TH- HTĐC
Chơng1:
Những nguyên tắc cơ bản khi xây dựng hệ điều chỉnh tự
động truyền động điện
1.1.Khái niệm và phân loại
1.1.1.Cấu trúc chung của hệ thống điều chỉnh tự động TĐĐ

Sơ đồ cấu trúc gồm:
Phần lực: động cơ truyền động quay máy sản xuất (MSX), Bộ biến đổi năng
lợng BBĐ (chỉnh lu, ĐAXC, ĐAMC, biến tần)
Phấn điều khiển: Các thiết bị đo lờng ĐL( nh biến dòng, máy phát tốc ),
Bộ điều chỉnh R.
Tín hiệu điều khiển hệ thống gọi là tín hiệu đặt, ngoài ra còn có các tín hiệu nhiễu
loạn ( nh mômen cản ).
Hoạt động của hệ thống có thể đợc mô tả nh sau:
Tín hiệu điều khiển đợc lấy ra từ bộ điều chỉnh R. Các bộ điều chỉnh R nhận tín hiệu
thông báo sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh tín hiệu
đặt và tín hiệu đo lờng các đại lợng truyền động. Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều
chỉnh đợc khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lợng
động và tĩnh của hệ thốngtruyền động.
1.1.2 Phân loại.
- Phân loại theo động cơ có hệ TĐ một chiều, hệ TĐ xoay chiều
- Phân loại theo tín hiệu điều chỉnh có bộ điều chỉnh tơng tự và bộ điều chỉnh số.
- Phân loại theo thuật toán điều chỉnh có hệ TĐ thích nghi, hệTĐ điều chỉnh
vectơ.
1 2.Những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động TĐĐ.
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động TĐĐ cần phải đảm bảo hệ thực hiện đợc tất cả
các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lợng và yêu cầu về
kinh tế. Chất lợng của hệ thống đợc thể hiện trong trạng thái động và tĩnh. Trạng thái
tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính xác điều chỉnh. Đối với trạng thái động có các
yêu cầu về ổn định và các chỉ tiêu về chất lợng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều

n
1i
ii
pNpFpRpF )().()().(

)(
)(
)(
pF1
pF
pF
0
0
+
=
F
i
(p) : hàm truyền đối với các nhiễu loạn
Các thành phần quá độ của C(t) phụ thuộc vào đặc tính của mạch vòng điều chỉnh và
vào tín hiệu điều khiển.
Xẻt R(t) và N
i
(t) thoả mãn điều kiện Mc.Laurin thì sai lệch e(t)= R(t)- C(t) có thể viết

i
n
i
iNn
n
Nn1nNn0

dt
tdR
CtRCte
)(

)(
)(

)(

)(
)(
)(

)()(
)()(
++++
+
+++++
+++++=
C
i
: gọi là hệ số sai lệch, trong kỹ thuật tự động thờng đặt tên cho các hệ số sai lệch
C
0
: hệ số sai lệch vị trí
C
1
: hệ số sai lệch tốc độ
C

pM
pF1
1
pR
pE
tF
0
e
=
+
==
Chia đa thức M(p) cho đa thức N(p) ta đợc

i
i
2
210e
pCpCpCCpF ++++= )(
Từ đó suy ra cách tính các hệ số sai lệh điều chỉnh

{ }
[ ]
[ ]
)))(((lim

))((lim
))((lim
)(lim



pCCpF
p
1
C
CpF
p
1
C
pFC
Cũng có thể tính đợc các hệ số sai lệch đối với tín hiệu điều khiển nhờ hàm truyền của
hệ thống theo tín hiệu điều khiển

)(
)(
)()(
)(
)(
)(
)(
)(
)(
pF1
PR
pCpR
pF
pF1
pF
pR
pC
pF

= 1-b
0
C
1
= a
1
- C
0
a
1
- b
1
C
2
= a
2
- C
1
a
1
- C
0
a
2
b
2

C
i
= a

i
m
1i
0
+
+
=
=
=
Nếu giả thiết hệ thông có phản hồi đơn vị thì hàm truyền của hệ kín
Nguyên Đăng Toàn
3
TH- HTĐC
)(
)(
)(
)(
)(
+++
+++
+
=
+
==
2
21
2

) )((
) )((
)(
''
pT1pT1p
pT1pT1K
pF
21
21v
0
++
++
=
Tơng ứng có hàm truyền của hệ thống kín



++++
+++
=
)(
)(
)(
'
'
2
2i
v
2
2i

0
kt+C
1
k
C(t)
C(t)
t
e

=
R(t)=kt
t
H1-4: Đáp ứng của hệvô sai cấp 1 với
các tín hiệu vào khác nhau
R(t)= const
C(t)
C(t)
t
e

=0
e

=
R(t)=
0
+ kt+k
2
t
2

3
3
2
iii
papT
K
1
pT1
pbpTTpT1
pF
)()(
)()(
)(
''
''
+++++
++++
=


Các hệ số sai lệch:
C
0
= a
0
b
0
= 0
C
1

làm cho tích phân này cực tiểu
Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và
đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ. Một hệ thống thiết
kế theo tiêu chuẩn ISE làm cho các sai lệch lớn ban đầu
giảm rất nhanh, do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh
và kết quả là hệ kém ổn định
VD:
Nguyên Đăng Toàn
5
e

=
v
K
k
R(t)=kt
t
H1-5: Đáp ứng của hệvô sai cấp 2 với
các tín hiệu vào khác nhau
C(t)
e

=0
R(t)=
0
+ kt+k
2
t
2
t

dttet )(.
Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu, còn các sai lệch sau xuất hiện
trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống đợc thiết kế theo tiêu
chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm suy giảm
nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh
1.4. Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh kiểu nối cấp dùng phơng pháp hàm chuẩn
môđun tối u.
Khi tổng hợp các hệ truyền động nhiều thông số thờng phân hệ thành cấu trúc
nhiều vòng có các bộ điều chỉnh ( regulator) nối theo cấp.
`
1.4.1. Một số chú ý cơ bản trớc khi tổng hợp mạch vòng nối cấp
Ưu thế của cấu trúc nối cấp các bộ điều chỉnh là giá đặt của mỗi vòng điều
chỉnh lại đợc hạn chế bởi đoạn bão hoà trên đặc tính của bộ điều chỉnh ở vòng điều
chỉnh bên ngoài liền kề
Mỗi vòng điều chỉnh có một bộ điều chỉnh và hệ thống điều chỉnh bao gồm đối
tợng điều chỉnh S
0
và mạch vòng phụ.
Thông thờng ở các đối tợng điều chỉnh S
0
có chứa những khâu có hằng số thời
gian lớn. Do đó để dẫn ra phơng pháp, ta giả thiết rằng các mạch điều chỉnh của mỗi
đại lợng chứa một phần có hằng số thời gian lớn ( thí dụ nh hằng số thời gian điện cơ,
hằng số thời gian của cuộn kích từ.v.v ) và một phần chứa hằng số thời gian nhỏ ( thí
dụ hằng số thời gian của sensor, của mạch điều khiển thyristor. v.v ).
Trong trờng hợp chung hàm truyền của đối tợng có dạng.

)().(
)(.
)(

các khâu có hằng số thời gian tơng đối nhỏ T
s
sẽ không đợc bù.
Nguyên Đăng Toàn
6
R
2
(p)
S
02
(p)S
01
(p)
R
1
(p)
S
0n
(p)
R
n
(p)
X
nđ
X
2đ
X
1đ
X
2

- ở hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì môđun của đặc tính tần số biên
độ phải tiến đến không. Vì thế ở dải tần thấp nhất, hàm truyền phải đạt đợc điều
kiện

1jF =)(

- Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môđun tối u

22
MC
p2p21
1
pF

++
=)(
- Đặc tính tần và đặc tính quá độ của hàm chuẩn
- Tiêu chuẩn môđun tối u hiệu chỉnh lại đặc tính tần số ở vùng tần số thấp và
trung bình, không đảm bảo trớc tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi áp
dụng cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ thống.
Ví dụ áp dụng:
1. Đối tợng điều chỉnh là hệ hữu sai có hàm truyền
Nguyên Đăng Toàn
7
2%
H1-8: a)Đặc tính tần; b)Đặc tính quá độ
t
4,3%
1
X(t)

)().(
)().(
)(
pSpR1
pSpR
pF
0
0
+
=
Để hệ thống đạt tiêu chuẩn môđun tối u thì F(p) = F
MC
(p)

[ ]
)()(
)(
)()(
)().(
)().(
)(
pF1pS
pF
pRpF
pSpR1
pSpR
pF
MC0
MC
MC

1
là hằng số thời gian nhỏ nên chọn

= T
1
, do đó ta sẽ tìm đợc bộ điều chỉnh

pTK
pT1
pR
11
2
+
=)(
Có cấu trúc của bộ PI ( tỷ lệ - tích phân)
Và hàm truyền của hệ kín thu đợc

22
11
pT2pT21
1
pF
++
=)(
2. Đối tợng điều chỉnh là hệ có hàm truyền

)(
)(
'
pT1

=
+
=
=
)(
)(
'
với

=
=
u
1s
ss
TT
'
là tổng hằng số thời gian nhỏ
Tiến hành làm nh ví dụ 1 ta tìm đợc cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh

pKT2
1
pR
s
=)(
có cấu trúc của bộ điều chỉnh tích phân
3. Đối tợng điều chỉnh có hàm truyền
Nguyên Đăng Toàn
8
R(p)
S

pT1
pR
s
k
2
1k
.
)(
)(
+
=
=
có cấu trúc là bộ PID ( tỷ lệ- tích phân vi phân)
4. Đối tợng điều chỉnh có hàm truyền

s
s
u
1s
0
KT2
1
pR
pT1p
K
pS =
+
=
=
)(

(p)
1.4.2.1. áp dụng tiêu tối u đối xứng
Nội dung tiêu chuẩn:
- Tiêu chuẩn tối u đối xứng thờng áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong
mạch có yêu cầu vô sai cấp cao
- Hàm chuẩn tối u đối xứng có dạng

3322
DX
p8p8p41
p41
pF


+++
+
=)(
- Đặc tính quá độ
Ví dụ áp dụng:
1. Đối tợng điều chỉnh có hàm truyền

)(
)(
s1
1
0
pT1pT
K
pS
+

=
Để hệ thống đạt tiêu chuẩn môđun tối u thì F(p) = F
ĐX
(p)

[ ]
)()(
)(
)()(
)().(
)().(
)(
pF1pS
pF
pRpF
pSpR1
pSpR
pF
DX0
DX
DX
0
0

==
+
=
Thay hàm truyền của S
0
(p) và F

= T
s
, do đó ta sẽ tìm đợc bộ điều chỉnh

p
T
TK8
pT41
pR
1
2
s1
s
+
=)(
Có cấu trúc của bộ PI ( tỷ lệ - tích phân)
Và hàm truyền của hệ kín thu đợc

33
s
22
ss
s
pT8pT8pT41
pT41
pF
+++
+
=)(
2. Đối tợng điều chỉnh có hàm truyền

Nguyên Đăng Toàn
10
R(p)
S
0
(p)
X
đ
X
-
H1-9: Cấu trúc hệ
2%
H1-10:Đặc tính quá độ
t
43,4%
1
X(t)
3,1

16,5

8,1%
13,3

7,8

TH- HTĐC
Chơng 2:
Một số phần tử tự động trong hệ điều chỉnh tự động
truyền động điện

b1
b1
a1
a1
22
R
U
R
U
R
U
RU +++=
Nếu ta chọn R
1a
= R
1b
= = R
1n
= R
2
thì ta cộng các tín hiệu điện áp
U
2
= -(U
1a
+ U
1b
+ + U
1n
)

+
-
H2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch lặp
U
1
U
2
TH- HTĐC
2.2.3.Mạch đảo tín hiệu
U
2
= - U
1
2.2.4.Mạch so sánh
Mạch so sánh dùng để so sánh hai tín hiệu trong mạch điều khiển chỉnh lu
thyristor
2.2.5.Mạch hạn chế
Mạch hạn chế thờng dùng để hạn chế lợng đặt dòng điện hoặc mômen và hạn
chế tín hiệu điều khiển
2.2.6.Một số mạch khác ( Đọc tham khảo trong tài liệu)
2.3. Các bộ điều chỉnh
Bộ điều chỉnh là một trong các phần tử quan trọng nhất trong hệ điều chỉnh tự
động TĐĐ bởi vì nó đảm bảo chất lợng động và tĩnh của hệ.
Bộ điều chỉnh có hai nhiệm vụ
1. Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ
2. Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lợng động và tĩnh của hệ
Nguyên Đăng Toàn
12
+
-

+
D
-
U
+
U
-
P
1
P
2
U
+
U
-
U
1
U
2
H2.7: Đặc tính khâu hạn chế
TH- HTĐC
Tuỳ theo loại tín hiệu điều khiển mà ta có các bộ điều chỉnh tơng tự, bộ điều
chỉnh xung và bộ điều khiển số.
2.3.1.Một số bộ điều chỉnh tơng tự
2.3.1.1.Bộ điều chỉnh tỷ lệ P
Sơ đồ nguyên lý
`
Trong đó: U
1w
là đại lợng đặt

pF

==)(
Trong đó:
I
= R
1
C
2
là hằng số thời gian tích phân
Tín hiệu theo thời gian

t
U
dtU
1
tU
1
t
0
12


=

=

)(
2.3.1.3.Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ PI
Sơ đồ nguyên lý

U
2
=K
R
.U
1
H2.10: Sơ đồ mạch nguyên lý
+
-
U
1w
R
1
C
2
U
2
R
1
U
1
H2.11: Đặc tính của bộ điều chỉnh
t
U
2
0

TH- HTĐC
Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh


CR
R
R
K == ;
2.3.1.4. Bộ điều chỉnh tỷ lệ, tích phân, đạo hàm PID
Sơ đồ nguyên lý
Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh

p
1pp
KpF
I
I
2
DI
RR

++
=)(
Trong đó:
1
2
3
32
R
R
C
C
RR
K

3
3
2
>>+
Nguyên Đăng Toàn
14
H2.14: Sơ đồ mạch nguyên lý
H2.15: Đặc tính của bộ điều chỉnh
+
-
U
1w
R
1
C
2
U
2
R
1
U
1
R
2
t
U
2
0
U
1

1
U
1
H2.13: Đặc tính của bộ điều chỉnh
t
U
2
0

I
R
2

R
U
1
U
1
K
R
U
1
TH- HTĐC
và R
2
>> R
3
thì
1
RR

nh điện áp, dòng điện, tốc độ, vị trí, mômen v.v
Yêu cầu của thiết bị đo
1. Đo chính xác trong chế độ động và chế độ tĩnh
2. Không bị nhiễu loạn tác động từ bên ngoài
3. Đáp ứng nhanh
2.4.1. Đo dòng điện xoay chiều
Có rất nhiều cách đo dòng xoay chiều, song cách đo đơn giản nhất là dùng biến
dòng
``
Hàm truyền của biến dòng

PT1
K
pI
pU
pF
i
i
1
I2
I
+
==
)(
)(
)(
trong đó: K
i
= P
I

U
R
R
1
D
0
C
I
2
H2.16: Mạch đo dòng xoay chiều ba pha
TH- HTĐC

pT1
K
p
pU
pF



+
=

=
)(
)(
)(
Trong đó K

là hệ số tỷ lệ

)(
pTpT
K
pTpT
U
pU
pU
pF
vok
cl
vok
d
k
d
CL
++
=
++


==

Trong đó: K
cl
là hệ số khuếch đại của mạch chỉnh lu
T
đk
là hằng số thời gian của mạch điều khiển
T
v0

++


==

Với
f2
1
T
0v
=
3.3. Mô hình toán học bộ biến tần ( đọc trong tài liệu tham khảo)
Nguyên Đăng Toàn
17
TH- HTĐC
Chơng 4:
Điều chỉnh tự động hệ thống truyền động động cơ một
chiều
4.1. Mô hình toán học động cơ điện một chiều
4.1.1. Mô hình toán học ở chế độ xác lập
Sơ đồ thay thế:
( )









k
: điện trở cuộn dây kích từ
Phần ứng:

( ) ( ) ( ) ( )
OOO
EppNppILpIRpU
N
++=
hoặc
( ) ( ) ( ) ( )
[ ]
pEppNpU
pT1
R1
pI
N O
O
O
/

+
=
Nguyên Đăng Toàn
18
R

E

H4.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều
( )
= jppMpM
C
)(
4.1.3. Xét trờng hợp khi từ thông kích từ không đổi
Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi hoặc khi động cơ đợc kích thích bằng
nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số
Ta có:

( )





=
++=
==
)()()(
)())((
OO
pJppMpIC
pCpT1pIRpU
CconstK
cu
u
u
Từ hệ phơng trình trên ta xây dựng đợc sơ đồ cấu trúc

i



d
U
pT1
K
i
i
+pT1
R1
O
O
/
+
S
i
U
i
-
-
E
I
F
BBĐ
U

O
O
i0vkf
icl
i0
pT1pT1pT1pT1pT1
R
KK
pS
+++++
=
đ
Vì T
f
, T
đk
, T
v0
, T
i
là các hắng số thời gian nhỏ vànhỏ hơn rất nhiều so với T nên ta có

))((
)(
O
O
pT1pT1
R
KK
pS


[ ]
)()(
)(
)()(
)().(
)().(
)(
pF1pS
pF
pRpF
pSpR1
pSpR
pF
MCi0
MC
iMC
i0i
i0i
==
+
=
Thay hàm truyền của S
0i
(p) và F
MC
(p) vào ta có

)(.
))((

, do đó ta sẽ tìm đợc bộ điều chỉnh

pT2
R
KK
pT1
pR
s
icl
i
O
O
)(
+
=
Có cấu trúc của bộ PI ( tỷ lệ - tích phân)
Nguyên Đăng Toàn
20
R
i
(p)
S
0i
(p)
U
iđ
-
H4-5: Cấu trúc hệ
TH- HTĐC
Mạch nguyên lý của bộ điều chỉnh PI

CR
KK
T2R
cli
s2
O
'
=
Để tạo khâu lọc cho bộ điều chỉnh ta nối thêm tụ C
f
song song với R
3
sao cho
R
3
C
f
= T
f
và R
3
(C + C
f
) = T
Và hàm truyền của hệ kín của mạch vòng dòng điện thu đợc

22
ssii
pT2pT21
1

U
iđ
R
1
C
U
đk
R
2
U
i
R
3
C
f
TH- HTĐC
Từ kết quả tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện ở trên và bỏ qua ảnh hởng của sức
điện động ta có sơ đồ khối mạch vòng bộ điều chỉnh tốc độ nh sau:
Ta có thể chuyển nút cộng M
c
ra ngay sau khối K.
Hằng số thời gian cơ học:
T
c
=
2
K
JR
)(
O

R1
O
O
/
+
U
i
-
E
I
BBĐ
U
S

U
đ
-
U

R

K
Jp
1
M
-
M
c

HCD


K
Jp
1
M
-M
c

HCD
H4-8: Sơ đồ cấu trúc thu gọn
22
ssi
pT2pT21
1
K
1
++
22
TH- HTĐC
Khi U

đ


0 và M
c
= 0 (mạch không có nhiễu loạn):
Hàm truyền đạt của đối tợng điều chỉnh:
S
o

O
)(
'
s
pT21p
1
+
Nh vậy sơ đồ sẽ có dạng nh sau:
Nếu tổng hợp theo phơng pháp tối u đối xứng thì:
F
ĐX
(p) =
3322
p8p8p41
41




+++
+
R

=


KR
TKK
ci
O

ii
pNpFpRpF )().()().(
-
U


S

R

pTK
R
c

O
1/K
M
c
- I
c
I
H4-9:Sơ đồ cấu trúc thu gọn
23
TH- HTĐC
Mạch nguyên lý của bộ điều chỉnh
4.4.Bài tập áp dụng
1. Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho hệ truyền động tự động một chiều
Các thông số động cơ: P
dm
= 75kw; U

U

R
3
+
-
R
4
U
iđ
R

2
U
i
24
TH- HTĐC
Chơng 5:
điều chỉnh tự động hệ thống truyền động động cơ không
đồng bộ
5.1. Mô hình động cơ không đồng bộ khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ
Trong trờng hợp quá trình quá độ điện từ xảy ra rất nhanh so với quá trình quá
độ điện cơ thì có thể bỏ qua quá trình quá độ điện từ khi khảo sát động cơ KĐB
Phơng trình đặc tính của động cơ không đồng có tính chất phi tuyến và là hàm
nhiều biến nh điện áp, điện trở rôto, tần số, tốc độ v.v
Giả sử phơng trình đặc tính cơ là hàm của ít nhất hai biến là biến ra tốc độ và
một biến vào nào đó gọi là biến y
M = M(y,)
Do tính chất phi tuyến rất mạnh của các đặc tính của động cơ không đồng bộ
nên dùng phơng pháp tuyến tính quanh điểm làm việc




=
C
C
M
M
Thay vào phơng trình động học dới dạng toán tử
)(pJpMM
C
=
ta đợc

)()()()( pY
y
M
p
M
M
pJp
C



=





M
y

-
25