1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
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
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

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.m
2
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.m
2
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 KIẾN 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 MỤC CÁC KÝ HIỆU f Tần số dòng ñiện
P
ñm
Công suất danh ñịnh
n
ñm
Tốc ñộ ñịnh mức

V
dk
Điện áp ñiều khiển
L
kt
Điện cảm cuộn kích từ
R
kt
Điện trở cuộn kích từ
U
kt
Điện áp kích từ
i
kt
Dòng ñiện kích từ
M Mô men quay trên trục ñộng cơ
Mc

Mô men tải

8

DANH MỤC CÁC BẢNG


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

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 = k
th
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


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 K
P
, T
I
, T
D
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

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 L
u
của ñộng cơ suy giảm. Điện trở mạch phần ứng R
u

của máy ñiện thay ñổi theo nhiệt ñộ làm việc, do ñó hằng số thời gian mạch phần
ứng T
u
= L
u
/R
u
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

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

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.
8Hình 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

.
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
π
Φ=Φ= k
a
Np
E .
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

+
=

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:

ω
JppMpM
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.
11U
K

JP
1

u

U
-
Φ

φ

FHình 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+
+
∆
+
+
∆
+
=
∆

∆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
−
∆
ω
ω
(1.10)
12)1).((
kkkk
pTpIRU
+
∆

B
o
K
Φ

Jp
1

o
KI

B
K
ω

k
K

k
k
pT
R
+1
1

∆U ∆I ∆M
∆M
C

∆ω

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: K
ñ
= 1/C
u
, hằng số thời gian cơ học:

2
u
u
c
C
JR
T =
(1.15)
131
)(.)(
)(
2
++
+
=
pTpTT
C
pM
R
TppU


I
ω

M
C
-

Hình 1.4: Sơ ñồ cấu trúc khi từ thông không ñổi 1
.
2
++ pTpTT
p
R
T
c
c
u
u
c

1
2
++ pTpTT
K
c
c

u

U

ω

-
a)

b)

M
c
I
ñg

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 LƯU ĐIỀU KHIỂN
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

.
2
)
4
1(
fefb
L
mm
RR
ω
π
π
µ
+−=fb
LL
=

m - s
ố
xung áp
ñầ
u ra;

µ
- góc chuy
ể
n m

ườ
ng h
ợ
p bi
ế
n thiên nh
ỏ
c
ủ
a tín hi
ệ
u, khi hi
ệ
n t
ượ
ng chuy
ể
n m
ạ
ch
không có
ả
nh h
ưở
ng
ñế
n giá tr
ị
trung bình c
ủ

ñ
i
ể
m
c
ủ
a tín hi
ệ
u
ñ
i
ề
u khi
ể
n thay
ñổ
i không trùng v
ớ
i th
ờ
i
ñ
i
ể
m thay
ñổ
i góc
ñ
i
ề

i gian tr
ễ
là:

.
e
vo
m
T
ω
π
=
(1.17)
Khi t
ầ
n s
ố

ñ
i
ệ
n áp xoay chi
ề
u
ñủ
l
ớ
n, có th
ể
dùng bi

ể
thay th
ế
hàm tr
ễ
b
ở
i m
ộ
t khâu quán tính.