Upload
duonglien
View
244
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
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
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
NGUYỄN THỊ MỸ DUNG
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
5.3. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
TRONG TRƯỜNG HỢPMÔ MEN QUÁN TÍNH TẢI J1= 0.05 kg.m2.............64
5.4. SO SÁNH BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
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
2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 23
2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 24
2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 24
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:
Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3
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 ∞→∞ = :
Bảng 2.6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4
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 =
Trường hợp ñối tượng ñiều khiển có dạng:
)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
+=
Trường hợp ñối tượng ñiều khiển có dạng:
)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]
40
41
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
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
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
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
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
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.
62
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
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
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');
figure(2); % dung figire 2
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('Dong dien phan ung PID','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- --
73
sim('haivongkin');
figure(3); % dung figire 3
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout3(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('Sai lech toc do PID' ,'Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- -
sim('thichnghi2');
figure(4); % dung figire 4
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 Thich nghi','Fontsize',13);
hold off;
% ------------------------------------------------- --
sim('thichnghi2');
figure(5); % dung figire 5
74
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('Dong dien phan ung thich nghi','Fontsize',13 );
hold off;
% ------------------------------------------------- --
sim('thichnghi2');
figure(6); % dung figire 6
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout3(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('Sai lech toc do thich nghi','Fontsize',13);
hold off;
% ------------------------------------------------- -
sim('Sosanh_PID_thichnghi');
figure(7); % dung figire 7
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
plot(tout,simout(:,2),'--','LineWidth',1.5); % ve
75
legend('Thichnghi','PID') % Chu thich duong ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('So sanh bo dieu khien PID voi thich
nghi','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- --
sim('Sosanh_PID_thichnghi1');
figure(8); % dung figire 8
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
plot(tout,simout(:,2),'--','LineWidth',1.5); % ve
legend('Thichnghi','PID') % Chu thich duong ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('So sanh bo dieu khien PID voi thich nghi
J1=0.01','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- --
sim('Sosanh_PID_thichnghi2');
figure(9); % dung figire 9
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
plot(tout,simout(:,2),'--','LineWidth',1.5); % ve
legend('Thichnghi','PID') % Chu thich duong ve
76
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('So sanh bo dieu khien PID voi thich nghi
J1=0.05','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- -
sim('Sosanh_PID_thichnghi3');
figure(10); % dung figire 10
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
plot(tout,simout(:,2),'--','LineWidth',1.5); % ve
legend('Thichnghi','PID') % Chu thich duong ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('So sanh bo dieu khien PID voi thich nghi
J1=0.1','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- -
sim('Sosanh_PID_thichnghi4');
figure(10); % dung figire 10
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
plot(tout,simout(:,2),'--','LineWidth',1.5); % ve
legend('Thichnghi','PID') % Chu thich duong ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
77
title('So sanh bo dieu khien PID voi thich nghi
J1=0.5','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- --
sim('haivongkin1');
figure(12); % dung figire 12
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('haivongkin1');
figure(13); % dung figire 13
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('Dong dien phan ung PID','Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- --
sim('haivongkin1');
78
figure(14); % dung figire 14
hold on; % ve nhieu hinh len 1 figure
grid on;
plot(tout,simout3(:,1),'-','LineWidth',1.5); % ve
xlabel('Thoi gian [s]','Fontsize', 13);
title('Sai lech toc do PID' ,'Fontsize',13)
hold off;
% ------------------------------------------------- -