Đồ án môn học Trang bị điện
MỤC LỤC
Mục lục…………………………………………………………………1
Lời nói đầu…………………………………………………………… 3
Chương 1. Tổng quan về công nghệ trên máy mài…………………….4
1.1. Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ………………………… 4
1.1.1. Phân loại máy mài………………………………………… 4
1.1.2. Giới thiệu một số loại máy mài và đặc điểm công nghệ……5
1.2. Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài…….6
1.2.1. Hệ truyền động điện……………………………………… 6
a) Truyền động chính……………………………………… 6
b) Truyền động ăn dao……………………………………….6
c) Truyền động phụ………………………………………… 7
1.2.2. Trang bị điện ……………………………………………… 7
Chương 2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và
điều chỉnh tốc độ của máy mài………………………………………… 8
2.1. Đặt vấn đề……………………………………………………… …8
2.1.1. Khái niệm chung…………………………………………….8
2.1.2. Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi……………… 9
2.1.3. Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi…………………… 9
2.1.4. Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC … 9
a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu MRAC……………… 10
b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient…….11
2.2. Nhận dạng hệ thống……………………………………………… 14
2.3. Thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy mài…………… 17
2.3.1. Thuật giải……………………………………………………17
2.3.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển…………………… 20
a) Khối đối tượng ………………………………………… 21
b) Khối mô hình mẫu………………………………………….21
c) Khối luật điều khiển………………………… … …… 21
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 1

Kim cương và bề mặt được mài không đòi hỏi có độ phẳng tuyệt đối. Tuy
vậy, công nghệ được trang bị cho những máy này cũng rất hiện đại và
không kém phần quan trọng vì tất cả máy này đang trực tiếp phục vụ cho
nền công nghiệp đang phát triển với tốc độ rất cao của con người.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS. HOÀNG XUÂN BÌNH
đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên
Nguyễn Hà Giang
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 3
Đồ án môn học Trang bị điện
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRÊN MÁY
MÀI
1.1. Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ
1.1.1. Phân loại máy mài
Máy mài được chia làm hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng.
Ngoài ra còn có các máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy
mài cắt, máy mài răng…Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên
đó kẹp chi tiết ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt
trên bệ máy. Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1.1.
Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn công nghệ máy mài.
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 4
Đồ án môn học Trang bị điện
1.1.2. Giới thiệu một vài loại máy mài và đặc điểm công nghệ
a) Máy mài tròn
Có hai loại:
• Máy mài tròn ngoài (hình 1.1 a)
• Máy mài tròn trong (hình 1.1 b)
Trên máy mài tròn:
• Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài.
• Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục

- tốc độ quay của đá mài, [rad/s].
Thông thường v=30
÷
50 m/s.
1.2. Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài
1.2.1. Hệ truyền động điện
a) Truyền đông chính
- Thông thường máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, nên sử dụng động
cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc
độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi,
thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D =
(2 ÷ 4/1) với công suất không đổi.
- Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 80 m/s nên đá mài có đường kính
lớn thì tốc độ quay đá khoảng 1000vg/ph. Ở những máy có đường kính
nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biêt, đá
mài gắn trên trục động cơ, động cơ có tốc độ (24000 ÷ 48000) vg/ph,
hoặc có thể lên tới (150000 ÷ 200000) vg/ph. Nguồn của động cơ là các
bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT quay) hoặc là các bộ
biến tần tĩnh bằng Thyristor.
- Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 ÷ 20% momen định
mức. Mô men quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn: 500 ÷ 600%
momen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay
đá. Không yêu cầu đảo chiều quay đá.
b) Truyền động ăn dao
+) Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ
không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực) với D = (2 ÷ 4)/1.
Ở các máy lớn thì dùng hệ thống biến đổi - động cơ một chiều (BBĐ-
ĐM), hệ KĐT – ĐM có D = 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng.
Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ-
ĐM với D = (20 ÷ 25)/1. Truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực.

được điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian”.
Hệ thống được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:
(1) Vòng hồi tiếp thông thường (Feedback)
(2) Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi (Adaptation)
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 8
Đồ án môn học Trang bị điện
2.1.2. Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi
Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:
- Hệ thích nghi mô hình tham chiếu ( MRAC )
- Bộ tự chỉnh định ( STR )
- Lịch trình độ lợi
- Hệ tự học
- Hệ tự tổ chức
2.1.3. Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi
Hệ điều khiển thích nghi có các ứng dụng như sau:
• Tự chỉnh định
• Lịch trình độ lợi
• Thích nghi liên tục
Hình 2.1. Sơ đồ các ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 9
Đồ án môn học Trang bị điện
2.1.4. Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC
a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu - MRAC (Model Reference
Adaptive Control)
Hệ thống thích nghi sử dụng mô hình chuẩn là một trong những
phương pháp chính của điều khiển thích nghi. Nguyên lí cơ bản như sau:
Hình 2.2. Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
Mô hình chuẩn sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệu
đặt (yêu cầu). Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đối
tượng và bộ điều khiển. Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và

phương pháp thích nghi sử dụng mô hình chuẩn cho một cách hiệu chỉnh
tham số tổng quát để có được hàm truyền hệ thống vòng kín gần với mô
hình. Đây gọi là vấn đề mô hình kèm theo. Một câu hỏi đặt ra là chúng ta
làm cho sai lệch nhỏ như thế nào, điều này phụ thuộc bởi mô hình, hệ
thống và tín hiệu đặt. Nếu có thể làm cho sai số bằng 0 đối với mọi tín
hiệu yêu cầu thì gọi là mô hình kèm theo hoàn hảo.
+) Mô hình kèm theo
Vấn đề mô hình kèm theo có thể được giải quyết bằng thiết kế phân số
cực. Mô hình kèm theo là cách đơn giản để thiết lập hay giải một vấn đề
điều khiển tuỳ động. Mô hình sử dụng có thể là tuyến tính hay phi tuyến.
Các tham số trong hệ thống được hiệu chỉnh để có được y càng gần với
y
m
càng tốt đối với một tập các tín hiệu vào. Phương pháp thích nghi là
một công cụ thiết kế hệ MRAC. Mặc dù mô hình kèm theo hoàn hảo chỉ
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 11
Đồ án môn học Trang bị điện
có thể đạt được trong điều kiện lý tưởng nhưng phân tích trường hợp này
sẽ cho hiểu biết sâu sắc vào vấn đề thiết kế.
Xét hệ 1 đầu vào, 1 đầu ra có thể là liên tục hay rời rạc có phương trình:
y(t) =
)(tu
A
B
(2.1)
với u là tín hiệu điều khiển, y là ngõ ra. Kí hiệu A, B là những đa thức
theo biến S hay Z. Giả sử bậc của A ≥ bậc của B nghĩa là hệ thống là hợp
thức (đối với hệ liên tục) và nhân quả đối với hệ rời rạc. Giả sử hệ số bậc
cao nhất của A là 1.Tìm bộ điều khiển sao cho quan hệ giữa tín hiệu đặt
u

Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 12
Đồ án môn học Trang bị điện
Để đạt được đáp ứng vòng kín mong muốn, thì AR + BS phải chia hết cho
A
m
, các zero của đối tượng, khi cho B = 0, sẽ là zero của hệ kín nếu
không bị khử bởi cực vòng kín.
Bởi vì các điểm zero không ổn định không thể bị khử nên có thể phân
tích thành B = B
+
B
-
, trong đó B
+
chứa những thành phần có thể khử đi, B
-
là thành phần còn lại.
Theo phương trình (2.4) AR + BS là đa thức đặc trưng của hệ thống được
phân tích thành ba thành phần : khử zero của đối tượng:B
+
; cực mong
muốn của mô hình được cho bởi A
m
; các cực của bộ quan sát A
0
. Vì thế :
AR + BS = B
+
A
0

m
(2.8)
T = A
0
B
’
m
Điều kiện để đảm bảo tồn tại lời giải là :
bậc( A
0
)≥
2 bậc(A) - bậc( A
m
) - bậc(B
+
) - 1
bậc( A
m
) - bậc (B
m
)
≥
bậc( A) - bậc(B)
Giả sử tất cả các zero đều bị khử, khi đó có thể viết lại như sau :
A
0
A

Hệ SISO được mô tả bởi phương trình sau:
Ay = Bu
Với đặc tính hệ thống mong muốn đạt được là:
A
m
y
m
= B
m
u
c
Bộ điều khiển:
Ru = Tu
c
- Sy (*)
Hệ vòng kín được mô tả:
C
u
BSAR
BT
y
+
=
Thay y vào (*) ta tính được:
C
u
BSAR
AT
u
+

Các bộ điều khiển dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ được tổng hợp
trên máy tính, hay nói chính xác hơn thì Ri và Rw là các thuật toán điều
khiển được cài đặt trên thiết bị tính toán (máy tính, vi xử lý, vi điều
khiển).
Ngoài ra còn có các cảm biến phản hồi dòng phần ứng và tốc độ động cơ.
Ta có hệ phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều trên miền ảnh Laplace
như sau :
ω
ω
.
.
.
).(
.
1
bA
Atm
f
Le
AA
AA
A
Ke
iKM
BsJ
TT
eu
sLR
i
=

KbKtBfRAsJRABfLAsJLA
Kt
) (
2
++++
Hàm truyền đạt đối tượng :
G
DC
(s) =
KbKtBfRAsJRABfLAsJLA
KtKKcl
) (

2
++++
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 15
Đồ án môn học Trang bị điện
=
JLA
KbKtBfRA
s
JLA
JRABfLA
s
JLA
KtKKcl
.

.


b
++
=
)(
)(
sA
sB
Vấn đề đặt ra là cần thiết kế bộ điều khiển tốc độ (bỏ qua mạch
vòng dòng điện) động cơ có hàm truyền như trên. Để thiết kế 1 bộ điều
khiển tốc độ thông thường có rất nhiều các phương pháp khác nhau. Ta
thường gặp nhiều khó khăn khi phải thiết kế bằng tay 1 bộ điều khiển cho
đối tượng để nhằm đạt được các đáp ứng như mong muốn. Nhưng với
phần mềm Matlab thì việc thiết kế bộ điều khiển mà điển hình là bộ PID
khiến cho việc thiết kế trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, các tham số của động cơ có
thể bị thay đổi. Hoặc với 1 bộ điều khiển PID thường như vậy chỉ có thể
điều khiển được 1 đối tượng cố định chuẩn, nếu thay đổi đối tượng thì bộ
điều khiển PID thường không còn có mang tính chính xác. Bộ điều khiển
thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC có thể giải quyết vấn đề này.
Phương pháp thiết kế được chọn là phương pháp tiếp cận Gradient.
2.3. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho máy mài
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 16
Đồ án môn học Trang bị điện
Hình 2.5. Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
Trong đó ta có:
• U
C
là tín hiệu đặt (tốc độ đặt)
• y
m

Luật điều khiển: u = k.(n
*
- n) (2.12)
Trong đó:
• k: hệ số tỉ lệ
• n*: tốc độ đặt
• n: tốc độ thực
Thay (2.12) vào (2.11) ta được :
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 17
u
y
u
c
Mô hình
Mô hình
Cơ cấu hiệu chỉnh
Cơ cấu hiệu chỉnh
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển
Đối tượng
Đối tượng
Tham số điều khiển
y
m
Đồ án môn học Trang bị điện
⇒
(p
2
+ a1.p + a2).n = b1.k.(n
*

. n
*
(2.15)
Từ phương trình (2.15) suy ra độ nhạy của sai số theo hệ số tỉ lệ k :
k
e
∂
∂
=
22
2
).12.1(
.1.1).12.1.(1
kbapap
kbbkbapapb
+++
−+++
.n
*
⇔

k
e
∂
∂
=
22
2
).12.1(
)2.1.(1

*
22
2
.n
).12.1(
)2.1.(1
kbapap
apapb
(2.17)
Phương trình (2.17) không thể sử dụng trực tiếp để cập nhật hệ số
tỉ lệ k của bộ điều khiển được do các thông số động cơ thay đổi dẫn đến
hàm truyền đối tượng lúc này cũng thay đổi. Do đó phải sử dụng phép
xấp xỉ để loại bỏ đi thông số chưa biết này.
Đối với động cơ DC servo, đặc tính tốc độ của động cơ đạt theo 1
chỉ tiêu mong muốn nào đó nghĩa là tín hiệu tốc độ đặt đạt mong muốn
trong thời gian xác lập nhất đinh t giây(t = 1
÷
3s), độ quá điều chỉnh
không quá 4.3%,… Như vậy cần phải chỉnh định đặc tính động cơ theo 1
mô hình mẫu nhất định. Điều cần chú ý trong quá tình tìm kiếm hàm
truyền mô hình mẫu đó là :
G
m
=
)(
)(
sA
sB
m
m

m
(s) = N
*
(s).bm1
⇔
(p
2
+am1.p + am2).n
m
= n
*
.bm1 (2.18)
⇔
n
m
=
2.1
1
2
ampamp
bm
++
.n
*
(2.19)
Khi hàm truyền đạt của hệ thống đạt tới hàm truyền mong muốn thì
phương trình (2.13) sẽ đạt tới phương trình (2.18)
⇔
(p
2







−++++
++
*
22
2
.
)2/)221(2.1(
)2.1.(1
n
aambmapap
apapb
(2.20)
Bên cạnh đó có thể đặt
1
γ
=
γ
.b1, khi đó phương trình (2.20) có thể xấp
xỉ :
dt
dk
= -
1
γ

=
γ
.b1 đã gộp thông số b1 thay
đổi theo thời gian vào
1
γ
, hay nói cách khác
1
γ
cũng thay đổi theo thời
gian.
1
γ
tượng trưng cho tốc độ hội tụ về hàm truyền đạt vòng kín mong
muốn của hệ thống (tốc độ thích nghi). Do đó, nếu
1
γ
nhỏ (khi thông số
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 19
Đồ án môn học Trang bị điện
b1 nhỏ), hệ thống sẽ hội tụ chậm. Nếu
1
γ
lớn (khi thông số b1 lớn), tính
ổn định của hệ thống sẽ không được đảm bảo và hệ thống sẽ không điều
khiển được. Như vậy bộ điều khiển chỉ có thể thích nghi khi thông số b1
của quá trình thay đổi trong một gới hạn cho phép.
Phép xấp xỉ k = (bm1 + am2 –a2)/(2.b1) không ảnh hưởng đáng kể đến
chất lượng điêu khiển vì một khi hệ thống vòng kín tiến đến hàm truyền
đạt mong muốn thì phép xấp xỉ này cũng tiến đến một phép toán chính

2
+
+
+
+
=
2.1
1
2
asas
b
++
Hình 2.7. Đối tượng điều khiển
b) Khối mô hình mẫu
Hàm truyền đạt mong muốn của hệ thống vòng kín:
G
m
(s) =
)(
)(
*
sN
sN
m
=
2.1
1
2
amsams
bm

n
aambmapap
apap
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 21
Đồ án môn học Trang bị điện
Hình 2.9. Khối hiệu chỉnh hệ số
2.3.3. Điều kiện hoạt động ổn định của hệ thống
Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống đó là :
• Biên độ tín hiệu đặt (khắc phục bằng luật hiệu chỉnh bổ sung tham số)
• Tốc độ hội tụ thật sự
1
γ
• Nhiễu tác động vào hệ thống
Bây giờ ta đi giải quyết từng vấn đề:
a) Giới hạn của tích số:
1
γ
=
γ
.b1
Nếu
1
γ
quá lớn có thể làm hệ thống mất ổn định. Do đó việc lựa chọn
γ

tùy thuộc vào tầm thay đổi của b1 sao cho
1
γ
=

bằng cách thử nghiệm. Và khi
đó ta lựa chọn
1
γ
< 0.8*
1
γ
max
thì sẽ đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 22
Đồ án môn học Trang bị điện
2.3.4. Kết quả mô phỏng
Với n
*
= 2000

Hình 2.10. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -1
Hình 2.11. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -10
Sinh viên: Nguyễn Hà Giang - Lớp ĐTĐ47-ĐH2 Trang 23
Đồ án môn học Trang bị điện
Hình 2.12. Đáp ứng ra của bộ điều khiển thích nghi khi:
1
γ
= -50