Ứng dụng logic mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
øng dông logic mê điều khiển tốc độ
động cơ một chiều
ngành: điều khiển và tự động hoá
M Số:
trịnh xuân tuyên

người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS . phan xu©n minh

HÀ NỘI 2008


Trường ĐHBK Hà Nội

1

Luận văn cao học

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu thực sự của tôi. Các số liệu và kết quả
trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học
nào.

Tác giả luận văn

Trịnh Xuân Tuyên

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

2

Luận văn cao học

Mục lục
Lời cam đoan

.............................................................................................................1

Mục lục

....................................................................................................................2

Mở đầu

................. ................................................................................................... 5

Danh mục các bảng ...................................................................................................... 7
................................................................................................ 7

Danh mục các hình vẽ

Chương 1: Mô hình hoá động cơ điện một chiều
1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều ...........................................................................11
1.1.1 Phần tĩnh

................................................................................................. 11

1.1.2 Phần quay

...................................................................................................12

1.2 Phân loại động cơ điện một chiều ....................................................................... 13
1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ................................................. 13
1.4 Xây dựng mô hình toán của động cơ điện một chiều ............................................ 14
1.5 Mô phỏng đặc tính vòng hở của động cơ một chiều ........................................... 19
Chương 2: Điểm qua một số phương pháp thiết kế truyền
thống cho động cơ một chiều
2.1 Thiết kế bộ điều khiển PID tương tự

..................................................................23

2.1.1 Phương pháp tự chỉnh phản hồi Rơle của Asttrom-Hagglund
2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ một chiều
2.2 Thiết kế bộ điều khiển trong không gian trạng thái

......................24

.....................................26

............................................31

2.2.1 Xây dựng mô hình không gian trạng thái của động cơ một chiều .................32
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán ®iĨm cùc ..............................33
2.2.3 ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn tèi ­u LQR

............................................................40

Ch­¬ng 3 : C¬ së lý thut vỊ hƯ logic mờ
3.1 Khái niệm về tập mờ

.........................................................................................47

3.1.1 Định nghĩa về tập mờ

.................................................................................48

3.1.2 Các thuật ngữ trong logic mờ

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

......................................................................48

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

3

Luận văn cao học

3.2 Các phép toán trên tập mờ ....................................................................................50
3.2.1 Phép hợp hai tập mờ

..................................................................................50

3.2.2 Phép giao hai tËp mê

................................................................................52

3.2.3 PhÐp bï cña mét tËp mê ...............................................................................54
3.3 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ ............................................................................54
3.3.1 Khâu mờ hoá .................................................................................................55
3.3.2 Khâu thực hiện luật hợp thành
3.3.3 Khâu giải mờ

.................................................................56

..............................................................................................63

3.4 Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ
3.4.1 Phân loại bộ điều khiển mờ
3.4.2 Nguyên lý điều khiển mờ

............................................................69

.......................................................................69
.........................................................................69

3.4.3 Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

.....................................................71

3.4.4 Các bước thực hiện khi xây dựng một bộ điều khiển mờ ..............................72
Chương 4 : Tổng hợp bộ điều khiển cho ĐCMC trên cơ sở hệ
logic mờ
4.1 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tĩnh .............................................................................73
4.2 Tổng hợp bộ điều khiển mờ động

........................................................................77

4.3 Tổng hợp bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ..............................................81
4.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ ....................................81
4.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ.....................................83
4.3.2.1 Xây dựng thuật toán điều khiển ...........................................................83
4.3.2.2 Luật chỉnh định ,

.........................................................................86

4.3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ .............................87
4.3.2.4 Mô phỏng bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ .........................93
4.3.3 So sánh chất lượng điều khiển của 3 bộ điều khiển mờ .................................98
4.3.4 So sánh chất lượng bộ ĐK PID chỉnh định mờ và các bộ ĐK truyền thống..101

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

4

Luận văn cao học

Kết luận .....................................................................................................................109
Hướng phát triển đề tài ..............................................................................................110
Lời kết ......................................................................................................................111
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................112
Bản tóm tắt luận văn ..................................................................................................113
Abstract

..............................................................................................................114

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

5

Luận văn cao học

Mở đầu
Lý thuyết hệ mờ được khởi xướng bởi Lotfi A. Zadeh thuộc The University of
California. Zadeh đà đưa ra khả năng sử dụng lý thuyết hệ mờ làm công cụ phân tích hệ
động học thế giới thực phức tạp. Tuy nhiên , những nghiên cứu mang tính khai phá của
Mamdani và các cộng sù t¹i Queen Mary College ë Anh chØ ra r»ng lý thuyết hệ mờ có
khả năng ứng dụng trong các ứng dụng điều khiển. Từ đó hầu hết các bộ điều khiển mờ

đều dựa trên mô hình đề xuất bởi Mamdani trong đó các luật logic mờ thu được từ kinh
nghiệm chuyên gia, định luật vật lý và thông tin dự đoán về quá trình
Lý do dẫn tới suy nghĩ áp dụng logic mờ để điều khiển nằm ở chỗ trong rất nhiều
trường hợp con người chỉ cần dựa vào kinh nghiệm vẫn có thể điều khiển được đối
tượng cho dù đối tượng có thông số kĩ thuật không đúng đắn hoặc thường xuyên bị thay
đổi ngẫu nhiên . Do đó mô hình toán học của đối tượng điều khiển không chính xác,
đó là chưa nói tới chúng hoàn toàn có thể bị sai. Việc điều khiển theo kinh nghiệm như
vậy có thể bị đánh giá là không chính xác như các yêu cầu kĩ thuật đề ra song đà giải
quyết được vấn đề trước mắt là vẫn đảm bảo được về mặt định tính các chỉ tiêu chất
lượng định trước.
Động cơ điện một chiều là đối tượng cơ bản trong công nghiệp. Về phương diện
điều khiển động cơ một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, cấu
trúc điều khiển đơn giản, chất lượng ®iỊu chØnh cao , d¶i ®iỊu chØnh tèc ®é réng. Ngày
nay mặc dù động cơ một chiều không còn được sư dơng réng r·i trong c«ng nghiƯp
nh­ng tÝnh chÊt vỊ điều khiển cũng như ưu việt của nó là cơ sở để phân tích và thiết kế
hệ thống điều khiển cho các loại động cơ khác. Về mặt điều khiển hiện nay động cơ
một chiều đà được áp dụng với các bộ điều khiển từ kinh điển đến hiện đại nh­ bé ®iỊu
khiĨn PID, bé ®iỊu khiĨn tèi ­u, ®iỊu khiển thích nghivà chất lượng điều khiển thu
được là rất tốt. Câu hỏi đặt ra là liệu có thể nâng cao hơn nữa chất lượng điều khiển của
hệ thống bằng cách kết hợp bộ điều khiển mờ với một trong các bộ điều khiển trên
được không. Với cách suy nghĩ như vậy, đề tài

ứng dụng logic mờ điều khiển tốc

độ động cơ một chiều đà được chọn làm nội dung chính trong bản luận văn này

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên

Trường ĐHBK Hà Nội

6

Luận văn cao học

Về bố cục bản luận văn được chia ra làm bốn chương:
Chương I :Mô hình hoá động cơ một chiều
Chương II : Điểm qua một số phương pháp thiết kế truyền thống cho động c¬
mét chiỊu
Ch­¬ng III: C¬ së vỊ lý thut vỊ hƯ logic mờ
Chương IV: Tổng hợp bộ điều khiển động cơ một chiều trên cơ sở hệ logic mờ

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

7

Luận văn cao học

Danh mục các bảng
Bảng 1.1: Thông số động cơ một chiều .......................................................................20
Bảng 2.1: Lựa chọn tham số bộ ĐK PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2 ..........26
Bảng 4.1 Luật điều khiển mờ cho bộ điều khiển mờ PD ..............................................79
Bảng 4.2: Luật điều khiển cho biến ngôn ngữ H1 ........................................................90

Bảng 4.3: Luật điều khiển cho biến ngôn ngữ H2 ........................................................90
Bảng 4.4: So sánh chất lượng ĐK của 3phương pháp ĐK mờ ..................................101
Bảng 4.5 : Chất lượng bộ ĐK PID_Fuzzytuning và các bộ ĐK truyền thống ............103
Danh mục các hình vẽ
H-1.1: Cấu tạo động cơ một chiều ................................................................................11
H-1.2: Giản đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập ........................................13
H-1.3: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều ....................................................................16
H-1.4: Tuyến tính hoá dặc tính từ hoá và đặc tính mô men tải ....................................16
H-1.5: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động cơ điện một chiều ....................................18
H-1.6: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều khi từ thông không đổi ................................19
H-1.7: Sơ đồ mô phỏng động cơ điện một chiều .........................................................21
H-1.8: Mô hình Simulink mô phỏng động cơ một chiều ..............................................21
H-1.9: Thông số động cơ một chiều .............................................................................21
H-1.10: Đáp ứng vòng hở động cơ một chiều khi có nhiễu tải tác động ......................22
H-2.1: Cấu trúc hệ thống phản hồi Rơle ......................................................................25
H-2.2: Đặc tính dao động tới hạn của hệ thống phản hồi Rơle ....................................25
H-2.3: Đặc tính dao động tới hạn của động cơ một chiều ...........................................26
H-2.4: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID .................................................................27
H-2.6: Đáp ứng quá độ bộ ĐK PID khi không có nhiễu tác động ................................28
H-2.7: Đáp ứng quá độ bộ ĐK PID khi tín hiệu đặt thay đổi .......................................28
H-2.8: Đáp ứng quá độ bộ ĐK PID khi có nhiễu hằng tác động ..................................29
H-2.9: Đáp ứng quá độ bộ ĐK PID khi có nhiễu bậc thang tác động .........................29

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

8

Luận văn cao học

H-2.10: Đáp ứng quá độ bộ ĐK PID khi có nhiễu tải hằng tác động ...........................30
H-2.11: Đáp ứng quá độ bộ ĐK PID khi có nhiễu tải hình Sin tác động .....................31
H-2.12: Cấu trúc bộ ĐK phản hồi trạng thái ................................................................34
H-2.13: Cấu trúc bộ ĐK phản hồi trạng thái gán điểm cực cho động cơ một chiều ....35
H-2.14: Sơ đồ mô phỏng bộ ĐK phản hồi trạng thái gán điểm cực .............................37
H-2.15: Đáp ứng quá độ bộ ĐK gán điểm cực khi không có nhiễu ............................37
H-2.16: Đáp ứng quá độ bộ ĐK gán điểm cực khi tín hiệu đặt thay đổi ......................38
H-2.17: Đáp ứng quá độ bộ ĐK gán điểm cực khi nhiễu hằng tác động ....................38
H-2.18: Đáp ứng quá độ bộ ĐK gán điểm cực khi nhiễu bậc thang tác động ..............39
H-2.19: Đáp ứng quá độ bộ ĐK gán điểm cực khi nhiễu tải hằng tác động ................39
H-2.20: Đáp ứng quá độ bộ ĐK gán điểm cực khi nhiễu tải hình Sin tác ®éng ...........40
H-2.21: CÊu tróc bé §K tèi ­u LQR cho động cơ môt chiều ......................................41
H-2.22: Sơ đồ mô phỏng bộ ĐK tối ưu LQR ...............................................................42
H-2.23: Đáp ứng quá độ bộ ĐK tối ưu LQR khi không có nhiễu tác động ..................43
H-2.24: Đáp ứng quá độ bộ ĐK tối ưu LQR khi tín hiệu đặt thay đổi .........................43
H-2.25: Đáp ứng quá ®é bé §K tèi ­u LQR khi cã nhiƠu h»ng tác động .....................44
H-2.26: Đáp ứng quá độ bộ ĐK tối ưu LQR khi có nhiễu bậc thang tác động ............44
H-2.27: Đáp ứng quá độ bộ ĐK tối ưu LQR khi có nhiễu tải hằng tác động ..............45
H-2.28: Đáp ứng quá độ bộ ĐK tối ưu LQR khi có nhiễu tải hình Sin tác động .........45
H-3.1a: Hàm thuộc kiểu tam giác ................................................................................48
H-3.1b: Hàm thuộc kiểu hình thang .............................................................................48
H-3.2: Miên tin cậy và miền xác định của hàm thuộc kiểu hình thang ........................49
H-3.3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản ....................................................................55
H-3.4a: Hàm thuộc àchậm(x) và àtăng(y) .........................................................................59
H-3.4b: Hàm thuộc àB(y) xác định theo qui tắc Min ..................................................59
H-3.4c: Hàm thuộc àB(y) xác định theo qui tắc Prod .................................................59

H-3.5: Giải mờ theo phương pháp cực đại ....................................................................64

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyªn


Trường ĐHBK Hà Nội

9

Luận văn cao học

H-3.6: Giải mờ theo nguyên lý cận trái .......................................................................64
H-3.7: Giải mờ theo nguyên lý cận phải ......................................................................65
H-3.8: Giải mờ theo nguyên lý trung bình ...................................................................66
H-3.9: Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm ......................................................67
H-3.10: Tập mờ có hàm thuộc hình thang ....................................................................68
H-3.11: Bộ điều khiển mờ động ...................................................................................69
H-3.12: Hệ kín phản hồi âm với sự tham gia của bộ điều khiển mờ ............................70
H-4.1: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ E .....................................................74
H-4.2: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ U ....................................................74
H-4.3: Quan hệ vào- ra của bộ điều khiển mờ tĩnh ......................................................75
H-4.4: Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều khiển mờ tĩnh .............................................75
H-4.5: Đáp ứng quá độ bộ điều khiển mờ tĩnh khi không có nhiễu .............................76
H-4.6: Đáp ứng quá độ bộ ®iỊu khiĨn mê tÜnh khi tÝn hiƯu ®Ỉt thay ®ỉi ......................76
H-4.7: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ E1 ...................................................78
H-4.8: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ DE1 ................................................78
H-4.9: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ U1 ..................................................78
H-4.10 : Giao diƯn thiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn mê động PD ..............................................79

H-4.11: Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ điều khiển mờ động PD ..................................80
H-4.12: Đáp ứng quá độ bộ ®iỊu khiĨn mê ®éng PD khi kh«ng cã nhiƠu ...................80
H-4.13: Đáp ứng quá độ bộ điều khiển mờ động PD khi tín hiệu đặt thay đổi ............81
H-4.14: Cấu trúc bộ ®iỊu khiĨn PID chØnh ®Þnh tham sè mê .......................................82
H-4.15: CÊu trúc thuật toán PID chỉnh định tham số mờ .............................................83
H-4.16: Sự ảnh hưởng của tham số đến đặc tính quá độ ...........................................85
H-4.17: Sơ đồ khối tính toán tham số và ...............................................................85
H-4.18: Phân tích đáp ứng quá độ của đối tượng .........................................................86
H-4.19: Định nghĩa tập mờ cho các biến ngôn ngữ E2, DE 2 ......................................87

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

10

Luận văn cao học

H-4.20: Định nghĩa tập mờ cho các biến ngôn ngữ H1, H2 ........................................87
H-4.21: Giao diện bộ ĐK PID chỉnh định tham số mờ xây dựng trên Matlab ............93
H-4.22: Quan hệ vào- ra của bộ điều khiển mờ ............................................................93
H-4.23: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ ...........................94
H-4.24: Cấu trúc bên trong khối Update_PID ..............................................................94
H-4.25: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định mờ khi không có nhiễu ...........................95
H-4.26: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định mờ khi tín hiệu đặt thay đổi ....................95
H-4.27: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định mờ khi có nhiễu hằng tác động ..............96
H-4.28: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định mờ khi có nhiễu bậc thang tác động .......96

H-4.29: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định mờ khi có nhiễu tải hằng tác động .........97
H-4.30: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định mờ khi có nhiễu tải hình Sin tác động ....97
H-4.31: So sánh chất lượng các bộ điều khiển mờ .......................................................98
H-4.32: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK mờ khi không có nhiễu tác động ........................99
H-4.33: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK mờ khi tín hiệu đặt thay đổi ................................99
H-4.34: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK mờ khi có nhiễu hằng tác động .........................100
H-4.35: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK mờ khi có nhiễu tải hình Sin tác động ..............100
H-4.36: So sánh chất lượng Bộ ĐK chỉnh định PID mờ và các bộ ĐK truyền thống .102
H-4.37: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi không có nhiễu tác động ............................103
H-4.38: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi tín hiệu đặt thay đổi ....................................104
H-4.39: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu hằng tác động ...............................105
H-4.40: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu bậc thang tác động .......................106
H-4.41: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu tải hằng tác động .........................107
H-4.42: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu tải hình Sin tác động ...................107
H-4.43: Đáp ứng quá độ các BĐK khi có nhiễu hằng và nhiễu tải hình Sin tác động 108

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

11

Luận văn cao học

chương I :Mô hình hoá động cơ điện một chiều
1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần chính là phần tĩnh và phần quay

12

1

11

2

10

3
4
16

9
5
8

7

4
17

6

H 1.1 : Cấu tạo động cơ điện một chiều
1.Hộp điện ; 2.Nắp sau ; 3.Vành góp; 4.Chổi than; 5.Vỏ máy;
6.Gông từ; 7.Đế; 8.Đĩa gắn; 9.Gioăng đệm; 10.Lớp cách điện
11.Cuộn dây phần ứng; 12. Lâi phÇn øng; 13. Cùc tõ chÝnh
14. Khe hë; 15.Cuôn bù; 16. Cuộn từ chính; 17. Trục động cơ

1.1.1 Phần tĩnh
Đây là phần đứng yên của động cơ. Phần tĩnh gồm các bộ phận sau:
ã Cực từ chính
Là bộ phËn sinh ra tõ tr­êng gåm cã lâi s¾t cùc từ và dây quấn kích từ lồng ngoài
lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng là thép kĩ thuật điện hay thép cacbon dày từ 0.5
đến 1mm.
ã Cực từ phụ

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

12

Luận văn cao học

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép
cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn có cấu
tạo như dây quấn cực từ chính.
ã Gông từ
Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. Đối với các động
cơ vừa và nhỏ gông từ thường làm bằng các thép tấm dày uốn và hàn lại. Với các động
cơ lớn gông từ thường làm bằng thép đúc
ã Cơ cấu chổi than
Có chức năng đưa dòng điện một chiều từ ngoài vào phần ứng của động cơ. Cơ cấu
chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá

1.1.2 Phần quay
ã Lõi sắt phần ứng
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường làm bằng những tấm thép kĩ thuật điện
( thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên các lá thép có dập hình dạng rÃnh để sau khi
ép lại thì đặt dây quấn phần ứng vào
ã Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và cho dòng điện phần ứng chạy
qua. Dây quán phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện
ã Cổ góp
Cổ góp được dùng để đưa dòng điện một chiều từ ngoài vào dây quấn phần ứng. Cổ
góp gồm có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn được cách điện với nhau bằng các phiến
mica dầy từ 0.4 đến 1.2 mm và hợp thành một hình trụ tròn
Ngoài ra động cơ điện một chiều còn có các phần khác như trục động cơ trên đó đặt
lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi và cánh quạt dùng để làm mát động cơ khi
chạy

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

13

Luận văn cao học

1.2 Phân loại động cơ điện một chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các loại như

sau:
-

Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu: Cuộn dây kích từ
được thay bằng nam châm vĩnh cửu

-

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Các cuộn dây phần ứng và cuộn dây
kích từ được cấp điện từ hai nguồn riêng rẽ

-

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp
với cuộn dây phần ứng

-

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Cuộn dây kích từ gồm có hai cuộn,
một cuộn được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, một cuộn được mắc song
song với cuộn dây phần ứng

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều có dạng như hình vẽ (H-1.2)

u
i
CF
CB
Lư

Rư
N,P,a

ik

T
E
Td



Rk
Lk

uk

CKĐ
H-1.2 : Giản đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Trong đó
u ; uk : Điện áp một chiều đặt vào phần ứng động cơ và đặt vào cuộn dây kích từ
i; ik : Dòng điện chạy trong phần ứng động cơ và trong mạch kích từ

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

14

Luận văn cao học

CB: Cuộn dây quấn bù
CF: Dây quấn cực từ phụ
N: Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ
P : Số đôi cực từ của động cơ
a: Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng
Rư, Lư: Điện trở và điện cảm mạch phần ứng
E: Sức điện động của phần ứng
: Vận tốc góc trên trục động cơ
T; Td : Mômen điện từ do động cơ sinh ra và mômen cản trên trục động cơ
Nguyên lý làm việc:
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uK nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có
dòng điện kích từ iK, dòng điện kích từ này sẽ sinh ra từ thông chạy trong mạch từ của
động cơ. Nếu ta đặt tiếp một điện áp u lên mạch phần ứng thông qua hệ thống chổi
than, cổ góp thì trong dây quân phần ứng sẽ có dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa
dòng điện phần ứng i và từ thông kích từ sẽ sinh ra mômen điện từ, giá trị của mômen
điện từ được tính như sau:
T=

P.N
.i= Km..i
2 a

(1.1)

với Km= P.N/2a là hệ số kết cấu của máy
Mômen điện từ kéo phần ứng quay quanh trục, khi đó các dây quấn phần ứng quét
qua từ thông và làm cảm ứng trong dây quấn phần ứng một sức điện động:

E=

P.N
.= Km..
2 a

(1.2)

1.4 Xây dựng mô hình toán học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Từ giản đồ thay thế ( H- 1.2) ta có các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau:
+ Mạch kích từ:
Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ iK và từ thông là phụ thuộc phi tuyến
bởi đường cong từ hoá lõi sắt

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyªn


Trường ĐHBK Hà Nội

15

Luận văn cao học

uK = RK.iK + NK.d/dt

(1.3)

Chuyển sang miền Laplat và biến đổi ta được

UK = RK.Ik + Nk.s.φ(s)

(1.4)

1
(U k − RK I K )
sN K

(1.5)

φ(s) =

Trong đó NK là số vòng dây cuộn kích từ
+ Mạch phần ứng:
Phương trình cân bằng điện áp mạch phần øng
u (t ) =i (t ).R + L

di (t )
+ e(t )
dt

( 1.6)

Chuyển sang miền Laplat và biến đổi ta ®­ỵc
U = R.I(s) + L.s.I(s) + E
I(s) =

1
(U − E )
R + Ls

(1.7)
(1.8)

Phương trình cân bằng mômen của động cơ
T(t) – ( Td + Tms) = J

dω
dt

(1.9)

Víi T, Td, Tms là mômen điện từ do động cơ sinh ra, mômen tải, mômen ma sát trên
trục động cơ
T(t) = Km..i(t)

(1.10)

Tms = b.

(1.11)

b là hệ số ma sát của ổ bi trên trục động cơ
J là mômen quán tính của các phần chuyển động quay quy đổi về trục động cơ
Thay ( 1.8) vào (1.7) ta được
T(t) - Td b.(t) = J

d
dt

(1.12)

Chuyển sang miền Laplat và biến đổi ta được
T- Td = ( b + sJ)(s)

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

16

(s) =

Luận văn cao học

T Td
b + Js

(1.13)

Từ các phương trình ( 1.5), (1.8), (1.13) ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc động cơ
điện một chiÒu nh­ H- 1.3

X

E
-

U

1
R + sL

I
X

Tms

-

T

-

ω

1
b + Js

Td
UK

φ

1
sN K

-

RK

Km

I-

H -1.3: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều
Ta thấy sơ đồ cấu trúc ( H-1.3) là phi tuyến mạnh. Trong tính toán và thiết kế bộ
điều khiển cho động cơ thường dùng phương pháp tuyến tính hoá quanh điểm làm việc.
ở đây đặc tính từ hoá mạch kích từ và đặc tính mômen tải đều có tính phi tuyến, ta cần
tuyến tính hoá hai đặc tính này tại điểm làm việc ổn định như hình vẽ ( H- 1.4)

Td


0

TdB

KK

0
IK0

iK

0

B


dB

H-1.4: Tuyến tính hoá đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

17

Luận văn cao học

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải tương ứng là
KK=


| 0 , I K 0
I K

B=

Td
| TdB , dB

Tại điểm làm việc xác lập có : Điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0, tốc độ
quay B, điện áp kích từ UK0, dòng điện kích từ IK0, từ thông 0 và mômen tải TdB . Biến
thiên rất nhỏ của các đại lượng trên tương ứng là : ∆U(s), ∆I(s), ∆ω(s), ∆UK(s), ∆IK(s),
∆φ(s), ∆Td(s)
Sau khi tuyÕn tÝnh ho¸ tại điểm làm việc, các phương trình (1.4), (1.7), (1.12) được
viết lại như sau:
Mạch phần ứng:
U0 + U(s)= R[ I0+ ∆I(s)]+ sL[I0 + ∆I(s)] + Km[φ0 + ∆φ(s)][ωB + ∆ω(s)]

(1.14)

M¹ch kÝch tõ:
UK0 + ∆UK(s)= RK[ IK0+ ∆IK(s)]+ sLK[IK0 + ∆IK(s)]

( 1.15)

Phương trình cân bằng mômen:
Km[0 + (s)][I0+I(s)] [TdB+Td(s)]- b[dB+(s)]= sJ[dB+(s)] ( 1.16)
Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì các phương trình trên có thể được viết dưới
dạng gia sè nh­ sau:
∆U(s)- [ Km.∆φ(s)ωB + Kmφ0.∆ω(s)] = ∆I(s)( R + sL)

( 1.17)

∆UK(s) = ∆IK(s)( RK + sLK)

( 1.18)

Km∆φ(s)I0+Kmφ0.∆I(s)–∆Td(s) b.(s)= sJ(s)

(1.19)

Từ các phương trình ( 1.17), ( 1.18), ( 1.19) ta thiết lập được cấu trúc động cơ ®iƯn
mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp ®· ®­ỵc tun tÝnh hoá như H- 1.5

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyªn


Trường ĐHBK Hà Nội

18

Luận văn cao học

B

Td
U
-

I

1
R + sL

T

K m .0

-

1
sJ

Tms



b

K m .0

Km.I0
UK

1
RK + sLK

IK K
K

Km.B



H 1.5: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động cơ điện một chiều
Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập , để điều chỉnh tốc độ động cơ người

ta có thể thực hiện bằng một trong 3 cách :
- Điều chỉnh điện áp phần ứng
- Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng
- Điều chỉnh từ thông của động cơ.
Trong nội dung đề tài thực hiện theo phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng. Khi
thực hiện theo phương pháp này thì trong suốt quá trình điều chỉnh, từ thông của động
cơ được giữ nguyên ở giá trị định mức = đm. Khi đó Km. = const
Đặt Km. = K
Khi đó các phương trình (1.7), (1.12) được viết lại như sau:
U = R.I(s) + L.s.I(s) + Kω

(1.19)

KI(s) - Td =b.ω(s) +Js(s)

(1.20)

Biến đổi phương trình (1.19) và (1.20) ta được

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

19

Luận văn cao học

I(s) =

1
(U K .ω )
R + Ls

(1.21)

ω(s) =

1
( K1.I ( s ) − Td )
b + sJ

(1.22)

Từ các phương trình ( 1.21) và ( 1.22) ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ
một chiều kích từ độc lập khi từ thông không đổi như H- 1.6

U

I

1
R + Ls

-

E

K

T

-

Td



1
b + Js

K

H- 1.6: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều khi từ thông không đổi
Khi mômen tải = 0, thay phương trình (1.21) vào ( 1.22) và biến đổi ta được
(s) =

K .U
( R + Ls )(b + Js ) + K 2

(1.23)

Từ đó ta có hàm truyền của động cơ một chiều với tín hiệu vào là điện áp một chiỊu
u vµ tÝn hiƯu ra lµ vËn tèc gãc ω của động cơ như sau:
=
w

(s)

K
K
=
=
2
2
U ( s ) ( R + Ls )(b + Js ) + K
LJs + ( RJ + Lb) s + Rb + K 2

(1.24)

Sau khi tuyến tính hoá động cơ điện một chiều ta được mô hình của động cơ là một
khâu bậc hai có dạng như ( 1.24). Mô hình này sẽ được dùng để mô phỏng động cơ và
thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển động cơ
1.5 Mô phỏng đặc tính vòng hở của động cơ một chiều
Để mô phỏng đặc tính vòng hở của động cơ ta cần xác định các thông số của động
cơ. Ta chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập có mà hiệu MD132MAZ có thông
số cho ở bảng 1.1 như sau:

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

20

Luận văn cao học

Bng 1.1 : Thông số của động cơ điện một chiều
Specifications of DC motor
Manufacture

GEC Electronmotors LTD

Size

MD132MAZ

Model number

XM145815.01 07

Power

4.8Kw

Speed

1500 rpm

Amature- Voltage

320 v

Amature- Current

18.5 A

Field- Voltage

360 V

Field- Current

1.35 A

Wd

Shunt

Duty type( Continuous at rated output)

S1

Encl ( Enclosure PI protection)

IP22

Ins CL ( Enclosure class)

F

BRG DE ( Bearing size at driving end )

6208.22

BRG NDE ( Bearing size at Non-driving end)

6204.22

ALT ( Altitude above sea level )

1000

Với thông số động cơ như trên ta tiến hành thí nghiệm đo tốc độ, sức điện động,
công suất, điện áp, dòng điện của động cơ từ đó ta tính được:
R = 2.1975 (); L = 0.0063 ( H) ; K1 = 2.02 ; b = 0.015 ; J = 0.0236
Tõ H-1.6 ta x©y dựng mô hình mô phỏng động cơ trên nền Matlab-Simulink như
H-1.7

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

21

Luận văn cao học

H-1.7: Sơ đồ mô phỏng động cơ một chiều
Với cấu trúc bên trong của khối DC motor có dạng như H-1.8:

H-1.8: Mô hình Simulink động cơ điện một chiều
Với cách đánh dấu các hệ con ( Mask Subsystems) ta cã thĨ dÊu ®i cÊu trúc của
động cơ một chiều và chỉ để lại các thông số như H- 1.9

H-1.9: Thông số của động cơ một chiều

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

22

Luận văn cao học

Tiến hành mô phỏng với điện áp vào là đáp ứng bậc thang 1(t) có giá trị bằng 1 và
mô men tải có giá trị bằng 0.2 tác động vào hệ thống tại thời điểm t= 0.1s ta được kết
quả như H-1.10

H-1.10: Đáp ứng vòng hở động cơ một chiều khi có nhiễu tải tác động

Qua đáp ứng vòng hở trên ta nhận thấy khi điện áp là 1V đặt vào động cơ thì động
cơ chỉ đạt vận tốc tối đa là 0.5 rad/s, tốc độ này nhỏ bằng 1/2 tốc độ yêu cầu của hệ
thống. Hơn nữa, khi có nhiễu phụ tải của động cơ tác động vào hệ thống thì đáp ứng
đầu ra không bám theo tín hiệu đặt do đó không đáp ứng được yêu cầu bài toán đặt ra
Để cải thiện chất lượng điều khiển của hệ thống phù hợp với các yêu cầu thiết kế đặt
ra ta cần thiết kÕ cho hƯ thèng mét bé ®iỊu khiĨn sao cho thời gian quá độ của động cơ
nhỏ, sai lệch tĩnh nhỏ, độ qúa điều chỉnh nhỏ và tín hiệu ra luôn bám theo tín hiệu đặt (
loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu)
Sau đây ta sẽ thiết kế các bộ điều khiển PID, bộ ĐK phản hồi trạng thái gán điểm
cực, bộ điều khiển tối ưu LQR áp dụng cho động cơ một chiều, phân tích ưu nhược

điểm và so sánh chất lượng điều khiển của từng phương pháp.

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên


Trường ĐHBK Hà Nội

23

Luận văn cao học

Chương II : điểm qua một số phương pháp thiết kế truyền
thống cho động cơ một chiều
Một hệ thống sau khi đà được mô hình hoá điều khiển thì công việc tiếp theo của
việc mô phỏng và thiết kế hệ thống là phân tích hệ thống để rút ra một số kết luận cơ
bản cần thiết. Trên cơ sở phân tích hệ thống sẽ lựa chọn được bộ điều khiển thích hợp
nhất để đáp ứng được yêu cầu công nghệ đặt ra hay chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
đặt ra.
Nhiệm vụ của việc thiết kế hệ thống điều khiển là tìm ra được bộ điều khiển mang
lại cho hệ thống chất lượng mong muốn. Nếu hệ thống không ổn định hoặc ổn định
kém thì ta phải tìm ra một bộ điều khiển làm cho nó ổn định với chất lượng mong
muốn. Thông thường chất lượng của hệ thống được đặc trưng bởi: Độ quá điều chỉnh
max,thời gian quá độ tqđ, sai lệch tĩnh st
Đối với động cơ điện một chiều yêu cầu chất lượng gồm các chỉ tiêu cụ thể sau:
ã Độ quá điều chỉnh max = 0.5%
ã Thời gian quá độ t qđ = 0.05s
ã Sai lệch tĩnh st = 0
ã Có khả năng kháng nhiễu cao

Để điều khiển động cơ điện một chiều hiện nay có rất nhiều phương pháp thiết kế
.Trong nội dung chương này chỉ trình bày 3 phương pháp phổ biến thường hay áp dụng
đối với động cơ một chiều đó là các phương pháp: Thiết kế bộ ®iỊu khiĨn PID trªn miỊn
thêi gian liªn tơc, thiÕt kÕ bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực, thiết kế bộ
điều khiển tối ưu LQR. Các phương pháp sau khi thiết kế xong sẽ được chạy mô phỏng
và so sánh với yêu cầu chất lượng đặt ra ban đầu
2.1 Thiết kế bộ điều khiển động PID tương tự
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rÃi để điều khiển đối tượng SISO theo
nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rÃi là vì tính đơn giản
của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyªn


Trường ĐHBK Hà Nội

24

Luận văn cao học

lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ của hệ thống thoả mÃn các yêu
cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t) , tín hiệu điều chỉnh của
u(t) càng lớn (vai trò của khâu khuyếch đại Kp)
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), bộ PID vẫn tạo nên
tín hiệu điều chỉnh ( vai trò của khâu tích phân TI)
- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t) , phản
ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của khâu vi phân TD)

Hàm truyền ®¹t cđa bé ®iỊu khiĨn PID cã d¹ng nh­ sau:
R( s ) = K P (1 +

1
+ TD s )
TI s

(2.1)

Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD. Muốn hệ thống có được
chất lượng mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn tham số cho
phù hợp. Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số KP, TI, , TD cho bộ
điều khiển PID. Trong đó các phương pháp hiệu quả thường được dùng là : phương
pháp Ziegler ninchol, tối ưu modul, tối ưu đối xứng, phương pháp tổng T của Kuhn,
phương pháp Chien-Hrones-Reswick..Trong nội dung đề tài chỉ giới thiệu phương pháp
thiết kế của Ziegler-Nichols và của Astrom-Huggland.
2.1.1 Phương pháp tự chỉnh phản hồi rơle của Astrom-Huggland
Phương pháp tự chỉnh phản hồi Rơle của Asttrom-Huggland nhằm tìm ra đặc tính
dao động tới hạn của đối tượng. Sau đó xác định các tham số KP, TI, TD của bộ điều
khiển PID dựa vào bảng lựa chọn tham số của Ziegler-Nichol 2
Nội dung phương pháp như sau:
Mắc nối tiếp bộ điều khiển Rơle hai vị trí với đối tượng thành hệ kín như H-2.1. Nếu
quá trình có đặc tính dao động tới hạn , hệ kín sẽ tự động đi tới trạng thái dao động tới

HDKH: PGS.TS. Phan Xuân Minh

SVTH: Trịnh Xuân Tuyên