Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) áp dụng cho bài toán phân chia công suất hai động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN ĐÀO

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa
Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào.
Sinh ngày: 25 tháng 06 năm 1975.
Học viên lớp cao học khoá 15 - TĐH - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Xin cam đoan luận văn “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI
TOÁN PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.” do thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cương
hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì

trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam
đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn
tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài
“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ
HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN CHIA CÔNG
SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI”
đã được hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và
một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập để hoàn thành luận văn này.
Công ty cổ phần tự động hóa Hoàng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất
và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì

vậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các
bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014
Học viên

Nguyễn Văn Đào


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................I
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. III
MỤC LỤC ....................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................... VII
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. X
C HƯ Ơ NG 1 : BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ
NỐI
CỨNG TRỤC.................................................................................................... 1
1.1

Bài toán thực tế: .................................................................................... 1

1.1.1

Giải pháp truyền thống ...................................................................... 3

1.1.2

Giải pháp đề xuất .............................................................................. 6

1.2

Mô hình hệ thống. ................................................................................. 8

1.2.1

Giới thiệu:.......................................................................................... 8

1.2.2

Xây dựng mô hình toán của hệ thống. .............................................. 9

1.3

Tham số hệ thống. ............................................................................... 13

C HƯ Ơ NG 2 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ
HÌNH
MẪU MRAS ................................................................................................2-15
2.1

GIỚI THIỆU ....................................................................................2-15


2.1.1

Điều khiển thích nghi trực tiếp và gián tiếp .................................2-15

2.1.2

Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ......................2-15

2.2

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: ......................2-19

2.3

Phương pháp ổn định của Lyapunov. ..............................................2-29

C HƯ Ơ NG 3 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN.
......................................................................................................................... 39
3.1

Cấu trúc hệ thống điều khiển. ............................................................. 39

3.2

Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1......................................... 40

3.3

Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi theo mô

hình mẫu MRAS.............................................................................................. 45
3.4

Tổng hợp mạch vòng tốc độ................................................................ 54

C HƯ Ơ NG 4 : THỰC NGHIỆM ....................................................................
62
4.1

Giới thiệu:............................................................................................ 62

4.2

Các mạch điện thực hiện. .................................................................... 63

4.3

Thực nghiệm trên mô hình. ................................................................. 67

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .............................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 76


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt

Tên tiếng anh

LFFC

Learning Feed Forward Control

MRAS

Model

Reference

Adaptive Hệ thống thích nghi theo

System
Proportional

PID

Tên tiếng việt

mô hình mẫu
-

Integral

Derivative

-

Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm

STR

Self Tuning Regulator

FEL

Learning Feedback Error

ILC

Interative learning control

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

PWM

Pulse – width modulation

Điều chế độ rộng xung

AD

Analog digital

Bộ biến đổi tương tự -số

MLP

Multilayer perceptron

LC

Learning Control

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Bộ điều khiển tự chỉnh
Điều khiển học sai lệch
phản hồi
Điều khiển học theo quá
trình lặp

Bộ điều khiển học

/>

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ.............................................................. 1
Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ. .............................................................. 2
Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau. ...............................
3
Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ. .......................................... 5
Hình 1-5: Giải pháp truyền thống. ......................................................................... 6
Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. ................................................... 7
Hình 1-7: Mô hình hệ thống. .................................................................................. 9

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ..................... 10
Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. .......................................
12
Hình 1-10: Mô hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải................... 13
Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số. ..................................................................... 2-16
Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu. ..................................................................... 2-17
Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp ........................................................ 2-18
Hình 2-4: Mô hình đối tượng và mô hình mẫu ................................................ 2-21
Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. ........... 2-22
Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tượng khi thay đổi tham số bp................... 2-23
Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp. ............... 2-23
Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb. ....... 2-24
Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tượng điều khiển và mô hình mẫu theo luật
MIT................................................................................................................... 2-24
Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu. ........................... 2-25
Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT. .............................................. 2-25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb........................... 2-27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tượng và mô hình mẫu. .227
Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb. ..................................................................... 2-28
Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi. ....................................................... 2-28
Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phương pháp ổn định Lyapunov. .236
Hình 2-17: Đáp ứng ra và sai lệch e của đối tượng và mô hình mẫu. ............ 2-37

Hình 2-18: Các tín hiệu thích nghi Ka, Kb. .................................................... 2-37
Hình 3-1: Cấu trúc hệ thống điều khiển. ............................................................. 40
Hình 3-2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện. ........................................................ 41
Hình 3-3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện 1. ...................................... 44
Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện 1........................................................................... 44
Hình 3-5: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2. ........ 51
Hình 3-6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện
mẫu. ...................................................................................................................... 51
Hình 3-7: Các tham số của bộ điều khiển. ........................................................... 52
Hình 3-8: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện
mẫu khi thông số phần ứng thay đổi. ...................................................................
53
Hình 3-9: Các tham số của bộ điều khiển khi thông số phần ứng thay đổi. ........ 53
Hình 3-10: Cấu trúc mạch vòng tốc độ. ............................................................... 55
Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ. .................................................. 57
Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ. ............................................. 58
Hình 3-13: Tốc độ động cơ dưới điều kiện định mức.......................................... 59
Hình 3-14: Đáp ứng và sai lệch dòng điện của hai động cơ. ............................... 59
Hình 3-15: Tham số của bộ điều khiển. ............................................................... 60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 4-1: Mô hình đối tượng. .............................................................................. 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Hình 4-2: Tổng thể hệ thống. ............................................................................... 63

Hình 4-4: Sơ đồ cấu trúc mạch điện thực hiện..................................................... 64
Hình 4-4: Mặt trước tủ điều khiển. ...................................................................... 65
Hình 4-5: 06 Thyristor của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha......................................... 65
Hình 4-5: Mạch khuếch đại và truyền xung......................................................... 65
Hình 4-5: Mạch điều khiển pha xung................................................................... 66
Hình 4-5: Mạch điều khiển. ................................................................................. 66
Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm. ....................................................................... 67
Hình 4-10: Điện áp đồng bộ và điện áp răng cưa. ............................................... 68
Hình 4-11: Điện áp điều khiển và điện áp răng cưa............................................. 68
Hình 4-12: Điện áp răng cưa và đầu ra khâu so sánh. ......................................... 69
Hình 4-13: Điện áp răng cưa và đầu ra khâu sửa xung. ....................................... 69
Hình 4-14: Xung chùm......................................................................................... 70
Hình 4-15: Nhân xung chùm. ............................................................................... 70
Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor. .................................................................... 71
Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ của động cơ. ............................................................. 71
Hình 4-17: Dòng điện 2 động cơ.......................................................................... 72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay,
việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển,
từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ở một ngã
tư cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong nhà máy, xí nghiệp....được đặc
biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ
thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng
hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ
thuật phải có trình độ ngày càng cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công

nghệ mới tốt. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang được sử dụng lại
yêu cầu người cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ
cho các hệ thống đó.
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặp
nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với
nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ
nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương tự như đã đặt vấn
đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng
rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương
xứng.
Với đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN PHÂN
CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC,
CHUNG TẢI”, tác giả đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên
khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn yêu
cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục. Ưu điểm của
giải pháp là: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến
đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ một chiều
nối cứng trục
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS áp
dụng cho bài toán chia tải hai động cơ.
- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm

Matlab/Simulink.
- Thiết kế chế tạo mô hình và bộ điều khiển bằng mạch điện tử sử dụng
khuếch đại thuật toán.
Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau:
Chương 1: Bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục.
Vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục được xem xét. Đồng
thời xây dựng mô hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ nối cứng trục.
Chương 2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu - Model
Reference Adaptive Systems – MRAS.
Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình
mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp được giới thiệu trong chương này.
Lý thuyết ổn định Lyapunov được áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông
số của đổi tượng điều theo thông số của mô hình mẫu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển.
Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS được
trình bày ở Chương 2 cho việc thiết kế hệ thống điều khiển như đã đề xuất tại
Chương 1. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ
bên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện của động cơ thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là
cố định. Dòng phần ứng của động cơ thứ nhất được xem là dòng điện mẫu. Bộ
điều khiển PID thích nghi mạch vòng dòng điện động cơ thứ 2 sau đó được thiết
kế dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov theo đó dòng điện phần ứng động cơ thứ
2 luôn bám sát dòng điện mẫu – dòng phần ứng động cơ 1. Kết quả thiết kế, tính
toán được đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Chương 4: Thực nghiệm.

Dựa trên các kết quả đạt được ở Chương 3, tác giả đi tiến hành xây dựng
mạch điện tử thực hiện chức năng của hệ thống điều khiển và triển khai trên thiết
bị thực. Kết quả chạy thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của thuật toán
điều khiển đề xuất.
Thái Nguyên, ngày

tháng

.năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

C HƯ ƠN G 1 : BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ
NỐI CỨNG TRỤC.

1.1 Bài toán thực tế:
Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động
cơ một chiều hay xoay chiều công suất đến hàng nghìn KW (Hình 1-1). Thiết bị
cán Block là khâu cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu sử dụng
công suất vào khoảng 5000 Kw là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lò,
trạm nén khí, trạm bơm,…là các hệ thống điển hình mà ở đó thường yêu cầu sử
dụng động cơ công suất lớn.

AC

BBĐ

Động cơ

Tải

Hình 1-1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặp
nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử
dụng cũng như việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu
tố trọng lượng và kích thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với
việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động
cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương
tự như đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể
khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi công
suất lớn tương xứng.

ộng cơ 1

ộng cơ 2

Tải

Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ.

Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ
công suất lớn đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 hay
nhiều hơn 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay
thế, các động cơ được chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định
mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục (Hình 1-2).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

Ưu điểm: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ
biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ
dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây
của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành
phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện.
1.1.1 Giải pháp truyền thống
AC
BBĐ

Động cơ 1

Động cơ 2
Tải

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau.
Trước hết ta phân tích giải pháp đơn giản nhất là thay thế 01 động cơ một
chiều bởi 02 động cơ một chiều giống nhau có tổng công suất bằng công suất
động cơ cần thay thế, các động cơ đã nêu có chung tốc độ định mức. Yêu cầu đặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ra là trong quá trình vận hành hai động cơ trên luôn đóng góp phần công suất của
mình cho phụ tải chung là như nhau. Yêu cầu khắt khe này không thực hiện được
nếu không có sự can thiệp của điều khiển bởi lẽ trong thực tế ta không thể tìm
được hai động cơ giống nhau tuyệt đối.
Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau,
các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc
nối tiếp các cuộn dây phần ứng (Hình 1-3). Khi đó sự đóng góp của hai động cơ
là hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tưởng như đơn giản tuy nhiên không thể thực
hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu
cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi
yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở
đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong
thực tế.
Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải
dùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
nếu không có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự
đóng góp công suất như nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu
02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái
nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải;
Trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả
động cơ còn lại.


AC

AC
Driver 1

Driver 2

Động cơ 1

Động cơ 2

Tải

Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ.
Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch
vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép
bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng
dòng điện (Hình 1-5). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh
bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện
một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy
nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận
hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về
dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với
quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ
điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhược
điểm cơ bản của thiết kế đã nêu.


Tốc độ đặt
(-)
BĐK
Tốc Độ

(-)

(+)

(+)

BĐK Dòng
Điện 1

BĐK Dòng
Điện 1

BBĐ1

BBĐ 2

I1
UA
UB
UC

(-)

I2
UA
UB
UC

Động cơ 2
Động cơ 1

Tải
Máy phát tốc

Hình 1-5: Giải pháp truyền thống.
1.1.2 Giải pháp đề xuất


Tốc độ

(-)
BĐK
Tốc Độ

I1

 I2

(-)
I1

(-)

e2

βI2

e1
SVF1

UA
UB
UC

βI

(-)

(-)
I1

SVF2

Luật TN

BĐK
Dòng Điện

BĐK
Dòng Điện



I2
BBĐ1

UA
UB
UC

BBĐ2

Động cơ
Động cơ

Tả
Máy phát tốc

Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất.


Giải pháp đề xuất trong luận văn này được phát triển dựa theo giải pháp
vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai
mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung
cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với
thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ
điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng
điện giữa 02 động cơ (Hình 1-6). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của
động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu
được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của
động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ
nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với
sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau –
điều mà chúng ta mong đợi.

1.2 Mô hình hệ thống.
1.2.1 Giới thiệu:
Nhằm mục đích kiểm tra khả năng của bộ điều khiển đề xuất trước khi đưa
vào ứng dụng trong thực tế sản xuất, một mô hình của hệ thống hai động cơ một
chiều nối cứng trục, chung tải đã được xây dựng tại Phòng Thí Nghiệm Điện –
Điện tử thuộc Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái
Nguyên.

Hình 1-7: Mô hình hệ thống.
Hệ thống bao gốm 3 động cơ một chiều kích từ độc lập, được nối cứng
trục với nhau qua hệ thống khớp nối và đai truyền.
Hai động cơ đầu (Master Motor, và Slave Motor) dùng để điều khiển tốc độ
quay, động cơ thứ ba đóng vài trò của một máy phát (Generator), tạo ra phụ tải
cho hệ.
Ngoài ra, trên mô hinh còn gắn một máy phát tốc (Tacho) đưa tín hiệu
phản hồi tốc độ về bộ điều khiển.
1.2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ thống.
a) Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập:


+

Uu

Iu

Ru

Lu

Eu
Ikt

Lkt

Rkt

+

Ukt

-

Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Phương trình cân bằng điện áp của động cơ:
di
uu  e u  R ui u  Lu u
dt

(1.1)

Trong đó:
uu : điện áp phần ứng động cơ (V).
iu : dòng điện mạch phần ứng động cơ (A).
eu : suất điện động phần ứng (V).
Ru : điện trở mạch phần ứng (  ).
Lu : điện cảm mạch phần ứng (H).
Khi từ thông động cơ không đổi thì suất điện động phần ứng:
eu  Cu
Trong đó:
Cu : hằng số động cơ.

 : tốc độ động cơ (rad/s).

(1.2)


Phương trình cân bằng mô men của động cơ:

M dt 
Mc

J

d
dt

(1.3)

Trong đó:
M c : moment cản của tải (N.m).
2

J : mô men quán tính của hệ qui về trục động cơ ( kgm ).

M dt  Cuia : moment điện từ của động cơ (N.m).
Từ các phương trình (1.1) - (1.3) ta có mô tả của động cơ một chiều dưới
dạng không gian trạng thái như sau:
1
d

M
 
Cu
i
J a J c
dt

di

R
C
1
 a   au i  u   u U
L
dt

u L
u L
u
Viết

lại

0
d    
 
dt i
C

a 
u 
Lu

dưới
dạng
Cu 
1
0


J    
J  M c 
.  
.   
1

U
R u  a i



u 
0
 


Lu 
 Lu


Hay:
 x  Ax  Bu

y  Cx

Trong đó:
 
x    là vector biến trạng thái của hệ.
 iu 
y   : đầu ra tốc độ của động cơ.

(1.4)

ma

trận:
(1.5)