Bài tập lớn LTDKTD đề 6

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

BÀI TẬP LỚN
MÔN: Lý thuyết điều khiển tự động 1
Đề số 2: Hệ thống điện cơ dùng để ổn định và điều khiển tháp pháo ở m ặt
phẳng nằm ngang (β) trên xe tăng
Bộ số liệu 17

Giáo viên hướng dẫn: Trương Xuân Tùng
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Tài
Lớp: ĐTVT18

Hà Nội 2018

1


Mục Lục
 Lời mở đầu ………………………………………………………………………………………………………………………..
3
 A. Đề bài: …………………………………………………………………………………………………………………………….
4
 B. Các bước tiến hành ………………………………………………………………………………………………….
5
I. Nguyên lý làm việc: ……………………………………………………………………………………………... 5
II. Sơ đồ khối và hàm số truyền của hệ thống ………………………………………………
5
1. Sơ đồ khối và chức năng của các phần tử ……………………………………………..
5
2. Sơ đồ chức năng ………………………………………………………………………………………………….

6
3. Sơ đồ cấu trúc ………………………………………………………………………………………………………
7
4. Hàm số truyền của hệ thống …………………………………………………………………………
7
 Hàm số truyền của từng phần tử ……………………………………..……………………
7
 Hàm số truyền hệ hở……………………………………………….………………………………...…
7
 Hàm số truyền hệ kín…………………………………………………………………….…………….
7
III. Khảo sát tính ổn định ………………………………………………………………………………………….
7
1. Khảo sát tính ổn định của hệ thống mạch hở……………………………………….
7
2. Khảo sát tính ổn địnhcủa hệ thống mạch kín……………………………………….
8
IV. Xây dựng đặc tính tần số Logarit ………………………………..…………………...…………
10
V. Xây dựng đặc tính tần số Logarit và đặc tính pha mong muốn
Lmm(ω) …………………………………………………………………………………………………………………………… 12
2


1. Phần tần số thấp……………………………………………………………………………………………….
12
2. Phần tần số trung………………………………………………………………………………………..……
13
3. Phần tần số cao………………………………………………………………………………………….………
13

VI. Tính toán cơ cấu hiệu chỉnh………………………………………………………………….………
14
VII. Hệ thống sau khi đã hiệu chỉnh…………………………………………………….……………
17
 C. Kết luận…………………………………………………………………………………………………………………………
18
 D. Tài liệu tham khảo:……………………………………………………………………………….……………..…
18

3


Lời mở đầu
Hệ thống điều khiên tự đông ngay từ khi mới ra đời đã khăng định
đươc vai tro của chúng trong nhiều linh vực của đời sống. Sự phát
triên như vu bão của cuôc cách mạng khoa hoc- ki thuật, đặc biệt là
cuôc cách mạng công nghệ 4.0 đã tạo đươc điều kiện cho các H ệ
thống điều khiên tự đông (HTĐKTD) ngày càng hoàn thiện và hiện đại
đồng thời cung tạo ra ngày càng nhiều các hệ thống điều khiên
(HTĐK) khác nhau.
Nhờ khả năng ứng dụng rông rãi của các HTĐKTĐ, bên cạnh các
linh vực đời sống, các hệ th ống điều khiên và điều chỉnh tự đ ông con
đươc sử dụng rông rãi trong linh vực quân sự. Cụ thê là ky thuật điều
khiên các trang thiết bị vu khí, khí tài quân sự. Tr ước đây, các h ệ th ống
này đươc xây dựng từ các phần tử truyền thống, đo là các phần tử c ần
tác đông liên tục (chiết áp, con quay, khuyếch đại điện tử, các đông c ơ
điện...). Ngày nay, với sự phát tri ên của ky thuật số và máy tính đi ện
tử, các hệ th ống này đã đươc số hoa và s ử d ụng máy tính số nh ư m ôt
khâu xử lý tín hiệu trong quá trinh điều khiên.
Trong phạm vi bài tập lớn này tôi sẽ sử dụng đặc tính tần số

Logarit đê khảo sát, tính toán và thực hiện hiệu chỉnh môt hệ thống
“điện cơ dùng để ổn định và điều khiển tháp pháo ở mặt phẳng nằm
ngang (β) trên xe tăng”
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Trương Xuân Tùng đã
tận tinh giảng dạy giúp tôi co thê hoàn thành nôi dung hoc lý thuyết
cung như bài tập lớn môn Lý thuyết điều khiên tự đông.

4


A. Đề bài
Sơ đồ nguyên lý:

+E

~3x 36V
~36V
400HZ
400HZ



KĐ
ĐT

CQ

Tháp pháo

P1

R2

ĐT

P

R1
BAQ

KĐMĐ

KĐR

ĐCCH

Trong đo:
CQ
: Con quay ba bậc tự do dùng đê đo lường goc sai lệch của tháp pháo.
BAQ : Biến áp quay biến đổi tín hiệu goc sai lệch thành đi ện áp xoay
chiều.
KĐĐT: Khuếch đại điện tử nhạy pha dùng đê khuếch đại s ơ bô tín hiệu sai
lệch
KĐR : Khuếch đại rơle đê khuếch đại tiếp theo tín hiệu sai lệch.
KĐMĐ : Khuếch đại máy điện dùng đê khuếch đại tín hiệu về m ặt công
suất.
ĐCCH : Đông cơ chấp hành điện môt chiều.
ĐT : Cơ cấu đổi tốc
ĐTĐC : Đối tương điều chỉnh

Các thông số cho trước của phần tử trong hệ thống:
Tên
phần tử

CQ

Kí hiệu
Kcq
các
thông số
và thứ
nguyên [®é/
®é]

Kí hiệu

K1

BAQ
Kbaq

[V/®é
]

K3

KĐĐT
Kk®

Tk®

®t

®t

[mA/V
]

K4

KĐR

KĐMĐ

ĐCCH

Kk®r

Kkđmđ

Tkđmđ

Kđc

Tđc

Kđt=1/i

[mA/mA]

[V/ma]

[sec]

[độ/V]

[sec
]

[®é/®
é]

K5

T2

K6

T3

K7

[sec]

T1

ĐT

K2

5


Giá trị
tra theo
bảng

1

70

240 0.00
6

1.5

2.8

0.02
5

2

0.1
1

0.00
1

Khảo sát hệ thống ĐCTĐ trên và tổng hơp cơ cấu hiệu chỉnh đê h ệ th ống

thoả các yêu cầu chỉ tiêu chất lương sau:
- Điều khiên tháp pháo với tốc đô cực đại: Vmax=32(mm/s), sai số
không quá
=0.14 (mm/s)
- Các chỉ tiêu chất lương quá trinh quá đô: δmax=30(%), tđc=1.1(s), n=2
B. Các bước tiến hành
I. Nguyên lý làm việc
- Hệ thống làm việc dựa trên nguyên lý sai lệch. Khi đặt goc quay
cho tháp pháo, đồng thời con quay ba bậc tự do đặt trên tháp pháo
đo goc lệch trên mặt phăng β, truyền tín hiệu ngươc lại đầu vào
cho biết vị trí thực tế của tháp pháo và tạo tín hiệu goc sai lệch,
biến áp quay biến đổi goc sai lệch thành tín hiệu điện xoay chiều,
goc lệch càng lớn mức điện áp càng cao.
- Do tín hiệu điện ban đầu rất nhỏ, tín hiệu điện sẽ đươc đưa t ới b ô
khuyếch đại điện tử nhạy pha đê khuếch đại sơ bô. Tín hiệu sẽ tiếp
tục đươc khuếch đại đê đáp ứng mức tín hiệu cần thiết cho tầng
tiếp theo
- Tín hiệu đưa tới đông cơ chấp hành (ĐCCH), qua bô đổi tốc và
thực hiện điều chỉnh tháp pháo
- Khi mức tín hiệu sai lệch bằng “0” hệ thống sẽ đạt đươc goc quay 
mong muốn
II. Sơ đồ khối và hàm số truyền của hệ thống
1. Sơ đồ khối và chức năng của các phần tử

6


 CCCT: cơ cấu chương trinh, nhiệm vụ tạo quy luật thay đổi
mong muốn của tín hiệu vào
 ĐLSS - Đo lường so sánh là con quay ba bậc tự do co tác dụng

đo lường các goc sai lệch của tháp pháo ở mặt nằm ngang.
 ĐLBĐ – Đo lường biến đổi (biến áp quay) dùng đê biến đổi tín
hiệu goc sai lệch thành điện áp xoay chiều.
 KĐĐT - Khuếch đại điện tử nhạy pha dùng đê khuếch đại sơ
bô tín hiệu sai lệch.
 KĐR - Khuếch đại rơ le tiếp tục khuếch đại tín hiệu sai lệch.
 KĐMĐ - Khuếch đại máy điện co tác dụng khuếch đại tín hiệu
về mặt công suất.
 ĐCCH - Đông cơ chấp hành điện môt chiều.
 ĐT - Cơ cấu đổi tốc.
 ĐTĐC - Đối tương điều chỉnh (Tháp pháo).
2. Sơ đồ chức năng

Trong đo:
CCCT: cơ cấu chương trinh, nhiệm vụ tạo quy luật thay đổi mong
muốn của tín hiệu vào
CQ: cơ cấu đo lường và so sánh, là cơ cấu tạo ra tín hiệu sai lệch
BAQ: biến đổi lương sai lệch thành môt dạng tín hiệu
KĐĐT: khuếch đại sơ bô tín hiệu sai lệch đảm bảo mức tín hiệu đủ
lớn cho tầng KĐ tiếp theo
KĐR: khuếch đại tín hiệu sai lệch
KĐMĐ: khuếch đại công suất thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu
cho phù hơp với sự làm việc của phần tử đứng sau no
ĐCCH: cơ cấu chấp hành tạo ra tác đông điều khiên,tác đông tr ực tiếp
lên đối tương điều khiên nhằm bảo đảm sự thay đổi của quy luật điều
khiên mong muốn.
ĐT: Cơ cấu đổi tốc
7

ĐTĐC: đối tương điều chỉnh là các thiết bị mà chúng ta c ần phải đi ều
khiên và điều chỉnh các tham số của chúng, ở đây là tháp pháo

3. Sơ đồ cấu trúc

4. Hàm số truyền của hệ thống
 Hàm số truyền từng phần tử:
- Phần tử ĐLSS: W1 = K1
- Phần tử ĐLBĐ: W2 = K3
- Phần tử KĐĐT: W3 =
- Phần tử KĐR: W4 = K2
- Phần tử KĐMĐ: W5 =
- Phần tử ĐCCH: W6 =
- Phần tử ĐT: W7 = K7
 Hàm số truyền hệ hở:
Wh (p) = = =
Với: K=141.12
N(p)=

 Hàm số truyền hệ kín:
Với N(p) đa thức đặc trưng của hệ thống hở, D(p) là đa thức đặc tr ưng
của hệ thống kín.
III. Khảo sát tính ổn định
1. Khảo sát tính ổn định HST hệ thống hở
 Cho N(p)=0 ta đươc phương trinh đặc trưng của hệ thống mạch hở:
p(T1p+1)(T2p+1)(T3p+1) = 0
⇔p(0.006p+1)(0.025p+1)(0.11p+1) = 0
Phương trinh co 4 nghiệm: p1=0; p2= < 0; p3=-40<0; p4= < 0
8

 Do phương trinh đặc trưng của hệ thống co 03 điêm nằm bên trái
trục ảo và 01 điêm nằm trên trục ảo. Ta co thê kết luận hệ thống hở
nằm trên biên giới ổn định
Đặc tính quá độ hệ thống hở ban đầu:

2. Khảo sát tính ổn định HST của hệ thống kín
Áp dụng tiêu chuẩn ổn định Hurwitz:
Ta co đa thức đặc trưng của hệ thống kín:
D(p)=K+N(p)= 141.12 +
=
Cho D(p)=0 ta đươc phương trinh đặc trưng của hệ thống kín.
Đây là phương trinh bậc 4 với các hệ số:
a0 = > 0

a1 = > 0
a2 = >0
a3 = 1 > 0
a4 = > 0

9


Ta co ma trận Hurwitz:
H=
1 = a1 = > 0
2 == a1a2 - a0a3 = > 0
3 == a32 - a1= < 0
4 = a43 = -0.18839 < 0
Ta thấy 3 < 0; 4 < 0 mà điều kiện đê hệ thống ổn định là:

Do đo hệ thống kín đã cho không ổn định. Vi vậy ta phải tiến hành hi ệu
chỉnh đê đưa hệ thống về mức ổn định.
Đặc tính quá độ của hệ thống kín ban đầu:

IV.

Xây dựng đặc tính tần số Logarit
Từ hàm số truyền hệ hở:
Wh (p) =
Ta thấy hệ thống gồm:

- Môt khâu khuếch đại: Kkđ(p) = 141.12
10


- Môt khâu tích phân: Ktp(p) =
- Ba khâu quán tính: K1(p) =
K2(p) =
K3(p) =
Các khâu đươc mắc nối tiếp với nhau
Tương ứng với mỗi khâu trên ta co các đặc tính biên đô Logarit lần
lươt là: L1(ω);L2(ω);L3(ω);L4(ω);L5(ω)
Các tần số gập tương ứng:
ωg1 = (sec-1)
ωg2 = (sec-1)
ω g3 = (sec-1)
Thay p=jω ta đươc đặc tính tần số pha hệ hở:

Wh(j== Ah(
Ah(=

Đặc tính biên đô tần số Logarit co dạng:
Lh(
Đặc tính tần số Logarit
 Khâu khuếch đại: L1(ω)= 141.12
Đường đặc tính L1(ω) là đườg thăng song song với trục hoành, cắt
trục tung tại điêm co toa đô bằng 20lg(141.12)
Đường đặc tính φ1(ω) trùng với trục hoành
 Khâu tích phân: L2
Đường đặc tính L2 là đường thăng co đô nghiêng -20dB/dc, cắt trục
hoành tại điêm ω=1
Vi: ωg3 < ωg2 < ωg1 ⇔ 9.09 < 40 < 166.6 nên ta co
 Khâu quán tính thứ nhất: L3
Dựng L3 bằng phương pháp tiệm cận.
o
o
o
o

Lấy L3
Bởi vi
Lấy L3khi
Bởi vi

11


Với những giá trị đặc tính trùng với trục hoành. Tại tần số gập đặc
tính gập xuống với đô nghiêng -20dB/dc
 Khâu quán tính thứ hai: L4
Dựng L4 bằng phương pháp tiệm cận.

o
o
o
o

Lấy L4
Bởi vi
Lấy L4khi
Bởi vi

Với những giá trị đặc tính trùng với trục hoành. Tại tần số gập đặc
tính gập xuống với đô nghiêng -20dB/dc
 Khâu quán tính thứ ba: L5
Dựng L5 bằng phương pháp tiệm cận:
o
o
o
o

Lấy L5
Bởi vi
Lấy L3khi
Bởi vi

Với những giá trị đặc tính trùng với trục hoành. Tại tần số gập đặc
tính gập xuống với đô nghiêng -20dB/dc
Nhận xét:
 Do ảnh hưởng của khâu khuếch đại, đường đặc tính sẽ bắt đầu từ
điêm co tung đô 20lg141.12 42.99 (dB) tại
 Trong khoảng tần số 1: Do đặc tuyến của khâu tích phân, đường đặc

tính sẽ nghiêng với đô dốc -20dB/dc.
 Trong khoảng tần số : Do ảnh hưởng của khâu quán tính co hằng số
thời gian T=0.11[sec], đường đặc tính sẽ nghiêng thêm -20dB/dc. Đô
dốc tổng hơp là -40dB/dc.
 Trong khoảng tần số : Do ảnh hưởng của khâu quán tính co hằng số
thời gian T=0.025[sec], đường đặc tính sẽ nghiêng thêm -20dB/dc.
Đô dốc tổng hơp là -60dB/dc.
12


 Trong khoảng tần số: Do ảnh hưởng của khâu quán tính co hằng số
thời gian T=0.006[sec], đường đặc tính sẽ nghiêng thêm
-20dB/dc. Đô dốc tổng hơp là -80dB/dc.
V. Xây đựng đặc tính tần số Logarit và đặc tính pha mong muốn
Lm(ω)
Ta hiệu chỉnh hệ thống với các yêu cầu cho trước như sau:
Tốc đô cực đại: Vmax=32(mm/s), sai số không quá v =0.14 (mm/s)
Các chỉ tiêu chất lương quá trinh quá đô: δmax=30(%), tđc=1.1(s), n=2
Hệ thống co môt khâu tích phân, do đo bậc phiếm tinh của hệ thống ν =
1. Hệ số truyền K của hệ thống phải thoả mãn:
 Kv  = 228.57;
⟹ Ta chon Km = 230
1. Phần tần số thấp
Khoảng tần số thấp tính từ tần số tối thiêu đến tần số liên h ơp đầu
tiên. Khoảng tần số này trong đặc tính tần số biên đô Logarit tương ứng
với trạng thái xác lập trên đặc tính quá đô. Như ta đã biết, sai s ố ở tr ạng
thái xác lập phụ thuôc vào hệ số truyền K và bậc phiếm tinh  của hệ
thống mạch hở.
Phương trinh đặc tính Lm() co dạng:
Lm() = 20lg(230)- 20lg.

Đô nghiêng của đoạn đặc tính tần số thấp là -20db/dc. Và đo ạn đặc
tính này đi qua điêm co toạ đô  = 1, Lm( =1) = 20lgKm = 20lg230  47.2
2. Phần tần số trung
(sec-1)
Chon
Tần số gập :


 (s)
- Tần số gập
13


⟹

- Tần số gập :
=>(sec-1)
 = 0.05 (s)

3. Phần tần số cao
Đặc tính trong phần này tương ứng với quãng đầu trong quá trinh quá
đô, ít ảnh hưởng đến hinh dạng đặc tính mong muốn, đê tránh phức tạp,
dựng đặc tính mong muốn co đô nghiêng của đặc tính đầu khi chưa hiệu
chỉnh.
Đê giảm quá chỉnh, cần tăng đô rông vùng trung tần, trong tr ường h ơp
này ta chon
T3m = T2bđ = 0.025s
T4m = T1bđ = 0.006s
Vậy hàm truyền mong muốn co dạng :
VI. Tính toán cơ cấu hiệu chỉnh

Ta xây dựng cơ cấu hiệu chỉnh nối tiếp cho hệ thống hở đê đảm bảo
yêu cầu chất lương đươc đặt ra.
Sau khi đã mắc cơ cấu hiệu chỉnh thi hàm số truyền của hệ thống
mạch hở sẽ đươc xác định bằng biêu thức:
Wm(p) =Wbđ(p).Whc(p)

(6.1)

Wm(p) - hàm số truyền mong muốn cho hệ thống
Wbđ(p)- hàm số truyền của hệ thống ban đầu
Whc(p) - hàm số truyền của cơ cấu hiệu chỉnh nối tiếp
Từ công thức (6.1) chuyên sang hàm số truyền tần số ta co:
14


Wm(j) =Whc(j).Wbđ(j)

(6.2)

Và chuyên sang đặc tính biên đô tần số loga:
Lm(j) =Lhc(j)+Lbđ(j)
 Lhc(j) =Lm(j) – Lbđ(j)

(6.3)

Đặc tính tần số ban đầu :

Đặc tính tần số mong muốn :

15

Khi đã co Lbđ()và Lm() đê tiến hành xây dựng đường Lhc(), ta sử dụng
phương pháp trừ đồ thị cho nhau vi L hc()= Lm()- Lbđ()bằng cách đo ta
sẽ xây dựng đươc Lhc() co dạng :

Dựa vào Lbđ() và Lm() ta tim ra hàm số truyền của khâu hiệu chỉnh nối
tiếp:

16


Co thê tim ra Lhc() = Lm() – Lbđ() sau đo tim ra hàm truyền khâu nối
tiếp
Co thê từ Lm() tim ra hàm truyền Wm(p)  Whc() =
Ta co:
Wbđ(p)=


với Khc = ==1.63;
T2m= 0.42s
T1m = 14.3s
T2bđ = 0.025s
T3bđ = 0.11s

VII. Hệ thống sau khi đã hiệu chỉnh
Mắc khâu hiệu chỉnh dạng nối tiếp, ta đươc sơ đồ khối :

Sau khi hiệu chỉnh thi hệ thống gồm Wbđ(p)mắc nối tiếp với Whc(p). Do
đo hàm số truyền sau khi hiệu chỉnh là Wm(p) = Wbđ(p).Whc(p) tức là:

Sau khi hiệu chỉnh hệ thống bao gồm các khâu sau:
Khâu khuyếch đại K=230, khâu tích phân W 1(p)= , khâu vi phân bậc
môt W2(p) = 0.42p +1.
Và 4 khâu quán tính W3(p)= ; W4(p)= ; W5(p)= ; W6(p) =
Đặc tính quá độ của hệ thống sau hiệu chỉnh :
17


Nhận xét: Quan sát đặc tính quá đô của hệ thống sau khi đã hiệu chỉnh ta
thấy:
Số lần dao đông : n = 1
Đô quá chỉnh :
Thời gian điều chỉnh: tđc =1.1(s)
Từ đồ thị ta thấy hệ thống sau khi hiệu chỉnh đã thỏa mãn các chỉ tiêu
chất lương theo yêu cầu của đề bài.
C.Kết luận
Hệ thống “Điện cơ dùng để ổn định và điều khiển tháp pháo ở mặt
phẳng nằm ngang () trên xe tăng.” với các tham số cho trong bài ban đầu
hệ thống mất ổn định và chưa đạt đươc những chỉ tiêu chất lương đề ra.
Sau khi tính toán, xây dựng sơ đồ hiệu chỉnh và thực hiện hiệu chỉnh bằng
cơ cấu hiệu chỉnh nối tiếp ta thu đươc hệ thống tương đối ổn định và qua
khảo sát chất lương đạt đươc gần với những chỉ tiêu chất lương đề ra.
D. Tài liệu tham khảo
 Giáo trinh Lý thuyết Điều khiên tự đông (Nguyễn Tăng Cường)
 Hướng dẫn làm bài tập lớn môn hoc Lý thuyết điều chỉnh tự đông –
Khảo sát và tính toán hệ thống ĐCTĐ liên tục, tuyến tính (HVKTQS)
 Tài liệu thí nghiệm Lý thuyết điều khiên tự đông (HVKTQS)
18

19