LI NểI U
Sự bùng nổ và phát triển của khoa học kĩ thuật. đã đem đến nhiều kết
quả to lớn cho nền sản xuất ,Nhất là vai trò của ngành tự động hoá
.Ngành tự động hoá ra đời và phát triển đã giúp nhân loại giảm đợc giá
thành thiết bị và tăng năng suất lao động lên nhiều lần .
Điều chỉnh tự động truyền động điện là một mảng quan trọng của tự
động hoá,Trong điều chỉnh tự động điện vấn đề đợc quan tam cơ bản là
điều chỉnh dòng điện và tốc độ của máy điện (động cơ một chiều ,động cơ
xoay chiều ,động cơ dị bộ,.v.v.)
Sau đây em xin trình bày về vấn đề điều chỉnh dòng điện phần ứng
của hệ truyền động thyristor-động cơ điện một chiều theo hai tiêu chuẩn
mô đun tối u và mô đun tối u đối xứng.

Trang :1

CHƯƠNG I :KHáI QUáT CHUNG
Để có thể hiểu sâu hơn về hệ thống động cơ điện một chiều ta phải đi sâu
nghiên cứu về cấu tạo cũng nh các chế độ làm việc của động cơ điện một chiều
hay các đặc tính cơ và ứng dụng cụ thể của nó trong hệ thống máy phát động
cơ của máy bào giờng.
Điều đó phải đợc thực hiện thông qua mô hình toán học và đợc viết và mô
phỏng trên phần mềm ứng dụng matlab, bây giờ ta đi nghiên cứu và tìm hiểu
sâu về hệ thống động cơ này.
1.1.Giản đồ kết cấu của động cơ điện một chiều :
Phần ứng đợc biểu diển bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần
stato có thể có vài dây quấn kích từ : dây quấn kích từ độc lập ckđ, dây quấn
kích từ nối tiếp ckn, dây quấn cực từ phụ cf và dây quấn bù cb. hệ thống các
phơng trình mô tả động cơ một chiều là phi tuyến, trong đó các đại lợng đầu
vào (tín hiệu điều khiển) thờng là điện áp phần ứng u, điện áp kích thích u
k
, tín

:
u
r
điện trở cuộn dây phần ứng

:
cf
r
điện trở cực từ phụ

:
b
r
điện trỏ cuộn bù

:
ct
r
điện trở tiếp xúc chổi điện




a
Np
KE
u
2
.


=
+>Phơng trình đặc tính cơ điện :

u
fu
u
I
K
RR
K
U


+
=
+>Phơng trình đặc tính cơ :

M
K
RR
K
U
fu
u
2
)(



+

> u
u
, động cơ làm việc nh một máy phát điện song
song với lới. so với chế độ động cơ, dòng điện và mô men hãm đổi chiều và đ-
ợc xác định theo biểu thức :

0
0
<

=

=
R
KK
R
EU
I
uu
h


0
<=
hh
IKM

trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mô men phụ tải của cơ cấu sản
xuất thì hệ thống làm việc với tốc độ
0

1.2.2 Trạng thái hãm ngợc :
Trạng thái hãm ngợc của động cơ xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của
động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mo men thế năng
quay ngợc chiều với mo men điện từ của động cơ. mô men sinh ra bởi động cơ,
khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
có hai trờng hợp hãm ngợc :
+) trờng hợp 1 : đa điện trở phụ vào mạch phần ứng.
giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. ta đa
một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc
ở điểm b trên dặc tính biến trở.
Tải điểm b do mômen của động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động cơ
giảm tốc độ nhng tải vẫn theo chiều nâng lên. đến điểm c, tốc độ bằng 0 nhng
vì mômen của động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dới tác động của tải trọng,
động cơ quay theo chiều ngợc lại. tải trọng đợc hạ xuống với tốc độ tăng dần.
đến điểm d mômen của động cơ cân bằng với mômen cản nên hệ ổn định với
tốc độ hạ không đổi
ođ
, cd là đoạn đặc tính hãm ngợc, khi hãm ngợc vì tốc độ
đổi chiều, sức điện động đổi dấu nên:

fufu
uu
h
RR
KU
RR
EU
I
.


hơn mômen cản m
c
thì động cơ sẽ quay ngợc lại và làm việc ổn định tại điểm
d.đoạn bc là đặc tính hãm ngợc và dòng điện hãm ngợc đợc tính :

fu
uu
fu
uu
h
RR
EU
RR
EU
I
+
+
=
+

=

hh
IKM

=

Dòng điện i
h
có chiều ngợc với chiều làm việc ban đầu và dòng điện hãm này

thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dới dạng nhiệt.
- Hãm động năng kích từ độc lập :
khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập ta cắt
phần ứng động cơ khỏi lới điện một chiều, và đống vào một điện trở hãm, còn
mạch kích từ vẫn nối với nguồn nh cũ.
Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị
hđ
nên :

hdhd
KE

=
và dòng điện hãm ban đầu :

fu
hd
fu
hd
hd
RR
K
RR
E
I
+

=
+


RR
fu
2
)(


+
=

Trang :7

đây là các phơng trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi hãm động năng
kích từ độc lập.
Khi = cosnt thì độ tính của đặc tính cơ hãm phụ thuộc r
h
, khi r
h
càng nhỏ
thì phụ thuộc đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh
Tuy nhiên cần chọn r
h
sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho
phép : i
hđ


(2ữ2,5)i
đm
Trên đồ thị hãm đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng với mômen cản m
c


2
).(.
hhuhu
IRRIE
+=
- Hãm động năng tự kích :
nhợc điểm của hãm động năng kích từ độc lập là nếu mất điện lới thì
không thực hiện hãm đợc do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn . muốn
khắc phục đợc nhợc điểm này ngời ta thờng sử dụng phơng pháp hãm động
năng tự kích từ.
hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng
lẫn cả cuộn kích từ khỏi lới điện đẻ đóng vào một điện trở hãm, chú ý chiều
dòng điện kích từ vẫn phải giữ không đổi .
ta có : i
u
= i
h
+i
kt

hkt
hkt
u
hkt
hkt
u
u
RR
RR

RR
R
.
.


+
+
=
và :

M
K
RR
RR
R
hkt
hkt
u
u
.
)(
.
2


+
+
=
trong quá trình hãm tốc độ giảm dần và do đó từ thông giảm dần và là

dòng điện chỉnh lu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. chế độ làm
việc của chỉnh lu phụ thuộc vào phơng thức điều khiển và các tính chất
của tải. trong truyền động điện, tải của chỉnh lu thờng là cuộn kích từ (l-r)
hoặc mạch phần ứng động cơ (l-r-e).
Phơng trình đặc tính cơ cho hệ t-đ ở chế độ dòng điện chỉnh lu liên tục:
M
)k(
R
k
cosE
2
dm
dm
do




=
độ cứng của đặc tính cơ là
2
dm
R
k








Trang :10

hình 1.2 đặc tính cơ hệ t-đ.

M
0
điện gián đoạn. góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng
dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó
khăn hơn.
Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng
điện gián đoạn, là đờng phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và
gián đoạn. biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đ-
ờng ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ:
1)
p
cos
p
sinU
IL
()
p
sin
p
U
E
(
2
m2
e


Chương 2: TỔNG QUAN VỀ
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
2.1 CHẤT LƯỢNG TỐI ƯU
2.1.1 Đặc điểm của bài toán tối ưu
1. Khái niệm
Một hệ điều khiển được thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn ở
trạng
thái tối ưu theo một tiêu chuẩn chất lượng nào đó ( đạt được giá trị cực
trị ) .
Trạng thái tối ưu có đạt được hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất
lượng
đặt ra , vào sự hiểu biết về đối tượng và các tác động lên đối tượng , vào

Trang :12

điều kiện làm việc của hệ điều khiển …
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển .
Hệ thống điều khiển như hình trên bao gồm các phần tử chủ yếu : đối
tượng
điều khiển ( ĐTĐK ) , cơ cấu điều khiển ( CCĐK ) và vòng hồi tiếp
( K ) .
Với các ký hiệu :
x0 : tín hiệu đầu vào
u : tín hiệu điều khiển
x : tín hiệu đầu ra
ε = x
0
– x : tín hiệu sai lệch
f : tín hiệu nhiễu

1
∗
c
ủa chỉ tiêu chất lượng J ứng với tín hiệu điều khiển u
1
∗
.
Khi tín hiệu điều khiển u không bị ràng buộc bởi điều kiện ,
ta có được giá trị tối ưu úng với như vậy giá trị tối ưu thực sự
bây giờ là .
Tổng qoát hơn , khi ta xét bài toán trong một miền [ nào đó và tìm
được giá trị tối ưu thì đó là giá trị tối ưu cục bộ.Nhưng khi bài toán
không có điều kiện ràng buộc đối với u thì giá trị tối ưu là
với là các giá trị tối ưu cục bộ . giá trị chính là
giá trị tối ưu toàn cục.
Điều kiện tồn tại cực trị :
* Đào hàm bậc một của J theo u phải bằng 0.
* Xét giá trị đạo hàm bậc hai của J theo u tại điểm cực trị.
: điểm cực trị là cực tiểu.
: điểm cực trị là cực đại.
2. Điều kiện thành lập bài toán tối ưu
Để thành lập bài toán tối ưu thì yêu cầu đầu tiên là hệ thống phải có đặc
tính
phi tuyến có cực trị .
Bước quan trọng trong việc thành lập một hệ tối ưu là xác định chỉ tiêu
chất
lượng J . Nhiệm vụ cơ bản ở đây là bảo đảm cực trị của chỉ tiêu chất
lượng
J . Ví dụ như khi xây dựng hệ tối ưu tác động nhanh thì yêu cầu đối với
hệ

Nguyên lý này giới hạn xem xét trên một số các chỉ tiêu tối ưu . Nó chỉ ra
rằng phương án tối ưu phải được xác định từ trạng thái cuối đi ngược về
trước đó .
Điều kiện áp dụng : nguyên lý tối ưu là một phương pháp số , chỉ áp dụng
được khi hệ thống có phân cấp điều khiển và ta biết trước sơ đồ mắt lưới
được xây dựng bằng thực nghiệm .
3. Phương pháp điều khiển số
Trong trường hợp hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian với chỉ tiêu
chất lượng dạng toàn phương :
Sử dụng h m xà ấp xỉ bậc nhất để rời rạc hoá hệ thống trở th nh :à
Trong ó :đ

Trang :15

Tuy nhiên trong trường hợp này ta có thể làm tốt hơn xầp xỉ Euler (1.73)
bằng cách sử dụng chính xác phương trình trạng thái (1.71) bao gồm bộ
lấy
mẫu và khâu giữ bậc 1.
Trong đó:
Khi đó hệ thống này đã được rời rạc hoá , phương pháp quy hoạch động
có
thể được áp dụng để tính như trong phần rời rạc . Điều khiển số áp
dụng
trong thực tế được thể hiện như sau :
u(t)=
k�
Để sử dụng phương pháp quy hoạch động , biến trạng thái và giá trị điều
khiển trước hết phải được lượng tử hoá , được giới hạn theo một số tập
giá
trị có thể chấp nhận . Mức độ lượng tử càng tốt thì tín hiệu số càng chính

tốt ( có nghĩa là giá trị càng xa về phía bên trái trên trục tọa độ
thực : là giá trị nhỏ nhất ) . Nếu không có sự ràng buộc
nào trên u(t) , thì điều này sẽ cho ra những giá trị vô hạn ( dương
hoặc âm ) của những biến điều khiển . Với kết quả này , bài toán
tối ưu đặt ra phải có những điều kiện ràng buộc đối với tín hiệu
điều khiển .
Theo nguyên lý cực tiểu Pontryagin (1.87) , hàm điều khiển tối ưu
phải thỏa mãn :
>
đối với tất cả giá trị u(t) cho phép . Điều kiện này cho phép chúng
ta biểu
diễn u*(t) dưới dạng biến trạng thái . Để thấy điều này , trước tiên
chúng ta
thảo luận về trường hợp một ngõ vào .
Đặt u(t) là một đại lượng vô hướng và đặt b tượng trưng cho vector
ngõ vào .

Trang :17

Trong trường hợp này dễ dàng chọn u*(t) để tối thiểu .
( Chú ý :
giá trị nhỏ nhất nghĩa là nhận một giá trị càng gần -∞
càng tốt ) .
Nếu b là giá trị dương , chúng ta nên chọn u(t) = -1 làm cho
có giá trị âm nhất . Mặt khác , nếu b là giá trị âm ,
chúng ta nên chọn u(t) ở giá trị cực đại là giá trị 1 để giá trị λ T
(t)bu(t) càng âm càng tốt . Nếu
giá trị λ T
(t)bu(t) bằng zero tại thời điểm t , khi đó u(t) có thể nhận bất cứ giá
trị nào tại thời điểm này .

Ru
W
=
=
1
1
3,Hàm truyền của khâu đo dòng
pTi
Ki
W
+
=
1
Ti : điện
Nhận xét :đặc điểm của dòng Thời gian trễ
Tổng hợp mạch vòng dòng điện
tác động nhanh
Độ quá điều chỉnh nhỏ
do đó ta phải sử dụng tiêu chuẩn tối modul vì quá điều chỉnh nhỏ
Sơ đồ cấu trúc cơ bản :

Trang :19

1, Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua E
-Bỏ qua E khi Tc >>T`
Sơ đồ cấu trúc :
-Coi quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và điện áp ra là tuyến tính
constKbd
u
==

Sensơ
R
I



ì
++
u
pTpT
vdk
)1).(1(
1
0
)1(
1
uu
pTR
+
i
i
pT
K
+
1
U
I
*
BBD
E




++++
++
=
=
)1(2*)1)(1(/
1


ppTupTsRuKbdKi
+++
Chọn
Ts=


=>
pTsKiKbd
RupTu
Ri
***2
)1(
+
=
Nhận Xét :Khâu Ri(p) là khâu tỉ lệ tích phân
2,Tổng hợp mạch vòng khi xét đến ảnh hởng đến sức điện động
Nhận xét :khi hằng số thời gian cơ học của hệ thống điện xấp xỉ bằng
hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì phải xét đến Eu tới
quá trình mạch vòng dòng điện

)1).(1(
0vdk
bd
pTpT
K
++
)1(
1
uu
pTR
+
i
i
pT
K
+
1
U
I
*

K
Jp
1

K
E
u
-
M

c
T
> TcTu
=>
TcTuppTc
2
1 ++
=
)1)(1(
21
pTpT
++
RupTpTpTs
TcKiKbd
So
)1)(1)(1(
**
21
+++
=
Ta phải khử T1,T2
Theo tiêu chuẩn tối u modul để tổng hợp bộ điều khiển
Ta có hàm truyền của tiêu chuẩn tối u modul
22
221
1
pp
Fmd



pTsi
Kcl
Wb
TvoTdkTsi
+
==>
=
+
+=
1
1
1
*
3,ThiÕt kÕ Ri trong m¹ch vßng ®iÖn gi¸n ®o¹n
Tsi=Tdk+Tvo
Hµm truyÒn hÖ hë

Trang :24

R
I
( )
SiSi
uu
KT
PTR
2
1
+
)1).(1(

1
U
i®
φ
K
Jp
1
φ
K
E
€
-
M
c
W
b
R
I
*
pT
K
Si
CL
'
1
+
(1 )
c
u c
T p

1
1
1
≈
+
=>
pTc
UdkKsi
pTsiRu
KiKcl
+
=
+
1
1
)(
)1(
*
§Æt
*
( )
dk
U
Kcl Ki
Ksi
Ru
=
Theo tiªu chuÈn tèi u modul ta cã
siSi
ip