Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI
ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

ĐỖ ĐỨC THÀNH


Ngành :
Mã số :
Học viên :
Người hướng dẫn khoa học :
TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỖ ĐỨC THÀNH
TS. NGUYỄN DUY CƢƠNG THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


4
LỜI NÓI ĐẦU

Nhà máy Cán Thép Lưu Xá là dây chuyền công nghệ chuyên cán thép xây
dựng, sử dụng PLC điều khiển các quá trình xử lý nước làm mát, bơm dầu bôi trơn,
bơm thủy lực tốc độ cán được điều khiển bằng hệ thống động cơ một chiều và vấn
đề đồng tốc giữa các giá cán với nhau rất quan trọng.
Riêng máy cán block khâu quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai
động cơ một chiều 600kw cùng thông số nối cứng trục chung một tải, với nguồn cung
cấp từ 1 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau, do hai bộ điều khiển một chiều phối
hợp theo dạng Master_ Slave. Bộ điều khiển 1 của động cơ chính số xử lý các tín
hiệu: tín hiệu phản hồi sức căng trùng của thép từ loopscan; tín hiệu phản hồi tốc độ
từ máy phát tốc. Đưa ra tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện của hai
động cơ với hệ số hiệu chỉnh dòng cố định (dòng hai động cơ bám sát nhau).
Nhưng hiện nay hai bộ điều khiển động cơ phối hợp không chính xác và kém
ổn định gây ra dòng điện của của hai động cơ sai lệch nhau rất nhiều (tải không cân
bằng, riêng dòng của động cơ số 2 rất lớn), tác động mạch bảo vệ gây sự cố dừng
máy, thiệt hại rất nhiều cho nhà máy. Việc khắc phục sự cố (chưa rõ cấu trúc bộ điều
khiển) hay thay thế bộ điều khiển mới đảm bảo tải phân bố đều cho hai động cơ cán
Block gặp rất nhiều khó khăn. Do tải có công suất rất lớn, tải biến đổi rất nhanh và
phức tạp, phải điều khiển chính xác tốc độ trong phạm vi rộng nên tôi chọn đề tài:
“Ứng dụng điển khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối
cứng trục” để làm đề tài nghiên cứu.
Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC (Model Reffrence Adaptive
Control) là hệ điều khiển tự động mà thông số (cấu trúc) của bộ điều khiển có thể thay
đổi theo sự biến thiên thông số của đối tượng đã được xây dựng và áp dụng rộng rãi
trong thực tế.

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Đức Thành
Sinh ngày 02 tháng 10 năm 1980
Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá.
Xin cam đoan: tất cả những nội dung trong luận văn “Ứng dụng điển khiển
thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục “ đúng như
nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương hướng dẫn
là công trình nghiên cứu riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo
của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản.
Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

7
MỤC LỤC Nội dung
Trang
Lời nói đầu
1
Lời cam đoan
3
Mục lục
4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ký hiệu, chữ viết tắt
6
8

Nội dung
Trang
Chƣơng 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán
cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block). Lập mô
hình, chạy mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng.
57
3.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều .
58
3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC.
61
3.2.1 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu
độ lớn.
62
3.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi.

66
3.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.

73
Kết luận
80
Phụ lục
80
Tài liệu tham khảo
85

25
2.4a
Sự thay đổi tham số b
p
dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra.
26
2.4b
Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Y
p
), đáp ứng mô hình mẫu
(Y
p1
) và sai lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số b
p
.
26
2.5a
Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K
b
.
27
2.5b
Kết quả việc thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K
b
.
27
2.6
Kết quả việc thích nghi theo tham số K
a
và K

(Y
p
), sai lệch (e), và tham số chỉnh định (K
a
, K
b
).
43
2.10c
Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định
Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ.
44

10

Số hiệu
hình vẽ và
đồ thị
Nội dung
Trang
2.10d
Các đáp ứng nhận được khi tham số K
a
, K
b
bổ xung khâu tỷ lệ.
45
2.11
Mô hình đối tượng và mô hình bộ điều khiển.
46

Kết quả mô phỏng, kết quả tối ưu tham số bộ điều khiển theo
phương trình Ricatti (hệ chịu tác động bởi nhiễu hệ thống tại
t =100s).
56
3.1
Đề xuất bộ điều khiển mới.
58
3.2
Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
58
3.3
Cấu trúc động cơ một chiều từ thông không đổi.
61
3.4
Mô hình điều chỉnh dòng cho hai động cơ.
62
3.5
Sơ đồ mạch vòng dòng điện.
63
3.6
Mạch vòng dòng điện chưa có bộ điều chỉnh.
64 11

Số hiệu
hình vẽ và
đồ thị
Nội dung

thời điểm t =30(s), t =70(s).
73
3.15
Sơ đồ mạch vòng tốc độ - có mô men quán tính J biến thiên.
74
3.16
Sơ đồ mạch vòng tốc độ với hệ số khuếch đại K
p.
75
3.17
Với K
th
=20.
75
3.18
Với K
th
= 120.
76
3.19
Với K
th
=162.201559 hệ kín dao động điều hòa.
76
3.20
Mạch vòng tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID.
77
3.21
Đáp ứng mạch vòng tốc độ PID - Độ quá điều chỉnh còn lớn.
78

Massachusetts Institude Technology -Bộ điều khiển thiết kế theo luật
MIT.
LQR
Linear Quadratic Regulator-Bộ điều chỉnh tuyến tính bậc hai.
ĐKTN
Điều khiển thích nghi.
BBD
Bộ biến đổi.

13
CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY
CÁN THÉP LƢU XÁ – CÔNG TY GANG THÉP THÁI NGUYÊN

1.1. Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy cán thép Lƣu Xá
Nhà máy cán thép Lưu Xá là một doanh nghiệp hạch toán độc lập thuộc công ty
Gang Thép Thái Nguyên.
Nhà máy nằm trong trung tâm khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên,
thuộc phường Cam Giá - Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên cách trung tâm
thành phố 8km về phía Đông Nam, trên đường Cách mạng tháng Tám. Với diện tích
31.019m2, chiều dài 445m, chiều rộng 132m được chia thành 04 gian nhà xưởng,
Nhà máy có kho nguyên liệu với diện tích 3.960m2 có sức chứa 14.000T phôi liệu.
Đây là điều kiện tốt, thuận lợi cho Nhà máy về mặt bằng kho bãi và nhà xưởng để
phục vụ sản xuất.
Trước đây Nhà máy là xưởng cán thép 650 thuộc Công ty Gang thép Thái
Nguyên. Nhà máy được thành lập vào tháng 5/1972 nhưng do chiến tranh nên đến
tháng 4/1978 mới xây dựng xong và bắt đầu đi vào sản xuất thép phôi, với công suất

1,5KW, lớn nhất 2.500KW. Tổng dung lượng điện sử dụng là 9.000 KWh. Nhà máy
có 15 cầu trục dùng để vận chuyển (cầu trục có tải trọng nâng lớn nhất 30T). Tổng số
lao động của Nhà máy tính đến thời điểm 31/07/2010 là 538 người. Đây là đội ngũ
cán bộ kỹ thuật, nghiệp vụ có trình độ, kinh nghiệm năng động và đội ngũ công nhân
lành nghề, luôn tiếp thu đổi mới thiết bị, công nghệ để sản xuất ra những sản phẩm
chất lượng tốt.
Nhà máy đã đưa vào áp dụng Hệ thống quản lý chất lượng sản phẩm theo tiêu
chuẩn ISO 9002-94 năm 2000. Năm 2003 đã chuyển sang tiêu chuẩn ISO 9001-2000.

15
1.2. Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Cán thép Lƣu Xá.


CÁN THÉP

PHÒNG
KH- VT
PHÒNG
TC LĐTL

16
Với quy trình công nghệ một lần nung được áp dụng để sản xuất ra thép dây 6,
8 theo sơ đồ sau. Bước 1: Chuẩn bị phôi.
Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất là thép thỏi và thép phôi nhập khẩu từ Nga,
Trung Quốc và nhập từ các đơn vị thành viên.
Bước 2: Nung phôi.
Khi phôi đã được chuẩn bị kiểm tra được đưa vào lò nung. Nung theo chế độ
nung kim loại đối với từng loại mác thép, định ra chế độ nung phù hợp như: chế độ
nung, tốc độ nung và nhiệt độ nung.
Bước 3: cán thép thô, trung.
Cán thép thô dùng động cơ 2000Kw cho thép ra 50 và cán trung dùng 9 giá
cán liên tiếp liên hệ về tốc độ K10 – K19 ra đường kính D32-D12, tiếp sau giá cán
K20 là đầu vào Cán thành phẩm Block. Tuỳ theo yêu cầu của từng loại sản phẩm, tuỳ
theo từng loại phôi liệu để thực hiện điều chỉnh số lần cán trên các lỗ hình của máy
cán, (phải kiểm tra kích thước sản phẩm và điều chỉnh hợp lý để sản phẩm luôn đạt
tiêu chuẩn kỹ thuật).
Bước 4: Cán Thành phẩm _ Cán Block.
Cán Block là khâu rất quan trọng: một khối chi tiết máy gồm 6 bộ trục cán được
dẫn động qua các hộp bánh răng truyền lực do hai động cơ một chiều 600kw nối cứng
trục, nguồn điện áp vào lấy từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam giác của máy biến áp

làm nguội từ 150
0
C đến 200
0
C.
Bước 6: Đóng bó và nhập kho sản phẩm.
Chất lượng sản phẩm sản xuất ra được kiểm tra kỹ, cho ra đóng bó, nhập kho và
đều đạt tiêu chuẩn quy định của TCVN.
1.4. Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại.
Trong dây chuyền Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá thì máy cán Block là khâu quan
trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai động cơ một chiều 600kw cùng thông
số giống nhau, nối cứng trục và chung một tải cán thép qua hệ truyền động bánh răng,
hộp truyền lực. Hai tủ động lực lấy nguồn điện áp từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam
giác của máy biến áp 10B.
Hai động cơ được điều khiển bởi hai bộ điều khiển một chiều phối hợp theo
kiểu Master_ Slave. Bộ điều khiển động cơ chính số 1 xử lý các tín hiệu: phản hồi từ
loopscan phát hiện sức căng trùng của thép; phản hồi tốc độ từ máy phát tốc. Sau đó,
truyền tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện (tạo mô men quay cho hai
động cơ) theo hệ số cố định.
Phat Toc
DC1 DC2
CHINH LUU 1 CHINH LUU 2
I1 I2
MASTER SLAVE
Bo Dieu
Khien 1
Bo Dieu
Khien 2
BLOCK
1 i

TÌM HIỂU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU MRAC
2.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế
mà các hệ điều khiển truyền thống không thoả mãn được. Trong các hệ điều khiển
truyền thống, các xử lý điều khiển thường dùng những mạch phản hồi là chính. Vì
vậy, chất lượng ra của hệ bị thay đổi khi có nhiễu tác động hoặc tham số của hệ thay
đổi. Trong hệ ĐKTN cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi được vì
vậy chất lượng ra của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định.
Điều khiển thích nghi khởi đầu là do nhu cầu về hoàn thiện các hệ thống điều
khiển máy bay. Do đặc điểm của quá trình điều khiển máy bay có nhiều tham số thay
đổi và có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ổn định quỹ đạo bay, tốc độ bay.
Ngay từ năm 1958, trên cơ sở lý thuyết về chuyển động của Boócman, lý thuyết điều
khiển tối ưu… hệ thống điều khiển hiện đại đã ra đời. Ngay sau khi ra đời lý thuyết
này đã được hoàn thiện nhưng chưa được thực thi vì số lượng phép tính quá lớn mà
chưa có khả năng giải quyết được. Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ thông tin, điện tử, máy tính… cho phép giải được những bài toán đó một cách
thuận lợi nên hệ thống ĐKTN được ứng dụng đáng kể vào thực tế.
Hệ ĐKTN có mô hình mẫu MRAC (Model Reference Adaptive Control) đã
được Whitaker đề xuất khi giải quyết vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm
1958. Phương pháp độ nhậy và luật MIT đã được dùng để thiết kế luật thích nghi với
mục đích đánh giá các thông số không biết trước trong sơ đồ MRAC
Thời gian đó việc điều khiển các chuyến bay do còn tồn tại nhiều hạn chế như:
thiếu phương tiện tính toán, xử lý tín hiệu và lý thuyết cũng chưa thật hoàn thiện.
Đồng thời những chuyến bay thí nghiệm bị tai nạn là cho việc nghiên cứu về lý
thuyết điều khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỷ 50 và đầu năm 1960.
Thập kỷ 60 là thời kỳ quan trọng nhất trong việc phát triển các lý thuyết tự

20
động, đặc biệt là lý thuyết ĐKTN. Kỹ thuật không gian trạng thái và lý thuyết ổn định

chỉ ra rằng ý tưởng phản hồi cơ bản giúp tìm ra các thuật toán cho việc chỉnh định
tham số. Ta thấy phát sinh hai câu hỏi : Đầu tiên là có cách nào để tìm ra những tín
hiệu phù hợp mà chỉnh định đúng tham số tại đúng thời điểm thích hợp ; Điều thứ hai
là làm cách nào đảm bảo ổn định cho hệ thống thích nghi mà bản thân nó vốn là phi
tuyến do sự đa dạng có mặt trong hệ thống. Cái nhìn rõ nét trong câu hỏi đầu tiên đạt
được bởi việc xem xét phương pháp mô hình độ nhậy. Trạng thái ổn định có thể được
đảm bảo bằng việc sử dụng lý thuyết ổn định của Liapunov cho việc thiết kế hệ thống
thích nghi.
* Mục đích của việc nghiên cứu
Sau khi hoàn tất những điều vừa lưu ý trên dự kiến ta sẽ biết được:
+ Những tín hiệu phù hợp nào đóng vai trò trong hệ thống thích nghi.
+ Bằng cách nào mà hệ thống thích nghi có thể được thiết kế dựa trên phương
pháp độ nhậy.
+ Bằng cách nào mà hệ thống thích nghi có thể được thiết kế dựa trên phương
pháp (trạng thái ổn định) Liapunov.
* Giới thiệu:
Có một vài cấu trúc mà có thể đưa ra một hệ thống điều khiển có khả năng phản
ứng với sự biến đổi những tham số của bản thân nó hoặc phản ứng với những biến
đổi đặc tính của nhiễu (hệ thống). Một hệ thống phản hồi thông thường mặc dù có
mục đích là giảm nhỏ sự nhạy cảm đối với những loại thay đổi này. Tuy nhiên, khi
những biến đổi thậm chí với cả một hệ thống có phản hồi mà hệ số khuếch đại tốt vẫn
không thỏa mãn. Lúc đó một cấu trúc điều khiển phức tạp hơn được cần đến và tính
chất thích nghi chắc chắn phải được đưa vào (giới thiệu). Một hệ thống thích nghi có
thể được định nghĩa như sau.
“Một hệ thống thích nghi là một hệ thống mà trong bản thân nó đã bổ sung vào
cấu trúc (phản hồi) cơ bản, kết quả đo chính xác được đưa vào để bù lại một cách tự

22
động đối với những thay đổi trong mọi điều kiện hoạt động, với những thay đổi trong
những quá trình động học, hoặc với những biến đổi do nhiễu hệ thống, nhằm để duy

động học. Thông thường, khái niệm điều khiển thích nghi bị hạn chế bởi mỗi loại hệ
thống thích nghi. Không có sự phân biệt rõ giữa điều khiển thích nghi và điều khiển
học. Khái niệm điều khiển học thường được dùng cho nhiều hệ thống phức tạp hơn,
nơi nhiều sự nhớ là phức tạp và có cả những vấn đề không thể được giải quyết bằng
bộ điều khiển tiêu chuẩn, dựa trên hàm truyền, bởi vì chúng cần một dạng khác biểu
diễn sự hiểu biết. Ví dụ giống như cấu trúc hệ thống mạng nơron, những điều ghi chú
trong luận văn này nói về 1 loại điều khiển thích nghi đặc biệt, nó được biết đến là bộ
điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu.
Hệ thống điều khiển thích nghi có thể được phân loại theo một vài cách khác
nhau. Một khả năng tạo ra sự phân biệt giữa chúng là:
Điều khiển thích nghi trực tiếp và điều khiển thích nghi gián tiếp
+ Hệ thống với sự chỉnh định trực tiếp các tham số điều khiển mà không nhận
dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi trực tiếp).
+ Hệ thống với sự điều chỉnh gián tiếp các tham số điều khiển với việc nhận
dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi gián tiếp).
Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu, hầu hết được gọi là MRAC
hay MRAS, chủ yếu áp dụng điều khiển thích nghi trực tiếp. Tuy nhiên, việc áp dụng
MRAS để nhận dạng hệ thống cũng sẽ được minh hoạ ở nhiên cứu này.
Triết lý cơ bản đằng sau việc áp dụng MRAC đó là đặc trưng mong muốn của
hệ thống được đưa ra bởi một mô hình toán học, hay còn gọi là mô hình mẫu. Khi
hành vi của đối tượng khác với hành vi “lý tưởng” mà hành vi này được xác định bởi
mô hình mẫu, đối tượng sẽ được sửa đổi theo 2 cách, hoặc bằng cách chỉnh định các
thông số của bộ điều khiển (Hình 2.1a), hoặc bằng cách tạo ra tín hiệu bổ xung đầu
vào cho đối tượng này (Hình 2.1b). Điều này có thể được chuyển thành bài toán tối
ưu hoá, ví dụ tối thiểu hoá các tiêu chuẩn:

T
2
0
C = e dt

(2.4)
Trong đó P là một ma trận xác định dương. Đối tượng
Bộ điều khiển
Thích nghi
Mô hình mẫu
Bộ điều khiển
u
+
-
y
+
-
Hình 2.1a: Hệ thích nghi tham số
Đối tượng
Bộ điều khiển

thông số liên tục thay đổi trong một phạm vi rộng, sự có mặt của tính chất nhớ là rất
có lợi. Tuy nhiên, trong một môi trường ngẫu nhiên, ví dụ như trong các hệ thống với
rất nhiều nhiễu, điều này lại là bất lợi. Hệ số cao trong vòng thích nghi có thể gây
nhiễu đưa tới đầu vào của đối tượng.
Khi các tham số của đối tượng thay đổi chậm hoặc chỉ thời gian ngắn ngay sau
đó và ngay lúc đó, những hệ thống với sự thích nghi tham số đưa ra một cách thực
hiện tốt hơn vì chúng có nhớ. Cũng có một vài thuật toán thích nghi mà kết hợp
những ưu điểm của cả hai phương pháp trên. Trong những lưu ý sau chủ yếu sẽ được
tập trung vào các hệ thống thích nghi tham số, mặc dù vậy việc kết hợp giữa thích
nghi tham số và thích nghi tín hiệu cũng sẽ được bàn đến.
Một cách khác để xem xét hệ thống như sau. Các vòng điều khiển phản hồi tiêu
chuẩn được xem như là một hệ thống điều khiển sơ cấp phản ứng nhanh, chính xác
mà nó buộc phải loại ra nhiễu “thông thường”. Những biến thiên lớn trong các tham