chạy không tải ......................................................................19
2.2 .Khi máy phát làm việc có tải .....................................................................21
3. Lựa chọn phương pháp nhận dạng .......................................................... 23
3.1 Tìm các hệ số của hàm truyền .....................................................................23
3.2 Đánh giá độ ổn định của hệ thống ..............................................................34
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN .................................40
1. Giới thiệu bộ điều khiển PID .................................................................... 40
1.1. Khâu P ........................................................................................................41
1.2. Khâu I .........................................................................................................42
1.3. Khâu D .......................................................................................................43
1.4. Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID.....................................................44
1.5. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID ...................................................................45
2. Thiết kế bộ điều khiển PID ....................................................................... 49
2.1. Sử dụng hàm quá độ của đối tượng ...........................................................49
2.2. Sử dụng các giá trị tới hạn thu được từ thực nghiệm .................................51
3. Ứng dụng PID vào hệ thống thực............................................................. 56
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PSOC VÀ LINH KIỆN ĐIỆN
TỬ CÔNG SUẤT ....................................................................................................59
1. Khối vi điều khiển Psoc ............................................................................. 59
1


2. Tìm hiểu về linh kiện điện tử công suất................................................... 78
2.1 Những ưu điểm của mosfet .........................................................................78
2.2 Các nhược điểm của Mosfet .......................................................................78
2.3 Các thông số quan trọng của mosfet ...........................................................79
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CÔNG SUẤT CHO YÊU
CẦU BÀI TOÁN .....................................................................................................81
1 Sơ đồ mạch nguyên lý................................................................................. 81
1.1 Khối điều khiển ...........................................................................................82

1.2. Khối cảm biến (phản hồi)...........................................................................82
1.3 Khối mạch công suất ...................................................................................87
1.4 Tính chọn Mosfet ........................................................................................89
1.5 Thiết kế mạch in và thiết lập chương trình cho chip PSOC CY8C24423 ..91
2. Thiết lập phần cứng cho Psoc CY8C24423 ............................................. 92
2.1. Cấu hình cho các tài nguyên toàn cục ........................................................92
2.2. PGA và DElSIG11 (ADC 11bit)................................................................94
2.3. Khối PWM_1 .............................................................................................96
2.4. Thiết lập cho khối TIMER8 .......................................................................98
3. Lưu đồ thuật toán .................................................................................... 100
3.1 Lưu đồ thuật toán tìm sai số ......................................................................100
3.2 Lưu đồ thuật toán sử dụng PID để tìm PWM ...........................................101
3.3 Lưu đồ thuật toán cho chương trình chính ................................................102
4. Code chương trình .......................................................................................103
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..........................................................111
1. Mô hình điều khiển và mô hình chạy thực nghiệm .............................. 111
1.1Xây dựng mô hình điều khiển thực nghiệm...............................................111
1.2 Mô hình chạy thực nghiệm .......................................................................111
2. Kết quả đạt được ..................................................................................... 112

2


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về chiều
rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng một vai trò rất quan trọng, không thể
thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con
người. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũng là mũi nhọn quyết định
sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp.Không một quốc gia nào,
một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện.

Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả máy
phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận
hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và
phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong
công nghiệp giao thông vận tải và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay
liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy
điện...), nhất là trong tàu lửa. Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động
cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn,
chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn ... nhưng do những ưu điểm của nó mà máy
điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát
điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ
điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ
không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các
thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần...) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều
không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều
khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Trong hệ thống đầu máy toa xe sử dụng động cơ điện kéo 1 chiều thì chủ yếu người
ta sử dụng loại động cơ điện kéo 1 chiều kích từ độc lập do những tính năng ưu việt
của nó: Chịu quá tải lâu dài được, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt. Đối
3


với đầu máy toa xe sử dụng nguồn điện từ bộ chuyển đổi động cơ-máy phát thì tại
đầu máy bố trí 1 động cơ diezel kéo máy phát điện kéo 1 chiều tạo nguồn điện 1
chiều cấp cho các động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp này để kéo các bánh xe chuyển
động. Vấn đề được đặt ra ở đây là động cơ diezel thay đổi tốc độ dẫn tới tốc độ của
động cơ điện kéo cũng thay đổi do đó điện áp đầu ra của máy phát cũng biến đổi, do
đó cần thiết phải điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập
luôn giữ được ổn định để nạp cho ắcquy, bơm gió và cho tải hoạt động, đồng thời

ứng với điều chỉnh công suất thì tại mỗi điểm công suất ổn định ta sử dụng được các
tải khác nhau mà vẫn đáp ứng được tốc độ mong muốn.
Dựa trên vấn đề về ổn định điện áp đầu ra máy phát điện 1 chiều kích từ nối tiếp, em
sẽ thực hiện nội dung bài toán:"Ổn định điện áp đầu ra máy phát điện 1 chiều kích
từ độc lập sử dụng thuật toán điều khiển PID”. Đây là một trong những phương
pháp khá mới mẻ trong việc điểu chỉnh điện áp đầu ra máy phát điện 1 chiều kích từ
độc lập.

4


CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN MỘT CHIỀU
SỬ DỤNG TRÊN ĐẦU MÁY
1. Giới thiệu về máy phát điện một chiều
- Phân loại máy phát điện một chiều:
Dựa vào phương pháp cung cấp dòng kích từ, người ta chia máy phát điện
một chiều ra các loại sau:
1.1. Máy phát điện một chiều kích từ độc lập
Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần
ứng của máy (hình 1.1a)

Sơ đồ máy phát điện kích từ độc lập vẽ trên hình 1.1a, dòng điện phần ứng Iư
bằng dòng điện tải I.
- Phương trình dòng điện là:

Iư = I

- Phương trình điện áp:

U = Eư – Rư.Iư

- Mạch kích từ:

Ukt = Ikt.(Rkt + Rđc)

Trong đó:

Rư – điện trở dây quấn phần ứng.
Rkt – điện trở dây quấn kích từ.
Rđc – điện trở điều chỉnh.
5


- Khi dòng điện tải tăng, dòng điện phần ứng tăng, điện áp U giảm xuống do hai
nguyên nhân:
+ Tác dụng từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm, kéo theo sức điện động E ư
giảm.
+ Điện áp rơi trong mạch phần ứng Rư.Iư tăng.
Đường đặc tính ngoài U = f(I) khi tốc độ và dòng điện kích từ không đổi, vẽ
trên hình 1.1b. Khi điện áp giảm, độ giảm điện áp khoảng 8 ÷10% điện áp khi không
tải.
Để giữ điện áp máy phát không đổi phải tăng dòng kích từ. Đường đặc tính
điều chỉnh Ikt = f(I), khi điện áp và tốc độ không đổi vẽ trên 1.1c.
Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm về điều chỉnh điện áp, thường gặp trong
các hệ thống máy phát động cơ để truyền động máy cán, máy cắt kim loại, thiết bị
tự động trên tàu thủy, máy bay…Song có nhược điểm là cần có nguồn điện kích từ
riêng.
1.2. Máy phát điện kích từ song song
Sơ đồ máy phát điện kích từ song song vẽ trên hình 1.2a.Để thành lập điện áp
cần thực hiện một quá trình tự kích từ.

6


Lúc đầu, máy không có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ
tạo ra, bằng khoảng 2 ÷ 3%

từ thông định mức. Khi quay phần ứng, trong dây

quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông dư sinh ra. Sức điện động
này khép mạch qua dây quấn kích từ (điện trở mạch kích ở vị trí nhỏ nhất), sinh ra
dòng điện kích từ, làm tăng từ trường cho máy. Qúa trình tiếp tục cho đến khi đạt
điện áp ổn định.Để máy có thể thành lập điện áp, cần thiết phải có từ dư và chiều từ
trường dây quấn kích từ, phải cùng chiều từ trường dư.Nếu không còn từ dư ta phải
mồi để tạo từ dư, nếu chiều hai từ trường ngược nhau ta phải đổi cực tính dây quấn
kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng.
Phương trình cân bằng điện áp:
Mạch phần ứng:

U = Eư – Rư.Iư.

Mạch kích từ:

U = Ikt.(Rkt + Rdc).

Phương trình dòng điện: Iư = I + Ikt.
Khi dòng điện tải, dòng điện phần ứng tăng, ngoài hai nguyên nhân làm điện
áp U đầu cực giảm, như máy phát điện từ độc lập, ở máy kích từ song song, còn
thêm một nguyên nhân nữa là khi U giảm, làm cho dòng điện kích từ giảm, từ thông
và sức điện động càng giảm, chính vì thế đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy

kích từ độc lấp và có dạng như hình 1.2b. Từ đường đặc tính ta thất, khi ngắn mạch,
điện áp U = 0, dòng kích từ bằng không, sức điện động trong máy chỉ do từ dư sinh
ra vì thế dòng điện ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức.
Để điều chỉnh điện áp ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính
điều chỉnh Ikt= f(I), khi U, n không đổi vẽ trên hình 1.2c.

7


1.3. Máy phát điện kích từ nối tiếp
Sơ đồ nối dây như hình 1.3a.

Dòng điện kích từ là dòng điện tải, do đó khi tải thay đổi, điện áp thay đổi rất nhiều,
trong thực tế không sử dụng máy phát kích từ nối tiếp. Đường đặc tính ngoài U =
f(I) vẽ trên hình 1.3b. Dạng đường đặc tính ngoài được giải thích như sau, khi tải
tăng dòng điện Iư tăng, từ thông và Eư tăng, do đó U tăng, khi I = (2÷ 2,5)Iđm, máy
bão hòa thì I tăng U giảm.
1.4. Máy phát điện kích từ hỗn hợp
Sơ đồ nối dây như hình 1.4a.

8


Khi nối thuận, từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông
của dây quấn kích từ song song, khi tải tăng, từ thông cuộn dây nối tiếp tăng làm
cho từ thông của máy tăng lên, sức điện động của máy tăng điện áp đầu cực của máy
được giữ nguyên hầu như không đổi. Đây là ưu điểm rất lớn của máy phát điện kích
từ hỗn hợp. Đường đặc tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình 1.4b.
Khi nối ngược, chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với chiều
từ trường của dây quấn kích từ song song, khi tải tăng điện áp giảm rất nhiều. Đường

đặc tính ngoài U = f(I) vẽ trên hình 1.4c. Đường đặc tính ngoài dốc nên được sử
dụng làm máy hàn điện một chiều.
2. Khảo sát máy phát điện ZQF – 23 sử dụng trên đầu máy D10H
2.1. Kết cấu
Máy phát điện ZQF – 23 bao gồm 2 phần chính là rô to và stato hợp thành.
*Phần rôto: (hình 2.1)
- Gồm trục được lắp 2 ổ bi ở hai đầu, trên thân trục có ép các phần tử là những lá
thép dẫn từ, nhằm tạo thành mạch từ khép kín từ phần cảm với phần ứng, vừa là nơi
để cố định các thanh dẫn. Trong rãnh của lõi thép phần có đặt các phần tử dây quấn,
các phần tử dây quấn được nối với cổ góp thông qua các chạc kẹp và được hàn với
nhau. Vành góp được chế tạo từ các phiến đồng và được ghép lại với nhau dạng hình
trụ rỗng, giữa các phiến được cách điện với nhau bằng mê ca, vành góp cũng được
ép chặt trên trục rô to. Lõi thép, các phần tử dây quấn, vành góp được lắp với trục
tạo thành một khối cứng thống nhất để đảm bảo về mặt động lực trong quá trình
quay.

9


Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo rô to máy phát ZQF- 23
*Phần stato: (hình 1.2)
- Gồm vỏ máy, 4 cực từ chính và 4 cực từ phụ, các cực từ được ghép từ những lá
thép silic dày 1,5mm tạo thành khối, trên các cực từ có quấn các bối dây kích thích.
Các cực từ được lắp chặt vào vỏ máy nhờ các vít cấy, ngoài ra trên stato lắp 2 mặt
bích trên đó có lắp giá đỡ chổi than và ổ đỡ vòng bi lu cho rô to, có 4 giá đỡ chổi
than mỗi giá đỡ có 3 hộp đựng than.

10

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo stato máy phát ZQF- 23
2.2. Thông số kỹ thuật của máy phát ZQF – 23
* Ở chế độ máy phát điện :
- Dòng định mức :

200 A

- Điện áp định mức :

115 V

- Công suất định mức :

23 KW

- Vòng quay định mức :

1600 – 3500 V/p

- Cấp tia lửa điện :

1 – 1/2

- Trọng lượng :

386 kg

* Ở chế độ khởi động :
- Dòng định mức :

500A

- Điện áp định mức :

96V
11


2.3. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của máy phát khởi động ZQF – 23 cơ bản dựa trên định
luật cảm ứng điện từ và định luật lực điện từ.
* Định luật cảm ứng điện từ phát biểu như sau: Khi từ thông xuyên qua vòng dây
dẫn biến thiên thì trong vòng dây dẫn sẽ cảm ứng sức điện động. Sức điện động có
chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra sẽ tạo ra từ trường chống lại sự biến thiên của
từ thông sinh ra nó. Trị số của sức điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông.
* Định luật lực điện từ phát biểu như sau: Khi thanh dẫn có độ dài L, chạy qua một
dòng điện I, đặt thẳng góc với từ trường có cường độ tự cảm B, thanh dẫn sẽ chịu
một lực tác dụng F có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải và có trị số là: F =
B.I.L (F đo bằng N; I đo bằng A; L đo bằng m; B đo bằng V.b/m2)
* Quy tắc bàn tay phải : Để cho chiều của đường sức từ trường hướng vào lòng bàn
tay ngón tay. Chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện, ngón tay cái choãi
ra một góc 900 chỉ chiều của lực tác dụng.
* Máy phát khởi động ZQF – 23 làm việc ở 2 chế độ, chế độ khởi động và chế độ
máy phát.
- Ở chế độ khởi động máy phát là một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp làm
việc ở chế độ ngắn hạn có thời gian là 3 giây, được khống chế bằng rơ le thời gian
3SJ trong mạch khởi động. Khi ta đặt một điện áp U = 96V vào các thanh dẫn trên
rôto và các cuộn dây kích từ, thì các thanh dẫn trên rôto sẽ chịu một lực điện từ và
thanh dẫn sẽ chuyển động có nghĩa là rôto sẽ quay. Đồng thời khi thanh dẫn chuyển
động trong từ trường sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng E, có chiều xác định bằng

quy tắc bàn tay phải và ngược chiều với dòng ắc quy phóng vào máy phát. Nếu ta
đặt một điện áp là U và dòng là I ta có phương trình sau :
U=E+I.R
UI = EI + I2. R

12


Như vậy khi đưa một dòng công suất P = U . I vào động cơ thì có một phần
tổn hao nhiệt trên điện trở I2R, phần còn lại là công suất điện từ EI để biến đổi thành
công suất cơ.
Khi động cơ diezel đã làm việc sẽ lai máy phát quay và lúc này các khung dây
dẫn lại quay trong từ trường và sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng. Sức điện động này
sẽ tạo thành dòng điện ra mạch ngoài là dòng một chiều nhờ cổ góp và chổi than.
Dòng ra mạch ngoài đủ để cung cấp cho 2 mô tơ bơm gió, nạp ắc quy và các trang
thiết bị trên đầu máy.
Tóm lại: Máy phát khởi động ZQF – 23 là máy phát điện có tính thuận nghịch,
lúc làm việc ở chế độ khởi động động cơ nó là động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp, khi động cơ khởi động xong nó làm việc ở chế độ máy phát điện một chiều kích
từ song song.
3. Tại sao phải ổn định điện áp đầu ra máy phát
Trên đầu máy diezel thì điện áp máy phát điện có nhiệm vụ rất quan trọng :
Cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống điện trên đầu máy ( nạp ắc quy, cấp điện cho
bơm gió, cấp điện cho hệ thống điều khiển, hệ thống chiếu sáng và hệ thống thiết bị
dân dụng trên đầu máy...)
Mặt khác các thiết bị sử dụng điện trên đầu máy lại chỉ hoạt động ở một dải
điện áp cố định ( như điện áp sạc cho ắc quy, cấp cho bơm gió, hệ thống tải tiêu thụ,
hệ thống điều khiển không được vượt quá 125V, nếu vượt quá ngưỡng đó trong thời
gian dài sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng.ngược lại nếu điện áp xuống dưới mức cho
phép là 90V thì các hệ thống cũng không thể hoạt động được). Như vậy vấn đề ổn

dịnh điện áp ở một mức cố định là khá quan trọng trên đầu máy, chúng ta cần phải
ổn định điện áp đầu ra máy phát ở một mức cố định ( 110V ) để đảm bảo việc tận
dụng công suất và cung cấp điện áp cho các thiết bị điện trên đầu máy hoạt động
bình thường.
13


Theo chúng ta được biết thì điện áo đầu ra máy phát điện chịu ảnh hưởng của
3 yếu tố : Tốc độ quay của máy phát ( tốc độ của động cơ diezel ), tải của máy phát,
dòng điện kích từ. Mà tốc độ của động cơ diezel lại thay đổi theo tốc độ mong muốn
của đoàn tàu nên khi tốc độ thay đổi thì điện áp máy phát sẽ thay đổi, tải của máy
phát thì thay đổi liên tục ( khi sử dụng thiết bị hay không, khi đóng hay không đóng
bơm gió...) nên điện áp đầu ra máy phát cũng sẽ thay đổi liên tục. Vì vậy để có thể
ổn định điện áp ở một mức cố định thì chúng ta chỉ có thể thay đổi dòng kích từ của
máy phát theo một quy trình nào đó. Mặt khác theo khảo sát về các loại máy phát
điện một chiều thì ta sử dụng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là hợp lý
Kết luận: Như vậy chúng ta sẽ sử dụng máy phát điện một chiều kích từ độc lập để
giải quyết bài toán này, bằng cách thay đổi dòng điện kích thích ( thay đổi điện áp
kích từ). Theo một quy luật nhất định (sử dụng thuật toán PID trong điều khiển).

14


CHƯƠNG 2: NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG
1. Khái niệm và những nguyên tắc cơ bản
1.1 Khái niệm
Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực
nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system
indentification). Khái niệm nhận dạng hệ thống được định nghĩa trong chuẩn IEC là
“những thủ tục suy luận một mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính

quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó với 1 tín hiệu đầu vào xác định, ví dụ
một hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng “
1.2. Các bước tiến hành
Giống như việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như bao giờ cũng là
một quá trình độc lập. Những bước cơ bản trong xây dựng mô hình thực nghiệm cho
một quá trình bao gồm:
1. Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình: Ví dụ các biến quá trình
quan tâm, các phương trình mô hình từ phân tích lý thuyết các điều kiện biên và các
giả thiết liên quan.
2. Lựa chọn phương pháp nhận dạng: (trực tuyến/ngoại tuyên, vòng hở / vòng kín,
chủ động / bị động), thuật toán ước lượng tham số và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng
mô hình.
3. Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào-ra: Trên cơ sở phương
pháp nhận dạng đã chọn, sử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ các giá trị đo kém tin
cậy.
4. Kết hợp yêu cầu về mục đích sử dụng mô hình và khả năng ứng dụng của phương
pháp nhận dạng đã chọn, quyết định về dạng mô hình (phi tuyến / tuyến tính, lien

15


tục / gián đoạn…), đưa giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình (bậc tử số / mẫu số của
hàm truyền đạt, có hay không có trễ …).
5. Xác định các tham số của mô hình: Theo phương pháp / thuật toán đã chọn. Nếu
tiến hành theo từng mô hình con (ví dụ từng kênh vào /ra, từng khâu trong quá trình)
thì sau đó cần kết hợp chúng lại thành một mô hình tổng thể.
6. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình: Nhân được theo các tiêu chuẩn đã
chọn, tốt nhất là trên cơ sở nhiều tập dữ liệu khác nhau.
1.3 Phân loại các phương pháp nhận dạng
Các phương pháp nhận dạng hiện nay vô cùng phong phú, vì thế trong khuôn

khổ ở đây khó có thể đưa ra một cái nhìn tổng quan phù hợp. Tuy nhiên, ta có thể
phân loại các phương pháp nhận dạng từ nhiều góc nhìn khác nhau, ví dụ theo dạng
mô hình sử dụng, dạng tín hiệu thực nghiệm, thuật toán sử dụng hoặc mục đích sử
dụng mô hình.
Dạng mô hình sử dụng
Dựa theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, người ta có thể phân biệt các phương
pháp tương ứng nhau nhận dạng hệ phi tuyến hoặc nhận dạng hệ tuyến tính, nhận
dạng hệ lien tục hoặc nhận dạng hệ gián đoạn, nhận dạng trên miền thời gian hoặc
nhận dạng trên miền tần số, nhận dạng mô hình không tham số hoặc nhận dạng mô
hình có tham số, nhận dạng mô hình rõ hoặc nhận dạng mô hình mờ,… Trong điều
khiển quá trình với các phương pháp kinh điển.mô hình tuyến tính bậc nhất hoặc bậc
hai (có hoặc không có trễ, có hoặc không có dao động, có hoặc không có thành phần
tích phân) là những dạng thực dụng nhất. Tuy nhiên, sự thâm nhập của các phương
pháp điều khiển hiện đại yêu cầu cũng như cho phép sử dụng những mô hình phức
tạp hơn.
1.3.1 Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động

16


Dựa trên tín hiệu thực nghiệm ta có thể phân biệt các phương pháp nhận dạng
chủ động vàn nhận dạng bị động.Một phương pháp được gọi là chủ động nếu tín
hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích.Đương nhiên nhận dạng chủ động là
phương pháp tốt nhất nếu điều kiện thực tế cho phép.Ở đây ta còn có thể phân loại
sâu hơn dựa vào dạng tín hiệu kích thích.Tín hiệu bậc thang, xung vuông và dao
động điều hòa là những dạng thông dụng nhất.Tín hiệu kích thích dạng bậc thang
thường được sử dụng trong các phương pháp dựa trên đáp ứng quá độ, trong khi tín
hiệu dạng hình sin được dung cho các phương pháp dựa trên đáp ứng tần số. Trong
một số trường hợp, tín hiệu xung cũng được sử dụng cho tín hiệu bậc thang hoặc tín
hiệu sin

Phương pháp chủ đọng có thể không khả thi đối với hệ thống đang vận hành
ổn định, bởi quá trình không cho phép bất cứ một sự can thiệp nào làm ảnh hưởng
tới chất lượng sản phẩm. Khi đó người ta chấp nhận sử dụng các số liệu vào-ra vận
hành thực và bằng phương pháp nhạn dạng gọi là bị động.Những số liệu này thường
phản ảnh chủ yếu đặc tính hệ thống ở trạng thái xác lập, chứa ít thông tin thiết yếu
cho bài toán điều khiển.
1.3.2. Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín
Mô hình của một quá trình có thể xác định một cách trực tiếp trên cơ sở tiến
hành thực nghiệm và tính toán với các tín hiệu vào-ra của nó. Trong trường hợp đó
người ta gọi là nhận dạng trực tiếp hay nhận dạng vòng hở. Tuy nhiên đối với nhiều
quá trình công nghiệp điều này gặp nhiều trở ngại bởi vì việc chủ động đưa tín hiệu
vào trực tiếp với biên độ lớn có thể làm cho thông số quá trình vượt ra khỏi phạm vi
làm việc cho phép và làm ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm, đặc biệt với
quá trình không ổn định. Trong khi đó, nếu sử dụng tín hiệu vào với biên độ nhỏ sẽ
khó phân biệt được giữa đáp ứng đầu ra với ảnh hưởng của nhiễu đo.
Một biện pháp khắc phục vấn đề nêu trên là sử dụng phương pháp nhận dạng
gián tiếp, hay nhận dạng vòng kín. Một bộ điều khiển phản hồi đơn giản được đưa
17


vào nhằm duy trì hệ thống trong phạm vi làm việc cho phép. Tín hiệu thử nay chính
là tín hiệu chủ đạo được đưa vào bộ điều khiển, còn tín hiệu ra được đo bình thường.
Thông thường mô hình cho cả hệ kín được xác định trước, tiếp theo mô hình quá
trình sẽ được dẫ xuất từ đó.
Cần lưu ý mối quan hệ giữa nhận dạng vòng hở với nhận dạng chủ động và
nhận dạng vòng kín với nhận dạng bị động.Nhận dạng vòng hở bao giờ cũng sử dụng
tín hiệu chủ động, nhưng điều ngược lại chưa chắc đúng. Nhận dạng bị động luôn
được thực hiện trong vòng kín, nhưng nhận dạng vòng kín vẫ có thể sử dụng tín
hiệu kích thích chủ động ( phương pháp phản hồi rơ-le là 1 ví dụ ).

Nhận dạng vòng hở

Nhận dạng vòng kín

1.3.3. Nhận dạng trực tuyến và nhận dang ngoại tuyến

18


Nếu mô hình cần xây dựng phục vụ chỉnh định trực tuyến và liên tục cá tham
số của bộ điều khiển (điều khiển thích nghi) hoặc phục vụ tối ưu hóa thời gian thực
hệ thống điều khiển, các tham số mô hình cần được tính toán lại liên tục dựa trên số
liệu vào-ra cập nhật. Khi đó người ta nói tới nhận dạng trực tuyến (online). Ngược
lại, nếu mô hình được tính toán một cách tách biệt với quá trình thu thập số liệu,
nghĩa là sau khi có toàn bộ tập số liệu vào-ra, ta sử dụng khái niệm nhận dạng ngoại
tuyến (offline). Các mô hình nhận dạng ngoại tuyến phục vụ phân tích, thiết kế điều
khiển, mô phỏng đào tạo vận hành v.v…
2. Tiến hành thực nghiệm
Bài toán cần giải quyết là tìm hàm truyền của máy phát điện một chiều kích
từ độc lập theo các bước đã được trình bày ở phần 1
Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình
Ta xây dựng phương trình toán học dựa trên sơ đồ của máy phát điện một
chiều kích từ độc lập:
2.1 Khi máy phát chạy không tải
Sơ đồ máy phát điện một chiều kích từ độc lập khi không tải

19


Hệ số sức từ động phần ứng

Ki=

P.N
60.a

trong đó: P: số đôi cực
a: số mạch nhánh song song
N: tốc độ quay
Hệ số dây quấn mạch kích thích quy đổi về phần ứng
Km=

Ki
Rm

Phương trình cân bằng điện áp khi hở mạch phần ứng
Um= Km  im + Lm 



di m
dt

Um(s) = Rm  Im(s) +Lm(s)  s

= Im(s)



( Rm + s



Im  s 
1
=
R m  s Lm
Um s 



W1(s) =



 Im(s)

Lm )

1
R m (1  s  m )

Với  m :hằng số thời gian mạch kích thích
Mặt khác, sức điện động phần ứng là

ea=

2
 Km  im  N
60
20



Ea(s) = Ke  N

 Im(s)

Với
Ke =

2
 Km
60



Ea s 
= Ke  N
Im  s 

Nên

E  s   Im  s 
Ea  s 
= a
Im  s   Um  s 
Um s 

=

Ke  N
R m  s  Lm

Vậy hàm truyền khi hở mạch của đối tượng là

=

Ke  N
R m (1  s  m )

2.2 .Khi máy phát làm việc có tải
Sơ đồ:

21


Rl: điện trở tải
Ll: điện trở tải
Phương trình cân bằng điện áp phần ứng là

ea=Rc  ia  Lc 

di a
dt

Trong đó Lc = La + Ll
Rc = Ra + Rl


Ea(s) = Rc  Ia(s) + Lc  s
= Ia(s)  ( Rc + s



 Ia(s)

Lc )

Suy ra
Ia  s 
1
1
=
=
R c  s  Lc R c  (1  s   c )
Ea  s 

Mặt khác
Ul(s) = Il(s)  ( Rl + s

Ll )

Ul  s 
= Rl  ( 1 + s   l )
Il  s 



Ea  s 

Ul s 
U s  I s
= l  a

Il  s  Ea  s  U m  s 
Um s 



= Rl  ( 1 + s   l )
=





Vì Il = Ia

Ke  N
1

R c  (1  s   c ) R m (1  s  m )

R l  Ke  N
1  s l

(1  s  c )  (1  s  m )
Rc  Rm
22

=K



1  s l
(1  s  c )  (1  s  m )

Vậy hàm truyền tổng quát của hệ thống là
W(s) = K



1  s l
(1  s  c )  (1  s  m )

3. Lựa chọn phương pháp nhận dạng
Trên cở sở sử dụng công cụ chính để tìm hàm truyền là matlap simulink.
Chúng em đã sử dụng phương pháp nhận dạng là: Nhận dạng vòng hở và nhận
dạng vòng kín để tìm hàm truyền của đối tượng. Cụ thể là
3.1 Tìm các hệ số của hàm truyền
Ở phần trên chúng ta đã tìm được hàm truyền tổng quát của máy phát điện
một chiều kích từ độc lập thông qua các phương trình toán học:
W(s) = K



1  s l
(1  s  c )  (1  s  m )

Như vậy hàm truyền tìm được là dạng hàm bậc nhất trên bậc hai. Để khảo sát và tìm
các thông số của hàm truyền chúng đã sử dụng matlap để mô phỏng và tìm ra các
thông số:  l,  c,



m

Khai triển hàm truyền tổng quát ra ta được
W(s) = K 

as  1
bs  cs  1
2

Trong đó các hệ số a, b, c là mối quan hệ của
a, b, c ta có thể tìm được

 , ,
l

c

m

 l,  c, 

m

. Nếu tìm được các hệ số

tương ứng. Hàm truyền được mô phỏng cụ thể

qua Simulink trong matlap theo mô hình sau:

23


Trong đó:
Step: Khối nguồn cấp cho hệ thống (cụ thể là 1 xung điện áp)
Gain: Là bộ khuyếch đại (tương ứng với hệ số K trong hàm truyền)
Transfer Fcn: Là khối mô phỏng cho đối tượng mà các hệ số có thể thay đổi được
khi ta kích đúp vào hàm truyền ta sẽ thay đổi được các hệ số
Việc thay đổi hệ số ta chỉ cần thay đổi các số trong Numerator coefficient và
Denominator tolerance. Ta sẽ được hệ số của tử số và mẫu số giảm dần theo bậc của
s.

24