thiết kế bộ Điều khiển pid thích nghi

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI H ỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG

THI ẾT K Ế BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHI ỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHI ỀU

CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI H ỌC ĐÀ NẴNG


THI ẾT K Ế BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID THÍCH NGHI ĐIỀU KHI ỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHI ỀU

CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

Chuyên ngành : Tự ñộng hóa Mã số ngành : 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Đà Nẵng – Năm 2011

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn


4

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam ñoan ...................................................................................................i

Mục lục ............................................................................................................ ii

Danh mục các kí hiệu ....................................................................................... v

Danh mục các bảng .......................................................................................... vi

Danh mục các hình vẽ ...................................................................................... vii

MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 01

1. Lý do chọn ñề ñề tài ..................................................................................... 01

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 03

3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 03

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài ...................................................... 04

5. Cấu trúc luận văn ......................................................................................... 04

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..................... 06

1.1. KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ........................................... 06

1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều ............................................. 06

1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều ........................................................... 07

1.1.3.Điều khiển ñộng cơ ñiện một chiều ......................................................... 08

1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP...........09

1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều ..................................................09

1.2.2. Chế ñộ quá ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ................................................... 10

1.2.2.1. Mô tả chung......................................................................................... 10

1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi ......................................... 12

5

1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN................................... 14

1.4. MÔ PHỎNG.............................................................................................. 16

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

DÙNG PID...................................................................................................................................18

2.1. THAM SỐ ĐỘNG CƠ ............................................................................... 18

2.2.1. Khái quát về bộ ñiều khiển PID ............................................................................18

2.2.2. Các phương pháp xác ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID............................................20

2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols .............................................................. 20

2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones -Reswick ................................................. 22

2.2.2.3.Phương pháp tối ưu modul.................................................................... 24

2.2.2.4. Phương pháp tối ưu ñối xứng............................................................... 28

2.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU......... 29

2.2.1. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ............................................ 29

2.2.2. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ .................................................. 32

2.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ............... 37

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI............................................... 42

3.1. GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................. 42

3.2. HỆ THỐNG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS)................. 42

3.3. LUẬT THÍCH NGHI ................................................................................ 45

3.3.1.Phương pháp ñộ nhạy (MIT ) .................................................................. 46

3.3.2.Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí ñánh giá

hàm chi phí sai số............................................................................................. 47

3.3.3. Hàm Lyapunov....................................................................................... 48

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ĐỘNG

CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI....................53

6

4.1. BỘ CHỈNH LƯU ...................................................................................... 50

4.2. ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ .............................................................................. 51

4.3. BIẾN DÒNG............................................................................................. 51

4.4. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN ............................................... 52

4.5. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ ...................................................... 54

4.6. GIẢI THUẬT............................................................................................ 56

4.7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG................................................................................. 58

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG......................................................... 61

5.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ...................... 61

5.2. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.01 kg.m2.............63


TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.05 kg.m2.............64


TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= [0:0.5] kg.m2.........64

5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

THAY ĐỔI..........................................................................................................65

5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI.......................................................................................65

KẾT LUẬN VÀ KI ẾN NGHỊ .......................................................................... 67

1. Những ñóng góp của luận văn ...................................................................... 67

2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................... 68

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................... 69

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

PHỤ LỤC

7

DANH M ỤC CÁC KÝ HI ỆU

f Tần số dòng ñiện

Pñm Công suất danh ñịnh

nñm Tốc ñộ ñịnh mức

Uñm Điện áp ñịnh mức

Iñm Dòng ñiện ñịnh mức

J Mô men quán tính

Kb Hằng số sức phản ñiện ñộng

Ka Hằng số từ thông ñộng cơ

Ra Điện trở phần ứng

La Điện cảm phần ứng

Ia Dòng ñiện phần ứng

Ua Điện áp phần ứng

eb Sức phản ñiện ñộng

Vdk Điện áp ñiều khiển

Lkt Điện cảm cuộn kích từ

Rkt Điện trở cuộn kích từ

Ukt Điện áp kích từ

ikt Dòng ñiện kích từ

M Mô men quay trên trục ñộng cơ

Mc Mô men tải

8

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng

Tên bảng Trang

2.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 21

2.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 22

2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 23




9

DANH M ỤC CÁC HÌNH V Ẽ

Hình Nội dung Trang

1.1 Các loại ñộng cơ ñiện một chiều 8

1.2 Sơ ñồ cấu trúc ñộng cơ ñiện một chiều 11

1.3 Sơ ñồ cấu trúc tuyến tính hoá ñộng cơ ñiện một chiều 12

1.4 Sơ ñồ cấu trúc khi từ thông không ñổi 13

1.5 Các sơ ñồ cấu trúc gọn 13

1.6 Mạch thay thế chỉnh lưu 15

1.7 Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo 16

2.1 Cấu trúc bộ ñiều khiển PID 18

2.2 Điều khiển hồi tiếp với bộ ñiều khiển PID 19

2.3 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 20

2.4 Xác ñịnh hằng số khuếch ñại tới hạn 21

2.5 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth 22

2.6 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-

Hrones-Reswick

23

2.7 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín. 25

2.8 Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện. 31

2.9 Sơ ñồ khối của mạch vòng dòng ñiện. 31

2.10 Sơ ñồ khối 33

2.11 Sơ ñồ khối của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ 34

2.12 Quá trình dòng ñiện và tốc ñộ khi có nhiễu tải 35

2.13 Mô hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh 37

10

3.1 Sơ ñồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu 43

3.2 Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp 44

3.3 Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp 45

3.4 Mô hình sai số 46

3.5 Các trạng thái cân bằng 48

4.1 Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl 52

4.2

Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều

chỉnh dòng ñiện ĐMñl

54

4.3 Cấu trúc thu gọn mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl

54

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn ñề tài

Cho ñến nay ñộng cơ ñiện một chiều ñóng một vai trò quan trọng trong

nghành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ ñiện một

chiều ñược ứng dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp cơ khí, ở các

nhà máy cán thép,nhà máy xi măng, tàu ñiện ngầm và các cánh tay Robot. Để

thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp ñiện tử với ñộ chính xác cao, lắp ráp

trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ ñiều khiển tốc ñộ.

Đối với các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, do cấu trúc ñơn giản và

bền vững nên các bộ ñiều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, ñạo hàm) ñược dùng phổ

biến trong các hệ ñiều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc

vào các tham số KP, TI, TD của bộ ñiều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ

ñiều khiển PID chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống,

do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp

với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển. thì ta phải biết chính xác

các thông số và kiểu của ñối tượng cần ñiều khiển. Hơn nữa, bộ ñiều khiển này

chỉ chính xác trong giai ñoạn tuyến tính còn trong giai ñoạn phi tuyến thì các

phương pháp ñiều khiển kinh ñiển không thực hiện ñược.

Mục tiêu của ñiều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển tự

ñộng. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng ñiều khiển khác nhau, với

các yêu cầu và ñặc tính phức tạp khác nhau. Do ñó cần phải tiến hành nghiên

cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển cụ thể cho từng ñối tượng. Mục ñích

cuối cùng là tìm kiếm các bộ ñiều khiển cho các hệ truyền ñộng ñiện ngày càng

ñạt ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả ñạt ñược là

2

cao nhất, ñáp ứng các yêu cầu tự ñộng hoá truyền ñộng ñiện và trong các dây

chuyền sản xuất.

Những năm gần ñây, khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, nhất là

ngành ñiện tử học ñiều khiển, công nghệ vi xử lý vừa tạo ñiều kiện thuận lợi, vừa

ñặt ra vấn ñề ñòi hỏi là phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ ñiều khiển, ñáp ứng

yêu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển

khoa học công nghệ. Việc nghiên cứu xây dựng bộ ñiều khiển tốc ñộ cho ñộng

cơ ñiện một chiều dựa trên các lý thuyết ñiều khiển hiện ñại là một vấn ñề rất cần

thiết, trong việc gắn liền giữa nhiệm vụ nghiên cứu và thực tiễn cuộc sống.

Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp ñược nhiều nhà

khoa học trong và ngoài nước sử dụng rất nhiều ñó là phương pháp ñiều khiển

thích nghi.Trong luận văn tác giả sử dụng phuơng pháp ñiều khiển thích nghi và

phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống ñiều

khiển, ñây là công cụ khá ñắc lực trợ giúp trong việc nghiên, có khả năng ứng

dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền ñộng ñộng cơ một chiều.

Động cơ ñiện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền ñộng ñiện

ñòi hỏi chất lượng cao. Chính vì vậy mà hệ thống ñiều khiển cho các hệ truyền

ñộng này cũng phải ñáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ. Và nói chung, phần lớn

các hệ thống truyền ñộng trong thực tế ñều có cấu trúc và tham số không cố ñịnh

hoặc không thể biết trước.

Đối với ñộng cơ ñiện một chiều, các thông số thường bị thay ñổi làm ảnh

hưởng chất lượng ñiều chỉnh cụ thể là: Khi mạch từ của máy ñiện bị bão hòa làm

ñiện cảm mạch phần ứng Lu của ñộng cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng Ru

của máy ñiện thay ñổi theo nhiệt ñộ làm việc, do ñó hằng số thời gian mạch phần

ứng Tu = Lu/Ru cũng sẽ thay ñổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ

3

thông Φ có thể bị thay ñổi dẫn ñến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay ñổi.

Khi xét ñến tải của các hệ truyền ñộng thì mô men quán tính của tải thường bị

thay ñổi, làm cho mômen quán tính của hệ qui ñổi về trục của ñộng cơ thay ñổi.

Nếu bằng các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển thì chúng ta gặp rất nhiều

khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ ñiều khiển ñạt ñược chất lượng cao. Do

vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều

khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ñang là hướng nghiên cứu ñược rất nhiều

người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều

giá trị ứng dụng trong thực tiển.

Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế

bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay

ñổi làm ñề tài nghiên cứu với mong muốn ñạt ñược ñáp ứng ngõ ra và các ñặc

tính của hệ thống ñiều khiển thỏa mãn các yêu cầu ñã ñề ra.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay ñổi.

Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu phương pháp ñiều khiển thích

nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều.

3. Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu ñề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2

phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn ñề về ứng dụng

ñiều khiển thích nghi, các mô hình ñộng cơ ñiện một chiều, các hàm tối ưu trong

Matlab và các tính toán hỗ trợ các hàm tối ưu.

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu trong

phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng, mô phỏng kiểm

4

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều

khiển mới khắc phục ñược một số nhược ñiểm của các phương pháp ĐK kinh ñiển, từ

ñó mở ra một tiềm năng áp dụng cài ñặt vào các thiết bị ñiều khiển trong công nghiệp

làm nâng cao hơn nữa chất lượng ñiều khiển cho ñộng cơ ñiện một chiều.

5. Cấu trúc luận văn

Ngoài chương mở ñầu, trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau:

Mở ñầu

Chương 1. Tổng quan về ñộng cơ ñiện một chiều

Mô tả toán học ñộng cơ ñiện một chiều

Mô tả toán học mạch ñộng lực.

Chương 2.Tổng hợp bộ ñiều khiển ñộng cơ diện một chiều.

Các phương pháp xác ñịnh bộ ñiều khiển PID

Cấu trúc ñiều khiển ñộng cơ ñiện một chiều

Chương 3. Điều khiển thích nghi.

Giới thiệu tổng quan về lý thuyết ñiều khiển thích nghi.

Các phương pháp thiết kế luật thích nghi.

Chương 4. Tổng hợp bộ ñiều khiển PID thích nghi .

Thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cỏ ñiện một chiều với tham số

mômen quán tính không xác ñịnh.

Lựa chọn hàm Lyapunov dự kiến, xác ñịnh thuật toán ñiều khiển, xây

dựng luật thích nghi ñể chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển và phân tích sự ổn ñịnh

của hệ thống ñiều khiển.

5

Dựa vào kết quả thiết kế bộ ñiều khiển ở chương 4, áp dụng ñể mô phỏng

hệ thống ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều trên phần mềm

Matlab.

So sánh và bàn luận về các ñặc tính của 2 bộ ñiều khiển: PID kinh ñiển và

thích nghi.

Chương 5. Kết quả mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHI ỀU

1.1. KHÁI QUÁT V Ề ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHI ỀU

Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến trong các hệ

thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất ñộng cơ một chiều từ vài

W ñến hàng MW. Đây là loại ñộng cơ ña dạng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu

cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ ñiện một chiều cũng

dễ dàng ñáp ứng với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo

chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ mômen – tốc ñộ.

Trong Động cơ ñiện một chiều, bộ biến ñổi ñiện chính là các mạch chỉnh

lưu ñiều khiển. Chỉnh lưu ñược dùng làm nguồn ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng

ñộng cơ. Chỉnh lưu ở ñây sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha.

1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều

Giống như các loại ñộng cơ ñiện khác, ñộng cơ ñiện một chiều cũng gồm có

stator và rotor….Động cơ ñiện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi ñiện.

Mặt cắt ngang trục máy ñiện một chiều

Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích ñược quấn tập trung

trên các cực từ stator. Các cực từ stator ñược ghép cách ñiện từ các lá thép kỹ

7

thuật ñiện ñược dập ñịnh hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và ñược gắn trên gông từ

bằng thép ñúc, cũng chính là vỏ máy.

Rotor: còn ñược gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần

ứng. lõi thép phần ứng có hình trụ, ñược ghép từ các lá thép kỹ thuật ñiện ghép

cách ñiện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, ñược ñặt vào các

rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor ñược nối tiếp nhau thông qua

các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp ñược cố ñịnh trên trục rotor.

Cổ góp và chổi ñiện: làm nhiệm vụ ñảo chiều dòng ñiện trong dây quấn

phần ứng.

1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia ñộng cơ ñiện một chiều thành các

loại sau:

Động cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập: Dòng ñiện kích từ ñược lấy từ

nguồn riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp ñặc biệt, khi từ thông kích từ

ñược tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là ñộng cơ ñiện một chiều

kích thích vĩnh cửu.

Động cơ ñiện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ ñược nối

song song với mạch phần ứng.

Động cơ ñiện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ ñược mắc nối

tiếp với mạch phần ứng.

Động cơ ñiện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây

quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong ñó, cuộn kích từ song

song thường là cuộn chủ ñạo. Hình 1.1 trình bày các loại ñộng cơ ñiện một chiều.

8

Hình 1.1: Các loại ñộng cơ ñiện một chiều

a) Động cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập

b) Động cơ ñiện một chiều kích từ song song

c) Động cơ ñiện một chiều kích từ nối tiếp

d) Động cơ ñiện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.3. Điều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều

Ưu ñiểm cơ bản của ñộng cơ ñiện một chiều so với các loại ñộng cơ ñiện

khác là khả năng ñiều chỉnh tốc ñộ dễ dàng, các bộ ñiều chỉnh tốc ñộ ñơn giản,

dễ chế tạo. Do ñó, trong ñiều kiện bình thường, ñối với các cơ cấu có yêu cầu

chất lượng ñiều chỉnh tốc ñộ cao, phạm vi ñiều chỉnh tốc ñộ rộng, người ta

thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều.

Đối với các hệ thống truyền ñộng ñiện một chiều có yêu cầu ñiều chỉnh

tốc ñộ cao thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập. Trong phạm

vi luận văn này, xét khả năng ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều kích từ

ñộc lập.

9

1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH T Ừ ĐỘC LẬP

1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều

Khi ñặt lên dây quấn kích từ một ñiện áp uk nào ñó thì trong dây quấn kích

từ sẽ có dòng ñiện ik và do ñó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp ñó ñặt

một giá trị ñiện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng

ñiện I chạy qua. Tương tác giữa dòng ñiện phần ứng và từ thông kích từ tạo

thành mômen ñiện từ , giá trị của mômen ñiện từ ñược tính như sau:

IkI

a

NpM Φ=Φ= .

.2

'.

π (1.1)

Trong ñó: p' - số ñôi cực của ñộng cơ.

N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ.

a - số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.

k = pN/2π.a - hệ số kết cấu của máy.

Mômen ñiện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phấn ứng

quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức ñiện ñộng:

ωω

πΦ=Φ= k

a

NpE .

2

' (1.2)

Trong ñó: ω - tốc ñộ góc của rôto.

Trong chế ñộ xác lập, có thể tính ñược tốc ñộ qua phương trình cân bằng

ñiện áp phần ứng:

Φ−=k

IRU uω (1.3)

Trong ñó: Ru - ñiện trở mạch phần ứng của ñộng cơ.

10

1.2.2. Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều

1.2.2.1. Mô tả chung

Nếu các thông số của ñộng cơ là không ñổi thì có thể viết ñược phương

trình mô tả sơ ñồ thay thế như sau:

Mạch kích từ có hai biến dòng ñiện kích từ ik và từ thông máy Φ là phụ

thuộc phi tuyến bởi ñường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(p) = RkIk(p) +Nk.P.Φ(p) (1.4)

Trong ñó Nk- số vòng dây cuộn kích từ;

Rk- ñiện trở cuộn dây kích từ.

Mạch phần ứng:

U(p)= Ru.I(p)+ Lu p I(p) ± NN p Φ(p) + E(p) (1.5)

Hoặc dạng dòng ñiện:

)]()()([

11

)( pEppNpUpT

RpI N

u

u −Φ±+

=

Trong ñó Lu - ñiện cảm mạch phần ứng;

NN - số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp;

Tu - Lu/Ru - hằng số thời gian mạch phần ứng.

Phương trình chuyển ñộng của hệ thống:

ωJppMpM c =− )()( (1.6)

Trong ñó J là mômen quán tính của các phần chuyển ñộng quy ñổi về trục

ñộng cơ.

Từ các phương trình trên thành lập ñược sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ một

chiều (hình 1.2). Thấy rằng sơ ñồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính toán

ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh ñiểm làm việc.

11

UK

JP

1

u

up

R

τ+1

/1

K

NN

N

KPN

1

K

K

N

R

K

M ω

Mc

-

- U

-

Φ

φ

F

Hình 1.2: Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ một chiều

Đối với ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập (NN = 0) thì có thể viết các

phương trình sau:

Mạch phần ứng:

)]()].[([

)]([)]([)(

ppK

pIILppIIRpUU

Bo

ououo

ωω ∆+∆Φ+Φ++∆++∆+=∆+

(1.7)

Mạch kích từ:

)]([)]([)( pIIpLpIIRpUU kkokkkokkko ∆++∆+=∆+ (1.8)

Phương trình chuyển ñộng cơ học:

)]([

)]([)]()].[([

BJ

pMMpIIpK

Bp

cBoo

ωω ∆+=∆+−∆+∆Φ+Φ

(1.9)

Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có

thể viết ñược các phương trình của gia số:

)1).((.)](..)(..[)( uuoB pTpIRpKpKpU +∆=∆Φ+∆Φ−∆ ωω (1.10)

12

)1).(( kkkk pTpIRU +∆=∆ (1.11)

)(.)(.)(.. ppJMpIKpIK coo ω∆=∆−∆Φ+∆Φ (1.12)

Hình 1.3 trình bày sơ ñồ cấu trúc ñã ñược tuyến tính hoá theo các phương

trình (1.10), (1.12) của ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập.

u

u

pT

R

+1

1 oKΦ

B

oKΦ

Jp

1

oKI BKω

kK k

k

pT

R

+1

1

∆U ∆I ∆M

∆MC

∆ω

∆Uk ∆Ik

∆Φ

-

-

Hình 1.3: Sơ ñồ cấu trúc tuyến tính hoá ñộng cơ ñiện một chiều

1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi

Khi dòng ñiện kích từ ñộng cơ không ñổi, hoặc khi ñộng cơ ñược kích

thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

KΦ = const = Cu

U(p) = Ru.I(p).(1+pTu) +Cu.ω(p) (1.13)

Cu.I(p) - Mc(p) = Jp.ω(p) (1.14)

Sơ ñồ cấu trúc ñộng cơ khi từ thông không ñổi ñược thể hiện trên hình 1.4.

Bằng phương pháp ñại số sơ ñồ cấu trúc ta có sơ ñồ thu gọn hình 1.5.

Trong ñó ñặt: hệ số khuyếch ñại ñộng cơ: Kñ = 1/Cu , hằng số thời gian cơ học:

2u

uc

C

JRT = (1.15)

13

1

)(.)(

)(2 ++

+=

pTpTT

C

pM

R

TppU

pIccu

u

c

u

c

(1.16)

u

upT

R

+1

1 uC

Jp

1

uC

U -E

I ω

MC

-

Hình 1.4: Sơ ñồ cấu trúc khi t ừ thông không ñổi

1

.

2 ++ pTpTT

pR

T

ccu

u

c

12 ++ pTpTT

K

ccu

ñ

U I

It

12 ++ pTpTT

K

ccu

ñ

1

)1(

2

2

++

+

pTpTT

pTC

R

ccu

uu

u

U ω

-

a)

b) Mc

Iñg

Hình 1.5: Các sơ ñồ cấu trúc gọn

a) Theo tốc ñộ; b) Theo dòng ñiện.

14

1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH L ƯU ĐIỀU KHI ỂN

Bộ biến ñổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên và có ñiện áp (dòng ñiện) ra

là một chiều là các thiết bị ñiện, biến nguồn ñiện xoay chiều ba pha thành ñiện áp

một chiều ñiều khiển ñược. Hoạt ñộng của mạch, do nguồn xoay chiều quyết ñịnh

vì nhờ ñó mà có thể thực hiện ñược chuyển mạch dòng ñiện giữa các phần tử lực.

Phần mạch quan trọng của chỉnh lưu là phần ñiều khiển, tại ñó các xung

mở Thyristor ñược phát ra theo một trật tự ñã ñịnh. Quy luật hoạt ñộng của mạch

ñiều khiển ñược xác ñịnh bởi loại chỉnh lưu (ñảo chiều, không ñảo chiều) và bởi

ñặc tính phụ tải.

Trong thực tế truyền ñộng ñiện hay dùng nhất là hệ thống phát xung ñồng bộ

nhiều kênh, trong ñó việc ñồng bộ ñược thực hiện nhờ việc ñồng bộ hoá ñiện áp tựa

với lưới. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa quét ngược hoặc là hình sin.

Các hệ thống làm việc với ñiện áp tựa kiểu răng cưa là bất biến khi biên

ñộ ñiện áp nguồn thay ñổi. Xung ñiều khiển xuất hiện tại thời ñiểm mà ñiện áp

tựa bằng ñiện áp ñiều khiển.

Phần mạch lực của chỉnh lưu thường ñược phân thành hai nhóm chính,

chỉnh lưu hình tia và hình cầu. Trong sơ ñồ chỉnh lưu hình tia (anôt chung hoặc

catôt chung) mỗi pha của nguồn xoay chiều chỉ dẫn dòng trong một nữa chu kỳ.

Sơ ñồ chỉnh lưu cầu bao gồm hai chỉnh lưu hình tia. Các van Thyristor có thể

ñược nối theo kiểu ñiều khiển ñối xứng hoặc không ñối xứng.

Trong truyền ñộng ñiện, ña số các trường hợp chỉnh lưu ñược ñiều khiển

bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất

xung và tính bán ñiều khiển ñến quá trình quá ñộ là nhỏ và do ñó, gần ñúng có

thể coi chỉnh lưu là mạch ñiều chỉnh liên tục với sơ ñồ thay thế như hình 1.7.

15

Rb Lb

Ed Id

Hình 1.6: Mạch thay thế chỉnh lưu

Trong ñó .2

)4

1( fefb Lmm

RR ωππ

µ +−=

fb LL =

m - số xung áp ñầu ra;

µ - góc chuyển mạch cực ñại;

Lf, Rf - ñiện cảm và ñiện trở của một pha xoay chiều.

Trong trường hợp biến thiên nhỏ của tín hiệu, khi hiện tượng chuyển mạch

không có ảnh hưởng ñến giá trị trung bình của ñiện áp thì ñiện trở Rb=Rf.

Do tính chất xung và tính chất bán ñiều khiển của chỉnh lưu nên thời ñiểm

của tín hiệu ñiều khiển thay ñổi không trùng với thời ñiểm thay ñổi góc ñiều

khiển α. Độ dài của khoảng thời gian trễ này có ñặc tính ngẫu nhiên. Theo kinh

nghiệm, nên chọn giá trị của thời gian trễ là:

.

evo m

Tωπ= (1.17)

Khi tần số ñiện áp xoay chiều ñủ lớn, có thể dùng biểu diễn gần ñúng bởi

khai triển Mc.Laurin:

L+++

=−22

!2

11

1

vovo

pT

TppTe vo (1.18)

và khi này có thể thay thế hàm trễ bởi một khâu quán tính.

16

vopTe− ∆uñk ∆α

Hình 1.7: Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo

vopT+1

1

∆uñk ∆α

Hình 1.8: Hàm truyền của bộ chỉnh lưu trong tr ường hợp gần ñúng

1.4. MÔ PHỎNG

Mô phỏng trên Matlab-Simulink với mô hình mô phỏng ñộng cơ ñiện một

chiều, mô hình chỉnh lưu ñã có.

Tiến hành khảo sát mô hình ở chế ñộ không tải. Điện áp ban ñầu ñặt vào

phần ứng của ñộng cơ bằng ñiện áp ñịnh mức. Để ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ta

thay ñổi ñiện áp ñặt vào phần ứng của ñộng cơ. Từ ñó, vẽ ñồ thị ñáp ứng dòng

ñiện phần ứng và tốc ñộ của ñộng cơ khi không tải

Để xét ảnh hưởng của phụ tải ñối với ñộng cơ, ta ñặt trị mômen tải vào mô

hình với giá trị ñịnh mức. Từ ñó, vẽ ñồ thị ñáp ứng dòng ñiện phần ứng và tốc ñộ

của ñộng cơ khi tải thay ñổi

Từ ñáp ứng tốc ñộ trên 2 ñồ thị, ta rút ra rằng cùng với một giá trị ñiện áp

ñặt, khi phụ tải thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ thay ñổi theo.

17

Mô hình mô phỏng ñộng cơ ñiện một chiều

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên cơ sở khảo sát các ñặc tính vòng hở ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc

lập, hệ T-Đ, ta rút ra ñược kết luận sau:

Ưu ñiểm nổi bật của hệ T-Đ là ñộ tác ñộng nhanh cao, không gây ồn và dễ

tự ñộng hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch ñại công suất rất cao, ñiều ñó

rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự ñộng ñiều chỉnh nhiều vòng ñể

nâng cao chất lượng các ñặc tính tĩnh và các ñặc tính ñộng của hệ thống.

18

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHI ỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHI ỀU DÙNG PID

2.1. THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ

Công suất ñịnh mức: Pdm = 3750[W];

Điện áp phần ứng: Uưdm = 240[V];

Điện áp kích từ: Uktdm = 300[V];

Tốc ñộ ñịnh mức ndm = 1750[vòng/phút];

Điện trở phần ứng: Rư = 2,581[Ω];

Điện cảm phần ứng: Lư = 0,028 [H];

Điện trở kích từ: Rkt = 281,3[Ω];

Điện cảm kích từ: Lkt = 156[H];

Mô mem quán tính: J = 0,0185;

2.2.1. Khái quát về bộ ñiều khiển PID

Cấu trúc của bộ ñiều khiển PID (hình 2.1) gồm có ba thành phần là khâu

khuếch ñại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán

PID nhất thiết phải lựa chọn chế ñộ làm việc là P, I hay D và sau ñó là ñặt tham

số cho các chế ñộ ñã chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản ñược sử

dụng là P, PI và PID.

Hình 2.1: Cấu trúc bộ ñiều khiển PID

19

Bộ ñiều khiển PID có cấu trúc ñơn giản, dễ sử dụng nên ñược sử dụng rộng

rãi trong ñiều khiển các ñối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 2.2). Bộ

PID có nhiệm vụ ñưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá ñộ

thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu ñiều

chỉnh u(t) càng lớn.

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn

tạo tín hiệu ñiều chỉnh.

- Nếu sự thay ñổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t),

phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.

Hình 2.2: Điều khiển hồi ti ếp với bộ ñiều khiển PID

Bộ ñiều khiển PID ñược mô tả bằng mô hình vào-ra:

])(

)(1

)([)(0 dt

tdeTde

Ttektu D

t

I

p ++= ∫ ττ (2.1)

trong ñó: e(t) – tín hiệu ñầu vào;

u(t) – tín hiệu ñầu ra;

kp – hệ số khuếch ñại;

TI – hằng số tích phân;

TD – hằng số vi phân.

Từ mô hình vào – ra trên, ta có ñược hàm truyền ñạt của bộ ñiều khiển PID:

20

++= sT

sT

11k)s(R D

Ip (2.2)

Có nhiều phương pháp xác ñịnh tham số của bộ ñiều khiển PID [4]:

- Phương pháp Ziegler-Nichols

- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

- Phương pháp tổng T của Kuhn

- Phương pháp tối ưu modul và phương pháp tối ưu ñối xứng

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

2.2.2. Các phương pháp xác ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID

2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là pháp thực nghiệm ñể xác ñịnh tham số bộ

ñiều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dự vào ñáp ứng quá ñộ của ñối tượng ñiều

khiển. Tùy theo ñặc ñiểm của từng ñối tượng, Ziegler và Nichols ñưa ra hai

phương pháp lựa chọn tham số của bộ ñiều khiển:

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các ñối

tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.4) như

nhiệt ñộ lò nhiệt, tốc ñộ ñộng cơ…

Hình 2.3: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

21

Thông số của các bộ ñiều khiển ñược chọn theo bảng sau:

Bảng 2.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

Thông số

BĐK kp TI TD

P T2/(k.T1) - -

PI 0,9T2/(k.T1) T1/0,3 -

PID 1,2T2/(k.T1) 2T1 0,5T1

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho ñối

tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ

truyền ñộng dùng ñộng cơ… Đáp ứng quá ñộ của hệ hở của ñối tượng tăng ñến

vô cùng. Phương pháp này ñược thực hiện như sau [4]:

Hình 2.4: Xác ñịnh hằng số khuếch ñại tới hạn

- Thay bộ ñiều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch ñại (hình 2.4).

- Tăng hệ số khuếch ñại tới giá trị tới hạn kth ñể hệ kín ở chế ñộ biên giới ổn

ñịnh, tức là h(t) có dạng dao ñộng ñiều hòa.

- Xác ñịnh chu kỳ Tth của dao ñộng.

22

Hình 2.5: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th

Thông số của các bộ ñiều khiển ñược chọn theo bảng sau:

Bảng 2.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2

Thông số

BĐK kp TI TD

P 0,5kth - -

PI 0,45kth 0,85Tth -

PID 0,6kth 0,5Tth 0,125Tth

2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp này cũng áp dụng cho các ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín

hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.6) nhưng có thêm ñiều kiện:

3>a

b (2.3)

23

Hình 2.6: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick ñưa ra bốn cách xác ñịnh tham số bộ

ñiều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau [4]:

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh:

Bảng 2.3:Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1

Thông số

BĐK kp TI TD

P 3b/10ak - -

PI 6b/10ak 4a -

PID 19b/20ak 12a/5 21a/50

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h không vượt

quá 20% so với )(lim thht ∞→∞ = :

Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2

Thông số

BĐK kp TI TD

P 7b/10ak - -

PI 7b/10ak 23a/10 -

PID 6b/5ak 2a 21a/50

24

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt trước và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh:


Thông số

BĐK kp TI TD

P 3b/10ak - -

PI 7b/20ak 6b/5 -

PID 3b/5ak B a/2

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu ñặt trước và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h

không vượt quá 20% so với )(lim thht ∞→∞ = :


Thông số

BĐK kp TI TD

P 7b/10ak - -

PI 6b/5ak B -

PID 19b/20ak 27b/20 47a/100

2.2.2.3. Phương pháp tối ưu modul

Phương pháp tối ưu modul là phương pháp lựa chọn tham số bộ ñiều khiển PID

cho ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S [4].

Xét một hệ thống ñiều khiển kín như trên hình 2.7. Bộ ñiều khiển R(s) ñiều

khiển cho ñối tượng S(s).

25

Hình 2.7: Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín

Phương pháp tối ưu modul ñược áp dụng ñể chọn tham số bộ ñiều khiển PID

ñiều khiển các ñối tượng S(s) có bản chất quán tính.

Đối với ñối tượng ñiều khiển là khâu quán tính bậc nhất:

Ts

ksS

+=

1)( (2.4)

Phương pháp tối ưu modul ñưa ra bộ ñiều khiển là khâu tích phân:

sT

ksR

I

p=)( (2.5)

Hàm truyền ñạt của hệ kín:

kTssT

ksG

R ++=

)1()( (2.6)

với kTk

TT

P

IR 2==

Trường hợp ñối tượng ñiều khiển có dạng:

)1)...(1)(1(

)(21 sTsTsT

ksS

n+++=

với T1, T2, …, Tn rất nhỏ, dùng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ

ñể chuyển mô hình về dạng xấp xỉ khâu quán tính bậc nhất. Bộ ñiều khiển tối ưu

modul sẽ là khâu tích phân với tham số:

∑=

==n

ii

P

IR Tk

k

TT

1

2 (2.7)

26

Đối với ñối tượng ñiều là khâu quán tính bậc hai:

)1)(1(

)(21 sTsT

ksS

++= (2.8)

Bộ ñiều khiển tối ưu modul là bộ ñiều khiển PI:

p

IR

R

I

I

Ip

I

p k

TT

sT

sT

sT

sTk

sTksR =+=

+=

+= ;

)1()1(11)( (2.9)

Với các tham số TI = T1; 2

1

2kT

TkP =


)1)...(1)(1(

)(21 sTsTsT

ksS

n+++=

với T2, T3, …, Tn rất nhỏ so với T1, dùng phương pháp tổng các hằng số thời gian

nhỏ ñể chuyển mô hình về dạng xấp xỉ:

)1)(1(

)(1 TssT

ksS

++= ; ∑

==

n

iiTT

2

(2.10)

Bộ ñiều khiển tối ưu modul sẽ là bộ ñiều khiển PI có các tham số:

- TI = T1

- ∑

=

= n

ii

P

Tk

Tk

2

1

2

Đối với ñối tượng khiển là khâu quán tính bậc ba:

)1)(1)(1(

)(321 sTsTsT

ksS

+++= (2.11)

Bộ ñiều khiển tối ưu modul là bộ ñiều khiển PID:

p

IR

R

BAD

I

p k

TT

sT

sTsTsT

sTksR =++=

++= ;

)1)(1(11)( (2.12)

27

Với các tham số:

- TI = T1 + T2

- 21

21

TT

TTTD +

=

- 3

21

2kT

TTkP

+=


)1)...(1)(1(

)(21 sTsTsT

ksS

n+++=

với T3, T4, …, Tn rất nhỏ so với T1 và T2, dùng phương pháp tổng các hằng số thời

gian nhỏ ñể chuyển mô hình về dạng xấp xỉ:

)1)(1)(1(

)(21 TssTsT

ksS

+++= (2.13)

trong ñó ∑=

=n

iiTT

3

Bộ ñiều khiển tối ưu modul sẽ là bộ ñiều khiển PID có các tham số:

- TI = T1+T2

- 21

21

TT

TTTD +

=

- ∑

=

+=n

ii

P

Tk

TTk

3

21

2

2.2.2.4. Phương pháp tối ưu ñối xứng

Việc thiết kế bộ ñiều khiển PID theo phương pháp tối ưu modul có nhược

ñiểm là ñối tượng S(s) phải ổn ñịnh, hàm quá ñộ h(t) của nó phải ñi từ 0 và có

28

dạng hình chữ S. Trong trường hợp này, có thể chọn tham số PID theo nguyên

tắc tối ưu ñối xứng [4].

Đối với ñối tượng ñiều khiển là khâu tích phân-quán tính bậc nhất:

Hàm truyền ñạt của ñối tượng:

)1(

)(1sTs

ksS

+= (2.14)

Bộ ñiều khiển tối ưu ñối xứng sẽ là bộ ñiều khiển PI:

)1

1()( sT

ksRI

p += (2.15)

Bộ PI này có các tham số xác ñịnh như sau :

- Xác ñinh a từ ñộ quá ñiều chỉnh ∆h cần có của hệ kín theo:

)(ln

)(ln4

1exp

22

2

2 h

ha

D

Dh

∆+∆=⇒

−−=∆

ππ

(2.16)

Hoặc a tự chọn với a>1 từ yêu cầu chất lượng ñề ra. Giá trị a ñược chọn càng

lớn, ñộ quá ñiều chỉnh càng nhỏ. Nếu a ≤ 1, hệ kín sẽ không ổn ñịnh.

- Tính TI: TI = aT1.

- Tính kp: akT

kp

1

1=

Đối với ñối tượng ñiều khiển là khâu tích phân-quán tính bậc hai:

Hàm truyền ñạt của ñối tượng:

)1)(1(

)(21 sTsT

ksS

++= (2.17)

Bộ ñiều khiển tối ưu ñối xứng sẽ là bộ ñiều khiển PID:

sT

sTsTksTs

TksR

I

BAp

D

I

p

)1)(1()

11()(

++=++= (2.18)

29

Với: - TA+ TB = TI

- TATB = TITD và TA = T1

Các tham số tối ưu ñối xứng của bộ ñiều khiển PID ñược chọn như sau:

- Chọn TA = T1.

- Xác ñịnh 4>a>1 từ ñộ quá ñiều chỉnh ∆h cần có của hệ kín, hoặc chọn a>1

từ yêu cầu chất lượng ñề ra. Giá trị a ñược chọn càng lớn, ñộ quá ñiều chỉnh

càng nhỏ. Để hệ kín không có dao ñộng, chọn a≥4. Hệ kín sẽ không ổn ñịnh với

a≤1.

- Tính TB = aT2. Từ ñó suy ra TI = TA + TB và I

BAD T

TTT =

akTkp

2

1~ =

- Tính rồi suy ra B

Ip

p T

Tkk

~=

2.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHI ỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHI ỀU

2.2.1. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện

Trong các hệ thống truyền ñộng tự ñộng cũng như các hệ thống chấp hành

thì mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của

mạch vòng dòng ñiện trong các hệ thống truyền ñộng một chiều và xoay chiều là

trực tiếp (hoặc gián tiếp) xác ñịnh mômen kéo của ñộng cơ, ngoài ra còn có chức

năng bảo vệ, ñiều chỉnh gia tốc…

Một phương án ñơn giản nhất ñể ñiều chỉnh dòng ñiện có cấu trúc như

hình 2.8, dùng bộ ñiều chỉnh tốc ñộ hoặc ñiện áp R có dạng bộ khuyếch ñại tổng

và mạch phản hồi dòng ñiện phi tuyến P. Khi tín hiệu dòng ñiện chưa ñủ ñể khâu

phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ ñiều chỉnh làm viêc như bộ ñiều chỉnh

tốc ñộ (hay ñiện áp) mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng ñiện. Khi

30

dòng ñiện ñủ lớn, khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của ñặc tính và phát huy

tác dụng hạn chế dòng của bộ ñiều chỉnh R.

Phương án thứ hai ñược mô tả trên hình 2.8b. Có hai mạch vòng với hai

bộ ñiều chỉnh riêng biệt R1, R2, trong ñó R2 là bộ ñiều chỉnh dòng ñiện với giá

trị ñặt Iñ. Cấu trúc kiểu này cho phép ñiều chỉnh ñộc lập từng mạch vòng.

Phương án ñiều chỉnh dòng ñiện ñược sử dụng rộng rãi nhất trong truyền

ñộng ñiện tự ñộng như trên hình 2.8c, trong ñó R1 là bộ ñiều chỉnh dòng ñiện,

Rω là bộ ñiều chỉnh tốc ñộ. Mỗi mạch vòng có bộ ñiều chỉnh riêng ñược tổng

hợp từ ñối tượng riêng và theo các tiêu chuẩn riêng.

R S01 S02

MC

I -

-

p

a)

R1 S01 S02

MC

I -

b)

R2

-

Iñ

Rω S01 S02

MC

I

-

c)

RI

-

Iñ

Hình 2.8: Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện

31

Mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện khi bỏ qua sức ñiện ñộng ñộng cơ

Sơ ñồ khối của mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện như trên hình 2.9, trong

ñó F là mạch lọc tín hiệu, Ri là bộ ñiều chỉnh dòng ñiện, BĐ là bộ biến ñổi một

chiều, Si là xenxơ dòng ñiện.

Xenxơ dòng ñiện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều

hoặc bằng ñiện trở sun hoặc các mạch do cách ly trong mạch một chiều.

fpT+1

1

)1)(1(

1

voñk pTpT ++

α∂∂ dU

u

upT

R

+1

1

i

ipT

K

+1 Ui

Uiñ

Si

F Ri

BĐ

-E

I

Hình 2.9: Sơ ñồ khối của mạch vòng dòng ñiện

Trong ñó: Tf, Tñk, Tvo, Tu, Ti - các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch

ñiều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và xenxơ dòng ñiện.

Ru - ñiện trở mạch phần ứng.

α∂∂ dU - hệ số khuyếch ñại của chỉnh lưu.

Trong trường hợp coi sức ñiện ñộng của ñộng cơ không ảnh hưởng ñến

quá trình ñiều chỉnh của mạch vòng dòng ñiện tức là coi ∆E = 0 hoặc E = 0.

Hàm truyền của mạch dòng ñiện (hàm truyền của ñối tượng ñiều chỉnh) là

như sau:

)1)(1)(1)(1)(1(

/.)(

iuvoñkf

uicloi PTPTPTPTPT

RKKPS

+++++= (2.19)

32

Trong ñó các hằng số thời gian Tf, Tñk, Tvo, Ti là rất nhỏ so với hằng số

thời gian ñiện từ Tu. Đặt Ts = Tf + Tñk + Tvo + Ti thì có thể viết lại (2.1) ở dạng

gần ñúng sau:

)1)(1(

/)(

pTpT

RKKpS

us

uicloi ++

= ; Trong ñó Ts <<Tu. (2.20)

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môñun ta tìm ñược hàm truyền của bộ ñiều

chỉnh dòng ñiện có dạng khâu PI

paT

R

KKpT

pR

su

icl

ui

.

1)(

+= (2.21)

Trong ñó ñể bù hằng số thời lớn hơn ( uT ), ta chọn sTT =σ và hằng số a có

thể lấy a = 4

Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng sẽ là:

( ) 22221

11

112

11

)(

)(

pTpTKpTpTKpU

pI

ssissiiñ ++⋅=

++⋅=

(2.22)

2.2.2. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ

Hệ thống ñiều chỉnh tốc ñộ là hệ thống mà ñại lượng ñược ñiều chỉnh là

tốc ñộ góc của ñộng cơ ñiện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật.

Hệ thống ñiều chỉnh tốc ñộ ñược hình thành từ hệ thống ñiều chỉnh dòng ñiện.

Các hệ thống này có thể là ñảo chiều hoặc không ñảo chiều. Do các yêu cầu công

nghệ mà hệ cần ñạt vô sai cấp một hoặc vô sai cấp hai.Tuỳ theo yêu cầu của

công nghệ mà các bộ ñiều chỉnh tốc ñộ Rω có thể ñược tổng hợp theo hai tín

hiệu ñiều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp chung hệ thống phải

có ñặc tính ñiều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu ñiều khiển lẫn từ phía tín hiệu nhiễu

loạn.

33

Sơ ñồ khối chức năng ñược trình bày trên hình 2.10.

Rω Ri FX BĐ Đ

Si

Sω

Uωñ

HCD

Uiñ

Ui

-

Uñ

Uk Mc

I

ω

Uω

-

Hình 2.10: Sơ ñồ khối

Điều chỉnh tốc ñộ dùng bộ ñiều chỉnh tốc ñộ tỷ lệ

Ở phần trên ta ñã tổng hợp ñược mạch dòng ñiện, trong phần này sẽ sử

dụng biểu thức kết quả trong ñó ñã bỏ qua ảnh hưởng của s.ñ.ñ của ñộng cơ:

)1(21

1.

1

)(

)(

pTpTKpU

pI

ssiiñ ++= (2.23)

Do TS rất nhỏ → Ts2≈ 0, do vậy ñể thuận tiện trong tính toán tiếp theo, ta

có thể thay (2.5) bởi biểu thức gần ñúng tính hàm truyền của mạch vòng dòng

ñiện:

pTKpU

pI

siiñ 21

1.

1

)(

)(

+= (2.24)

Hoặc nếu mạch vòng dòng ñiện ñược tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu ñối

xứng thì:

pTKpU

pI

siiñ 41

1.

1

)(

)(

+=

(2.25)

Sơ ñồ khối cấu trúc của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ như trên hình 2.4, trong ñó

Sω là xenxơ tốc ñộ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền Kω và

hằng số thời gian (lọc) Tω. Thường Tω có giá trị nhỏ, khi ñó ñặt 2T’s=2Ts + Tω,

ñối tượng ñiều chỉnh có hàm truyền:

34

)1'2(

1.)(2 +Φ

=pTPTKK

KRpS

sci

uo

ω (2.26)

Theo tiêu chuẩn tối ưu môñun, có thể xác ñịnh ñược hàm truyền của bộ

ñiều chỉnh tốc ñộ là khâu tỷ lệ:

'

2'2

1.)( p

su

ci KaTKR

TKKpR =

Φ=

ωω

(2.27)

Trong ñó thường lấy a2 = 4

Rω Uωñ

HCD

Mc

I

Uω

- pT

K

s

i21

/1

+

pTK

R

c

u

Φ

ωωpT

K

+1

φK

1

-Ic E

Sω

Hình 2.11: Sơ ñồ khối của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ

Hàm truyền của mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ là:

1)12('411

)()(

++=

pTpTKpU

p

ssvñ ω

ω (2.28)

Sau ñây ta kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu phụ tải ñến ñộ quá ñiều chỉnh và

ñộ chính xác tĩnh của hệ thống vừa nêu. Theo sơ ñồ khối hình 2.11 tính ñược:

[ ]]

)(

)(1[

)()()()(

pI

pI

pTK

pIR

pTK

RpIpIp

cc

cu

c

uc −Φ

−=Φ−

=∆ω (2.29)

Mặt khác: [I(p) - Ic(p)].Fo(p) = -I(p)

Do ñó: )(1)(

)()(

pF

pF

pI

pI

o

o

c +=

Trong ñó Fo(p) là hàm truyền mạch vòng của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ.

35

Khi Ic = 1(t) thì:

1)1'2('4

1'2.

.

'4

)(1

1.

.)(

+++

Φ=

+Φ−=∆

pTpT

pT

TK

RIT

pFpTK

IRp

ss

s

c

ucs

oc

cuω (2.30)

Từ biểu thức (2.11) thấy rằng ñộ sụt tốc ñộ tĩnh ∆ω = Ic.Ru/KΦ trong hệ

thống hở sẽ ñược giảm ñi Tc/4T’s lần trong hệ kín. Trên hình 2.5 mô tả quá trình

thay ñổi dòng ñiện và tốc ñộ khi có ñột biến nhiễu tải. Mạch vòng tốc ñộ này là

vô sai cấp 1 ñối với tín hiệu ñiều khiển và là hữu sai ñối với tín hiệu nhiễu.

Giá trị của sai lệch tĩnh tuỳ thuộc vào các thông số trong biểu thức (1.12):

c

c

us

tI

TK

RT

.

4

Φ−=∆

∞→ω

(2.31)

Hệ số khuyếch ñại của bộ ñiều chỉnh tốc ñộ Kp có thể thay ñổi thông qua

tham số a2 theo (2.9).

∆ω ω(t)

i(t)

t

ω,i

0

Hình 2.12: Quá trình dòng ñiện và tốc ñộ khi có nhiễu tải

Điều chỉnh tốc ñộ dùng bộ ñiều chỉnh tốc ñộ tích phân tỷ lệ PI

Trong nhiều thiết bị công nghệ thường có yêu cầu hệ thống ñiều chỉnh vô

sai cấp cao, khi này có thể sử dụng phương pháp tối ưu ñối xứng ñể tổng hợp các

bộ ñiều chỉnh. Với mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ hàm truyền của bộ ñiều chỉnh

có dạng:

pKT

pTpR

o

o+= 1)(ω (2.32)

36

Và hàm truyền mạch hở sẽ là:

)1'2(

1..

1)(

+Φ+

=pTpTKK

KR

pKT

pTpF

sci

u

o

oo

ω

(2.33)

Từ (2.15) có thể tìm ñược hàm truyền mạch kín F(p), ñồng nhất F(P) với

hàm chuẩn tối ưu ñối xứng ta tìm ñược tham số của bộ ñiều chỉnh

Nếu chọn T’s = Ts thì:

To = 8Ts

s

ci

u

s

s

ci

u TTKK

KR

T

T

TKK

KRK '4.

.'8

)'2(8.

.

2

Φ=

Φ= ωω

)

.'8

11(

'4

1.

.)(

pTTKR

TKKpR

ssu

ci +Φ

=ω

ω (2.34)

Thấy rằng thành phần tỷ lệ của bộ ñiều chỉnh (2.16) ñúng bằng hệ số

khuyếch ñại của bộ khuyếch ñại (2.5)

Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu ñối xứng thường phải

dùng thêm khâu tạo tín hiệu ñặt ñể tránh quá ñiều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu ñặt

này thường có hàm truyền ñạt của khâu lọc thông thấp bậc nhất, có hằng số thời

gian lọc tuỳ thuộc vào gia tốc cho phép của hệ thống. Tất nhiên khâu tạo tín hiệu

ñặt này phải ñặt bên ngoài mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ.

Hàm truyền mạch kín của hệ thống:

1]1)'21('4['8

'81

)(

)()(

++++

==pTpTpT

pT

pU

pUpF

sss

s

ñω

ωω

(2.35)

Căn cứ vào các biểu thức ñã nêu trên ta có thể tính ñược hàm truyền với

tín hiệu nhiễu loạn là dòng ñiện tải:

1]1)'21('4['8

'81

)(

)()(

++++

=∆∆

=pTpTpT

pT

pI

pIpF

sss

s

ci

(2.36)

37

và cũng tính ñược sai số tốc ñộ tương ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:

1]1)'21('4['8

)'21('8

.

'4

..

)]()([)(

++++

Φ−=

Φ−

=∆

pTpTpT

pTpT

TK

IRT

RpTK

pIpIp

sss

ss

c

cus

uc

cω (2.37)

Kết quả là, mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ là vô sai cấp hai ñối với tín hiệu

ñiều khiển và là vô sai cấp một ñối với tín hiệu nhiễu. Như vậy khi ñã ổn ñịnh thì

sai lệch tốc ñộ sẽ bằng không.

2.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Dựa vào sơ ñồ cấu trúc hệ thống hai vòng ñiều chỉnh như ta xây dựng mô

hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh trên nền Simulink

Khảo sát mô hình, từ ñó vẽ ñồ thị ñáp ứng dòng phần ứng và tốc ñộ của

ñộng cơ trong trường hợp mômen quán tính thay ñổi.

Hình 2.13: Mô hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh

38

Tr ường hợp mômen quán tính tải J1 =0.01(kg.m2):

39

Tr ường hợp mômen quán tính tải thay ñổi trong khoảng J1=[0:0.5]

41


Khi sử dụng các bộ ñiều khiển trong hai mạch vòng của hệ thống trong

trường hợp mômen quán tính ñộng cơ không thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ ñạt ñược

ñến tốc ñộ ñặt; hạn chế ñược dòng mở máy của ñộng cơ. Hệ thống ñiều khiển

ñộng cơ có hai vòng ñiều chỉnh có khả năng ổn ñịnh ñược tốc ñộ khi tải thay

ñổi.Do ñó ta thấy các bộ ñiều khiển ñã chọn ñáp ứng ñược yêu cầu khi thiết kế.

Trong trường hợp khi mômen quán tính ñộng cơ thay ñổi thì thời gian ñáp

ứng tốc ñộ lớn 3s.

42

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHI ỂN THÍCH NGHI

3.1. GIỚI THI ỆU CHUNG

Điều khiển thích nghi là sự tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự ñộng chỉnh

ñịnh các bộ ñiều chỉnh trong mạch ñiều khiển ñể thực hiện hay duy trì ở một

mức ñộ nhất ñịnh chất lượng của hệ khi thông số của quá trình ñiều khiển không

biết trước hoặc thay ñổi theo thời gian.

Hệ thống ñiều khiển thích nghi gồm có hai vòng: vòng hồi tiếp thông

thường và vòng hồi tiếp ñiều khiển thích nghi.

Các bộ ñiều khiển thích nghi thường là sự lựa chọn hợp lý, khi ta không có

khả năng hoặc không kinh tế, khi khảo sát một cách hoàn hảo sự thay ñổi của các

biến quá trình.

Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:

- Hệ thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS: Model Reference Adaptive

System).

- Bộ tự chỉnh ñịnh (STR: Self Tuning Regulator).

- Hệ tự học.

- Hệ tự tổ chức.

3.2. HỆ THỐNG THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH M ẪU (MRAS)

Mô hình MRAS (Hình 3.1) ñầu tiên ñược ñề nghị bởi Whitaker vào năm

1958 với hai ý tưởng mới ñược ñưa ra: trước hết sự thực hiện của hệ thống ñược

xác ñịnh bởi một mô hình, thứ hai sai số của bộ ñiều khển ñược hiệu chỉnh bởi

sai số của mô hình mẫu và hệ thống. Cấu trúc hệ thống ñiều khiển hình 3.1 gọi là

hệ MRAS song song.

43

Mô hình mẫu ñược chọn ñể tạo ra một ñáp ứng mong muốn ñối với tín

hiệu ñặt, ym, mà ngõ ra của hệ thống, y, phải bám theo. Hệ thống có một vòng

hồi tiếp thông thường bao gồm ñối tượng và bộ ñiều khiển. Sai lệch bám e là

hiệu của ngõ ra hệ thống và ngõ ra của mô hình mẫu, e =ym –y. Bộ ñiều khiển có

thông số thay ñổi dựa vào sai số này. Hệ thống có hai vòng hồi tiếp: vòng hồi

tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp ngoài hiệu chỉnh tham

số cho vòng hồi tiếp bên trong. Vòng hồi tiếp bên trong ñược giả thiết là nhanh

hơn vòng hồi tiếp bên ngoài.

Hệ thống thích nghi mô hình mẫu có thể ñược phân thành hai loại : trực

tiếp và gián tiếp. Trong bộ ñiều khiển loại trực tiếp (DMRAC:Direct Model

Adaptive Control), vec tơ tham số θ của bộ ñiều khiển C(θ) ñược cập nhật trực

tiếp bởi một luật thích nghi, ngược lại, trong bộ ñiều khiển gián tiếp (IRMAC:

Indirect Model Adaptive Control) θ ñược tính toán tại mỗi thời ñiểm t bằng cách

Hình 3.1: Sơ ñồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu

Mô hình

Cơ cấu hiệu chỉnh

Đối tượng Bộ ñiều khiển

r

ym

y

e

u

Σ

+

_

44

giải phương trình ñại số nào ñó có mối quan hệ của tham số θ với sự ước lượng

trực tuyến các tham số của hệ thống.

Hình 3.2: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu tr ực tiếp

cθ

Σ

Mô hình

Đối tượng )()( **

CPP θθ →

Bộ ñiều khiển C(θ )

Ước lượng thông số on-line của *

Cθ

r y

ym + -

r

e

45

3.3. LUẬT THÍCH NGHI

Theo Ionnaou and Sun, (1996), bộ ñiều khiển thích nghi có thể ñược xem

như là sự kết hợp của một bộ ước lượng các tham số trực tuyến (on-line) và một

luật ñiều khiển mà nó nhận ñược từ trường hợp tham số ñã ñược biết rõ. Sự kết

hợp này làm xuất hiện nhiều kiểu ước lượng tham số và luật thích nghi cho các

bộ ñiều khiển khác nhau với các tính chất khác nhau. Trong các tài li ệu nghiên

cứu về ñiều khiển thích nghi, bộ ước lượng tham số on-line thường ñược xem

như gồm luật thích nghi, luật cập nhật và cơ cấu hiệu chỉnh tham số. Việc thiết

kế luật thích nghi sẽ quyết ñịnh ñến các tính chất ổn ñịnh của bộ ñiều khiển thích

nghi. Một vài phương pháp cơ bản ñược sử dụng ñể thiết kế luật thích nghi là:

Hình 3.3: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp

cθ

ym +

-

r

r

Σ

Mô hình

y

e

Tính ))(()( tFtC θθ =

Đối tượng )( *θP

Bộ ñiều khiển

C(θ )

Ước lượng thông số on-line của *θ

46

luật MIT, hàm Lyapunov xác ñịnh dương, phương pháp gradient và phương

pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí ñánh giá hàm chi phí sai lệch bám.

3.3.1. Phương pháp ñộ nhạy (luật MIT)

Phương pháp ñộ nhạy ñược sử dụng ñể thiết kế luật thích nghi sao cho các

tham số ước lượng ñược ñiều chỉnh theo hướng tối thiếu hóa một hàm ñặc tính

nào ñó. Luật thích nghi ñược cho bởi ñạo hàm riêng của hàm ñặc tính với các

tham số ñánh giá tương ứng nhân với sai số giữa ñáp ứng mong muốn và ñáp

ứng thực tế.

θ

γθ∂∂−=

∂∂ e

et

Các thành phần của vec tơ θ∂

∂e là ñạo hàm ñộ nhạy của sai số với các tham

số chỉnh ñịnh θ . Thông số γ xác ñịnh tốc ñộ thích nghi. Luật MIT có thể ñược

giải thích như sau: giả sử các thông số θ thay ñổi chậm hơn nhiều so với các

biến các khác của hệ thống, ñể bình phương sai số là bé nhất cần thay ñổi các

tham số theo hướng gradien âm của bình phương sai số (e2).

Trở ngại của phương pháp này là luật thích nghi không thể ñược thực thi

nếu nó không thể ñược tạo ra on-line. Việc sử dụng hàm ñộ nhạy ước lượng ñể

có thể thực hiện ñược dẫn ñến các sơ ñồ ñiều khiển thích nghi mà tính ổn ñịnh

của nó rất thấp hoặc không thể thiết lập ñược.

Hình 3.4: Mô hình sai số

П S

γ

θ∂∂− e

θ

e uC-y

u П

47

Luật MIT chỉ ñược thực hiện tốt nếu ñộ lợi thích nghi γ là nhỏ. Độ lớn

của γ phụ thuộc vào biên ñộ của tín hiệu mẫu và ñộ lợi của ñối tượng. Vì vậy,

không thể có một giới hạn an toàn. Do ñó, luật MIT có thể cho một vòng kín

không an toàn. Sự thiếu ổn ñịnh của luật MIT cho nên các nhà nghiên cứu ñã tìm

ra các phương pháp khác ñể thiết kế luật thích nghi như phương pháp Lyapunov

hoặc phương pháp gradient và bình phương nhỏ nhất sai số (Ionnaou and Sun,

1996).

3.3.2. Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí

ñánh giá hàm chi phí sai số

Phương pháp Gradient và các hàm chi phí ñược sử dụng cho việc triển

khai luật thích nghi ñể ước lượng các tham số quan tâm θ trong mô hình tham số.

Phương pháp gradient bao gồm việc khai triển một phương trình sai số

ước lượng ñại số làm ñộng cơ thúc ñẩy việc lựa chọn một hàm chi phí gần ñúng

J(θ) mà nó là một hàm lồi trong toàn bộ không gian của θ(t). Sau ñó, hàm chi phí

sẽ ñược cực tiểu hóa theo tham số θ(t) bởi phương pháp gradient như sau:

)(.

θγθ J∇−=

Phương pháp bình phương bé nhất là một phương pháp khá xưa ñược phát

triển bởi Gauss ở thế kỷ 18, mà ở thời ñiểm ñó ông ta sử dụng ñể xác ñịnh quĩ

ñạo của các hành tinh. Ý tưởng cơ bản của phương pháp này là xác ñịnh một mô

hình toán học với một chuỗi các dữ liệu quan sát bằng cách cực tiểu hóa tổng

bình phương của các hiệu số giữa dữ liệu quan sát và dữ liệu tính toán. Trong

cách làm như vậy, nhiễu và sự không chính xác trong dữ liệu quan sát ñược hy

vọng là không ảnh hưởng ñến ñộ chính xác của mô hình toán học. Phương pháp

bình phương bé nhất ñược sử dụng rộng rãi trong việc ước lượng tham số trong

cả hai dạng hồi qui và không hồi qui. Phương pháp này thì ñơn giản trong việc

48

áp dụng và phân tích trong trường hơp các tham số chưa biết xuất hiện trong

dạng tuyến tính θTYz *=

3.3.3. Hàm Lyapunov

Trong phương pháp này, lý thuyết về sự ổn ñịnh của Lyapunop (tiêu chuẩn

ổn ñịnh thứ hai) có thể dùng ñể thiết kế luật thích nghi, ñảm bảo sự ổn ñịnh cho

hệ thống vòng kín. Do ñó, sơ ñồ ñiều khiển thích nghi dựa trên lý thuyết ổn ñịnh

Lyapunov không gặp những trở ngại như sơ ñồ sử dụng luật MIT.

Tiêu chuẩn ổn ñịnh thứ hai Lyapunov chỉ là ñiều kiện ñủ, không phải là

ñiều kiện cần. Nếu thỏa tiêu chuẩn thì hệ ổn ñịnh, nếu không thỏa thì vấn ñề kết

luận về tính ổn ñịnh còn bỏ ngõ, phụ thuộc vào cách chọn hàm mục tiêu xác

ñịnh dương V(x) và biến trạng thái x.

Minh họa tiêu chuẩn ổn ñịnh thứ hai Lyapunov:

Hình 3.5 (a), (b) và (c) biểu diễn các trạng thái cân bằng và những ñường

cong tiêu biểu tương ứng với hệ thống ổn ñịnh,ổn ñịnh tiệm cận và không ổn

ñịnh. Trong hình 3.5 các vùng S(δ) giới hạn cho trạng thái ban ñầu x0 và vùng

S(ε) tương ứng với giới hạn cho quĩ ñạo xuất phát tại x0.

Hình 3.5 : Các trạng thái cân bằng

a) Trạng thái cân bằng ổn ñịnh b) Trạng thái cân bằng tiệm cận c) Trạng thái cân bằng không ổn ñịnh

S(δ)

S(ε) S(ε) S(ε)

S(δ) S(δ)

x0 x0 x0

a) b) c)

49


Chương này ñã nêu lên một cách tổng quan về các phương pháp thực thi

bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) với các ñịnh nghĩa và các

tiêu chí của chúng. Sự thuận lợi hoặc khó khăn của các luật thích nghi cũng ñược

trình bày một cách ngắn gọn và cụ thể. Thông qua sự phân tích này, trong

chương kế tiếp, việc thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu sẽ ñược

dựa trên lý thuyết ổn ñịnh của Lyapunov (tiêu chuẩn ổn ñịnh thứ hai) nhằm ñạt

ñược một hệ thống ñiều khiển ổn ñịnh và có các tiêu chí về các hàm ñặc tính như

mong muốn.

50

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID THÍCH NGHI CHO

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHI ỀU CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

4.1. BỘ CHỈNH L ƯU

Chỉnh lưu thực hiện nhiệm vụ biến ñổi dòng ñiện xoay chiều thành dòng

ñiện một chiều. Sử dụng bộ chỉnh lưu PWM một pha. Với phương pháp PWM,

ñiều chỉnh tốc ñộ của mô tơ thông qua việc ñiều chế ñộ rộng của xung, tức là

thời gian "ñầy xung" ("on") của chuỗi xung vuông cấp cho mô tơ. Việc ñiều

chỉnh này sẽ tác ñộng ñến công suất trung bình cấp cho mô tơ và do ñó sẽ thay

ñổi tốc ñộ của mô tơ cần ñiều khiển.

Như trên hình, với dãy xung ñiều khiển trên cùng, xung ON có ñộ

rộng nhỏ nên ñộng cơ chạy chậm. Nếu ñộ rộng xung ON càng lớn (như dãy

xung thứ 2 và thứ 3) ñộng cơ DC chạy càng nhanh

Ta có thể thay thế khối PWM bằng một khâu khuyếch ñại với hệ số

khuyếch ñại bằng ñiện áp ñặt vào phần ứng của ñộng cơ.

Hàm truyền ñạt của khâu chỉnh lưu cầu 3 pha:

51

1)(

+=

pT

KpW

cl

clcl (4.1)

Trong ñó:

=clK 2210

220

10==udmU

: là hệ số khuyếch ñại của khâu chỉnh lưu.

0017,0=clT

4.2. ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ

Sử dụng máy phát tốc một chiều FT. Để ñảm bảo yêu cầu là ñiện áp một

chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỷ lệ với tốc ñộ ñộng cơ,

không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến ñổi ñại lượng ño, ta sử dụng máy

phát tốc một chiều có từ thông không ñổi trong toàn vùng ñiều chỉnh tốc ñộ. Vì

vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp và

sử dụng là thép kỹ thuật ñiện mỏng (hạn chế tổn thất dòng ñiện xoáy). Để loại bỏ

sóng ñiều hoà tần số cao sử dụng bộ lọc lắp ở ñầu ra máy phát tốc.

Hàm truyền ñạt của máy phát tốc:

(4.2)

Trong ñó:

0477,010

4395,209

10== dm

ft

WK :là hệ số khuyếch ñại của máy phát tốc.

004,0=ftT là hằng số thời gian của máy phát tốc.

4.3. BIẾN DÒNG

Tính chất của bộ biến dòng là thay ñổi giá trị của dòng ñiện vì thế bộ biến

dòng có chứa phần khuếch ñại. Lõi thép của bộ biến dòng phi tuyến mạnh nên hệ

1)(

+=

pT

KsW

ft

ftft

52

có thời gian trễ tương ñương như bộ chỉnh lưu ta cũng có hàm truyền của biến

dòng.

Hàm truyền ñạt của cảm biến dòng ñiện:

1)(

+=

pT

Ks

bd

bdbd (4.3)

Trong ñó:

5.020

1010 ===udm

bd IK là hệ số khuyếch ñại của cảm biến dòng.

001,0=bdT là hằng số thời gian của cảm biến dòng.

4.4. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN

Khi bỏ qua sức ñiện ñộng cảm ứng của ñộng cơ.Hàm truyền ñạt ĐMñl:

1.

1

)(+

=pT

Rp

u

uĐMñl (4.4)

uA

eA _

kMΦ mM

mT

_ ω iA

kMΦ

sT

k

r

r

+1 RI

sT

R

A

A

+1

/1

i* A

sT

k

i

i

+1

_ Js

1

Hình 4.1:Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl

53

Hàm truyền ñạt của ñối tượng bộ ñiều chỉnh dòng ñiện là Soi có cấu trúc

như sau:

)1)(1)(1()1)(1)(1(

/.)(

,,

,

+++=

+++=

pTpTpT

K

pTpTpT

RKKpS

bdclubdclu

uclbdoi

)1.001,0)(1.0017,0)(1019,0(

2636,4

)1.001,0)(1.0017,0)(1.019,0(

58,2/5,0.22)(

+++=

+++=

pppppppSoi

Ở hàm truyền trên, các hằng số thời gian Tcl và Tbd là rất nhỏ so với hằng

số thời gian Tư. Hàm truyền ñối tượng Soi(s) trở thành khâu quán tính bậc 2.

)1)(1()(

, ++=

Σ pTpT

KpS

ddu

oi (4.5)

T∑dd = Tcl+Tbd = 0,0027

)1.0027,0)(1019,0(

2636,4)(

++=

pppSoi

Áp dụng phương pháp tối ưu modul cho ñối tượng là khâu quán tính bậc

2, ta có bộ ñiều khiển sẽ là khâu tỷ lệ - tích phân (PI):

)1

1()(pT

KpRI

pI +=

Với ;019,0, ==uI TT

0248,22

==Σdd

Ip KT

TK

Vậy hàm truyền của bộ ñiều khiển mạch vòng dòng ñiện sẽ là:

)019,0

11(0248,2)

11()(

ppTKpR

IpI +=+=

54

12

1.

1

122

1.

1

1)1(2

11)(

22

+≈

++=

++=

∑

∑∑∑∑

PTK

PTpTKPTPTKPG

ddbd

ddddbdddddbdI

4.5. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ

Sơ ñồ cấu trúc của mạch vòng như sau:

Để ñơn giản ta tổng hợp mạch vòng tốc ñộ khi ñã tổng hợp ñược mạch

vòng dòng ñiện nghĩa là sử dụng các kết quả và các giả thiết trước (tức là E = 0).

Ta có mô hình ñối tượng có mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ với bộ ñiều chỉnh tốc

ñộ ωR như hình:

uU

− ωR

ñkU *ωU

ωU

ω ĐMñl1

Phát tốc

Chỉnh lưu IR ĐMñl2

uI *iuU

Cảm biến dòng

− iuU

ωωωω R J.p 1

−

ω

ω U −

*ωU

122(

122 ++ ΣΣ pTpTK ddddlbd

ñmKΦ

cM

1+pT

K

ft

ft

Hình 4.2: Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl

Hình 4.3: Cấu trúc thu gọn mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ có mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ĐMñl

55

Từ ñó ta cũng có hàm truyền ñạt của ñối tượng bộ ñiều chỉnh tốc ñộ là Sow:

)1)(122(

)./()..()(

22 +++Φ

=ΣΣ pTpTpTp

JKKKpS

ftdddd

ddftñmoω (4.6)

Để thuận tiện cho việc tính toán ta có thể tính gần ñúng hàm truyền của

ñối tượng bộ ñiều chỉnh. Lúc ñó là:

)1)(12(

)./()..()(

++Φ

=Σ pTpTp

JKKKpS

ftdd

ddftñmoω

Trong ñó hằng số thời gian T∑dd = 0,0027 và Tft = 0,004 là rất nhỏ nên có

thể ñặt 0067,02 =+= ΣΣ ftddtñ TTT . Lúc này ta có thể xấp xỉ hàm truyền:

)1()1(

1.

.

..)(

+=

+Φ

=ΣΣ pTp

b

pTpJK

KKpS

tñtñbd

ftñmow (4.7)

Sow(p) = )10067,0( +pp

b

JK

KKb

bd

ftñm

.

..Φ=

Áp dụng nguyên tắc tối ưu ñối xứng, chọn bộ ñiều khiển PI có dạng:

)1

1()(pT

KpRI

p +=ω

Do tham số J biến ñổi nên tham số b cũng biến ñổi. Do ñó bộ ñiều khiển

kinh ñiển không thể tự cập nhật theo thông số b của quá trình ñược. Vấn ñề ñặt

ra là thiết kế một bộ ñiều khiển sao cho nó có thể thích nghi với quá trình khi

thông số b thay ñổi theo thời gian trong một khoảng tương ñối rộng. Bộ ñiều

khiển thích nghi mô hình tham chiếu (MRAS) có thể giải quyết bài toán này.

56

4.6. GIẢI THU ẬT

Hàm truyền ñạt của vòng hở:

G(s) = )(

)(

sW

sW

T

)10067,0( +ss

b (4.8)

(0,0067s2+s)W(s) = bU(s)

(0,0067p2 + p)W = bU (4.9)

Luật ñiều khiển:

Chọn Kp là tham số ñiều khiển

U = Kp(Wdm – W) (4.10)

Thay (4.3) vào (4.2) ta ñược:

(0,0067p2 + p)W = bKp(Wdm – W)

(0,0067p2 + p + bKp )W = bKpWdm (4.11)

W = dmWbKppp

bKp

)0067,0( 2 ++ (4.12)

Sai số hệ thống vòng kín:

e = W – Wm (4.13)

Wm ngõ ra tốc ñộ của hàm truyền mẫu

Từ phương trình (4.5) suy ra ñộ nhạy của sai số theo tỉ lệ Kp:

22

22

)0067,0(

)0067,0(

bKppp

KpbbKpppb

Kp

W

Kp

e

++−++=

∂∂=

∂∂ Wdm

22

2

)0067,0(

)0067,0(

bKppp

ppb

Kp

e

+++=

∂∂ Wdm (4.14)

Do ñó theo luật MIT , luật cập nhật hệ số tỉ lệ Kp có dạng:

])0067,0(

)0067,0()[(

22

2''

bKppp

ppbWW

k

ee

dt

dKpm ++

+−−=∂∂−= γγ Wdm (4.15)

57

Phương trình (4.8) không thể sử dụng trực tiếp ñể cập nhật hệ số tỉ lệ Kp

của bộ ñiều khiển ñược do thông số b của quá trình là không biết ñược. Do ñó

phải sử dụng phép xấp xỉ ñể loại bỏ ñi thông số chưa biết này.

Hàm truyền ñạt mong muốn của hệ thống vòng kín:

Gm(s) = 200067,0

20

)(

)(2 ++

=ppsW

sW

dm

m

)(20)()200067,0( 2 sWsWpp dmm =++ (4.16)

)200067,0(

202 ++

=pp

WW dm

m (4.17)

Khi hàm truyền ñạt của hệ thống ñạt tới hàm truyền ñạt mong muốn thì

phương trình (4.4) sẽ ñạt tới phương trình mong muốn (4.9):

(0,0067p2 + p + bKp )W = bKpWdm trùng ( 0,0067p2 + p + 20)Wm = 20Wdm

Hay bKp = 20. Do ñó phương trình (4.8) có thể xấp xỉ:

])200067,0(

)0067,0()[(

22

2''

+++−−=

∂∂−=

pp

ppbWW

k

ee

dt

dKpmγγ dmW (4.18)

Hơn nữa, ñặt b'γγ = , một lần nữa phương trình (4.11) có thể xấp xỉ:

])200067,0(

)0067,0()[(

22

2

+++−−=

pp

ppWW

dt

dKpmγ dmW (4.19)

Phương trình (4.12) ñã lọai bỏ thông số b qua 2 lần xấp xỉ do ñó có thể sử

dụng ñể cập nhật hệ số tỉ lệ Kp của bộ ñiều khiển.

Với 2 phép xấp xỉ này thì hàm truyền ñạt vòng kín của hệ thống chỉ có thể

hội tụ về hàm truyền ñạt vòng kín mong muốn khi thông số γ ñược chọn ñủ nhỏ,

phép xấp xỉ b'γγ −= ñã gộp thông số b thay ñổi theo thời gian vào γ , hay nói

cách khác γ cũng trở thành thay ñổi theo thời gian.

58

γ tượng trưng cho tốc ñộ hội tụ về hàm truyền ñạt vòng kín mong muốn của

hệ thống ( tốc ñộ thích nghi ). Do ñó nếu γ nhỏ khi thông số b nhỏ hệ thống sẽ

hội tụ chậm. Nếu γ lớn khi thông số b lớn, tính ổn ñịnh của hệ thống sẽ không

ñược ñảm bảo và hệ thống sẽ không ñiều khiển ñược. Như vậy , bộ ñiều khiển

chỉ có thể thích nghi khi thông số b của quá trình thay ñổi trong một giới hạn cho

phép.

Phép xấp xỉ bKp = 20 không ảnh hưởng ñáng kể ñến chất lượn ñiều khiển

vì một khi hệ thống vòng kín tiến ñến hàm truyền ñạt mong muốn thì phép xấp

xỉ này cũng tiến ñến một phép toán chính xác.

Tóm lại, tính ổn ñịnh của hệ thống phụ thuộc nhiều vào thông số b của quá

trình. Việc lựa chọn thông số 'γ của bộ ñiều khiển thích nghi phải căn cứ vào tầm

thay ñổi của thông số b khi hệ thống hoạt ñộng.

4.7. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG

59

Khối ñộng cơ:

Khối thích nghi:

Khối luật ñiều khiển:

60


Nội dung chương này ứng dụng bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu với

luật thích nghi MIT ñã thiết kế ñược bộ ñiều khiển PID thích nghi cho ñộng cơ ñiện

một chiều trong trường hợp mômen quán tính của ñộng cơ thay ñổi.

61

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHI ỂN THÍCH NGHI

Tầm thay ñổi của mômen quán tính tải J1 là [0 ÷ 0.5] , tốc ñộ ñặt W = 209

rad/s.

63

5.2. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHI ỂN THÍCH NGHI

TRONG TRƯỜNG HỢP MÔMEN QUÁN TÍNH T ẢI J1 = 0.01kg.m2

64

5.3.SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHI ỂN THÍCH NGHI

TRONG TRƯỜNG HỢP MÔMEN QUÁN TÍNH T ẢI J1 = 0.05kg.m2

5.4. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHI ỂN THÍCH NGHI

TRONG TRƯỜNG HỢP MÔMEN QUÁN TÍNH T ẢI J1= [0:0.5] kg.m2

65

5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHI ỂN PID KHI T ỐC ĐỘ CỦA

ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI

5.6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHI ỂN THÍCH NGHI KHI T ỐC

ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI

66


Với kết quả mô phỏng ở trên ta nhận thấy rằng với bộ ñiều khiển thich

nghi như ñã thiết kế thì chất lượng của hệ thống luôn luôn ñược ñảm bảo khi

mômen quán tính của ñộng cơ thay ñổi.

Kết quả mô phỏng thu ñược hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu

lý thuyết, ñiều này chứng tỏ rằng thuật toán và cách thức xây dựng bộ ñiều khiển

thích nghi là ñúng ñắn và chính xác.

Sai lệch tĩnh, ñộ quá ñiều chỉnh, thời gian quá ñộ, số lần dao ñộng của hệ

truyền ñộng ñều tốt, nhất là ñộ quá ñiều chỉnh và thời gian quá ñộ nhỏ.

Kết quả mô phỏng một lần nữa ñã minh chứng và khẳng ñịnh rằng việc áp

dụng bộ ñiều khiển thích nghi hoàn toàn có thể ñảm ứng ñược yêu cầu chất

lượng ñiều khiển của hệ truyền ñộng.

67

KẾT LU ẬN VÀ KI ẾN NGHỊ

1. Những ñóng góp của luận văn

Mục tiêu của các hệ thống ñiều khiển là ngày càng nâng cao chất lượng các

hệ thống ñiều khiển tự ñộng. Trên thực tế có rất nhiều ñối tượng cần ñiều khiển,

các ñối tượng này thông thường không có ñủ các tham số cần thiết, chính vì vậy

nên việc thiết kế các bộ ñiều khiển dựa trên lý thuyết ñiều khiển kinh ñiển gặp

rất nhiều khó khăn. Chính vì các lý do này ñòi hỏi chúng ta phải ứng dụng các

lý thuyết ñiều khiển hiện ñại vào trong thực tế. Luận văn chú trọng một mảng

nghiên cứu xây dựng hệ ñiều khiển cho hệ truyền ñộng cụ thể là Động cơ ñiện

một chiều dựa trên nền tảng các lý thuyết ñiều khiển cao cấp.

Với kết quả thu ñược từ mô phỏng, ñã ñóng góp ñược các vấn ñề sau:

+ Đã xây dựng ñược bộ ñiều khiển thích nghi cho Động cơ ñiện một chiều khi

mômen quán tính của ñộng cơ thay ñổi.

+ Với bộ ñiều khiển mà luận văn ñã xây dựng, các thông số về chất lượng

ñiều chỉnh như sai lệch tĩnh, ñộ quá ñiều chỉnh, thời gian quá ñộ , số lần dao

ñộng của hệ truyền ñộng ñều tốt, nhất là ñộ quá ñiều chỉnh và thời gian quá ñộ

rất nhỏ. Như vậy bộ ñiều khiển ñã nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn ñáp ứng

ñược các yêu cầu về chất lượng ñiều khiển cho hệ truyền ñộng và có khả năng

ứng dụng vào thực tế ñiều khiển.

- Như vậy, quá trình thực hiện luận văn này, tác giả ñã giải quyết trọn vẹn

ñược vấn ñề ñã ñặt ra. Tuy nhiên với thời gian nghiên cứu hạn chế và do phạm vi

giới hạn của vấn ñề ñã ñặt ra, luận văn chưa ñề cập ñến việc nhận dạng các thông

số của ñộng cơ mà chỉ chọn một ñộng cơ khác có thông số tượng, và ñây chính

là vấn ñề tác giả dự ñịnh sẽ tiếp tục phát triển nghiên cứu trong thời gian ñến.

68

2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

- Thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện bất kỳ.

69

DANH M ỤC TÀI LI ỆU THAM KH ẢO

[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị (2008),

Điều chỉnh tự ñộng truyền ñộng ñiện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, tr.15-38.

[2] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết ñiều khiển nâng cao, In lần thứ hai - có sửa

ñổi và bổ sung, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội tr.26-56.

[3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2001), Nhận dạng hệ thống ñiều khiển,

Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr.12-46.

[4] Nguyễn Đình Thúc (2000), Trí Tuệ Nhân Tạo - Mạng Nơron - Phương pháp và

ứng dụng, Nhà xuất bản giáo dục, tr.16-38.

[5] Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab &Simulink, Nhà xuất bản khoa học và kỹ

thuật, Hà Nội, tr.6-65.

[6] PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà (2005), Điều khiển thích nghi, Giáo trình dành

cho học viên cao học, ĐH Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, tr.12-28.

[7] Phạm Hữu Đức Dục, Nguyễn Công Hiền, (2005), Nghiên cứu ứng dụng mạng

nơron trong ñiều khiển thích nghi hệ thống có thông số biến thiên, Luận án tiến sĩ kỹ

thuật, tr.12-48.

[8] Phạm Hữu Đức Dục (2009), Mạng nơron và ứng dụng trong ñiều khiển tự ñộng,

Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr.8-28.

[9] Phan Văn Hiền (2005), Nghiên cứu ñiều khiển vị trí hệ phi tuyến ứng dụng mạng

nơron, Báo cáo tổng kết ñề tài Khoa học và Công nghệ cấp Bộ, Mã số B2005.15.53,

tr.16-38.

[10] M.Norgaard.O.Ravn.NK. Poulsen and I.K.Hansen (2000), Neural Network for

Modelling and Control of Dynamic System, Master thesis in Electrical Engineering,

National Central University, pp.12-49.

70

PHỤ LỤC

%Thong so dong co

Pdm=3750; %Cong suat dinh muc (w)

Uudm=220; %Dien ap dinh muc (V)

ndm=2000; % Toc do dinh muc [v/p]

Ru=2.58; % Dien tro phan ung cua dong co [?]

Lu=0.049; % Dien khang phan ung cua dong

co[H]

J0=0.0185; % Mo men quan tinh[kg.m2]

J1=0; % Mo men quan tinh tai

J=J1+J0;

kM = 0.17; % He so cau tao cua dong co

kE = (2*pi*kM)/60; % He so suc dien dong cua dong co

Tu=Lu/Ru % Hang so thoi gian mach phan u ng

wdm=ndm*2*pi/60 % Toc do goc [rad/s]

Mdm=Pdm/wdm; % Mo men dinh muc [Nm]

Iudm=20; % Dong dien phan ung dinh muc [ A]

Eudm=Uudm-Ru*Iudm; % Suc dien dong dinh muc [V]

Kfidm=Mdm/Iudm; %Tu thong dinh muc [Wb]

Tu=Lu/Ru; % Hang so thoi gian mach phan u ng

% Thong so cua bo chinh luu

%-------------------------------------------------- ---

Uf=220;

Urcm=10;

Kcl=Uudm/Urcm; % He so khuech dai cua bo chinh luu

71

Tcl=0.0001 % Hang so thoi gian mach chinh l uu

% Thong so cua bo phat toc

%-------------------------------------------------- ---

--

Kft=10/wdm % He so khuyech dai bo phat toc

Tft=0.004; % Hang so thoi gian bo phat toc

%Thong so bo bien dong

Kbd=10/Iudm;

Tbd=0.001;

%Bo qua anh huong cua SDD cam ung

Ko=Kcl*Kbd/Ru

Tsi=Tcl+Tbd;

%Thong so bo dieu khien PI vong dong dien (Toi uu

modul)

Tii=Tu;

Kpi=Tu/(2*Ko*Tsi)

%-----------------

Ks=(Kfidm*Kft)/Kbd;

Tsw=2*Tsi+Tft;

%Thong so bo dieu khien PI vong toc do (Toi uu doi

xung)

a=9;

Tiw=a*Tsw

Kpw=J/(Ks*Tsw*sqrt(a))

72

clc; clear;

thongso_ok; % Chay m File

%% ------------------------------------------------ ---

sim('haivongkin');

figure(1); % dung figire 1

hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure

grid on;

plot(tout,simout2(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve

xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);

title('Toc do PID','Fontsize',13)

hold off;

%% ------------------------------------------------ ---

sim('haivongkin');



grid on;

plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve


title('Dong dien phan ung PID','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- --

73

sim('haivongkin');



grid on;



title('Sai lech toc do PID' ,'Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- -

sim('thichnghi2');



grid on;



title('Toc do Thich nghi','Fontsize',13);

hold off;

% ------------------------------------------------- --

sim('thichnghi2');


74


grid on;



title('Dong dien phan ung thich nghi','Fontsize',13 );

hold off;

% ------------------------------------------------- --

sim('thichnghi2');



grid on;



title('Sai lech toc do thich nghi','Fontsize',13);

hold off;

% ------------------------------------------------- -

sim('Sosanh_PID_thichnghi');



grid on;


plot(tout,simout(:,2),'--','LineWidth',1.5); % ve

75

legend('Thichnghi','PID') % Chu thich duong ve


title('So sanh bo dieu khien PID voi thich

nghi','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- --

sim('Sosanh_PID_thichnghi1');



grid on;





title('So sanh bo dieu khien PID voi thich nghi

J1=0.01','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- --




grid on;




76



J1=0.05','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- -




grid on;






J1=0.1','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- -




grid on;





77


J1=0.5','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- --

sim('haivongkin1');



grid on;



title('Toc do PID','Fontsize',13)

hold off;

%% ------------------------------------------------ --

sim('haivongkin1');



grid on;



title('Dong dien phan ung PID','Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- --

sim('haivongkin1');

78



grid on;



title('Sai lech toc do PID' ,'Fontsize',13)

hold off;

% ------------------------------------------------- -

thiết kế bộ Điều khiển pid thích nghi

Documents