- i -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
PHẠM MINH KHÁNH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - 2014
- ii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Minh Khánh
Sinh ngày : 04 tháng 10 năm 1986
Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 08 năm 2014
Tác giả luận văn
Phạm Minh Khánh - iv -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu MỤC LUC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
MỞ ĐẦU viii
MỞ ĐẦU viii
1. Lý do chọn đề tài viii
2. Mục tiêu nghiên cứu viii
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU ĐÃ CÓ - 1 -
1.1. Điều khiển tối ƣu động cơ một chiều - 1 -
1.1.1. Khái niệm - 1 -
1.1.2. Điều kiện thành lập bài toán tối ƣu - 4 -
1.2. Điều khiển PID động cơ một chiều - 8 -
1.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID - 8 -
1.2.2. Một số phƣơng pháp xác định tham sốbộ điều khiển PID - 11 -
1.3. Kết luận chƣơng 1 - 16 -
CHƢƠNG II. MÔ TẢ TOẢN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHI CÁC
THÔNG SỐ THAY ĐỔI - 17 -

4.2.2. Cấu trúc thực nghiệm - 46 -
4.2.3. Kết quả thực nghiệm - 49 -
4.2.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm - 58 -
4.3. Kết luận chƣơng 4 - 58 -
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 59 -
1. Kết luận - 59 -
2. Kiến nghị - 60 -
- vi -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển - 1 -
Hình 1. 2. Tối ưu cục bộ và tối ưu toàn cục. - 2 -
Hình 1. 3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. - 5 -
Hình 1. 4. Cấu trúc bộ điều khiển PID - 9 -
Hình 1. 5. Điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID - 10 -
Hình 1. 6. Đáp ứng quá độ của hệ hở - 12 -
Hình 1. 7. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn - 13 -
Hình 1. 8. Đáp ứng quá độ hệ kín khi k = k
th
- 13 -
Hình 1. 9. Đáp ứng quá độ hệ phù hợp phương pháp Chien-Hrones-Reswick - 14 -
Hình 2. 1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều - 20 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cho đến nay động cơ điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong ngành
công nghiệp cũng nhƣ trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ điện một chiều
đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp cơ khí, ở các nhà máy
cán thép, nhà máy xi măng, tàu điện ngầm và các cánh tay Robot. Để thực hiện
các nhiệm vụ trong công nghiệp điện tử với độ chính xác cao, lắp ráp trong các
dây chuyển sản xuất, yêu cầu có bộ điều khiển tốc độ
Đối với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển. do cấu trúc đơn giản và
bền vững nên các bộ điều khiển PID ( tỉ lệ, tích p hân, đạo hàm ) đƣợc dùng phổ
biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Tuy nhiên các hệ thống này đƣợc thiết
kế dựa trên việc giả thiết các thông số của động cơ là không đổi, nhƣng trên thực
tế trong quá trình làm việc các thông số của động cơ hoàn toàn có thể bị thay đổi
(R của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo tải…)
khi đó bộ điều khiển PID sẽ làm việc không đúng theo thiết kế dẫn đến hệ thống
điều khiển không đảm bảo chất lƣợng yêu cầu
Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên. Tôi xây dựng đề tài luận văn tốt nghiệp
“ Thiết kế bộ điều khiển bền vững tốc độ động cơ một chiều “
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ điều
khiển tự động. Tuy nhiên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau,
với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần tiền hành nghiên
cứu, tìm ra phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể cho từng đối tƣợng. Mục đích cuối
- ix -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
máy điện thay đổi theo nhiệt độ làm việc, do đó hằng số thời gian của mạch
phần ứng Tu = Lu/Ru cũng thay đổi theo quá trình làm việc. Với mạch kích từ,
từ thông Ф có thể bị thay đổi dẫn đến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay đổi.
Khi xét đến tải của các hệ truyền động thì momen quán tính của tải thƣờng bị
thay đổi, làm cho momen quán tính của hệ qui đổi về trục của động cơ bị thay
đổi
Nếu bằng các phƣơng pháp điều khiển kinh điển thì chúng ta gặp nhiều
khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ điều khiển đạt đƣợc chất lƣợng cao.
Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng một phƣơng pháp điều khiển mới để
điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều đang là hƣớng đƣợc rất nhiều ngƣời
quan tâm và là hƣớng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng nhƣ có nhiều giá trị
ứng dụng thực tiễn
Với các lý do trên tác giả chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ
điều khiển bền vững tốc độg động cơ điện một chiều khi các thông số của động
cơ thay đổi làm đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt đƣợc đáp ứng ngõ ra và
các đặc tính của hệ thống điều khiển thỏa mãn các yêu cầu đề ra - 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ĐÃ CÓ
1.1. Điều khiển tối ƣu động cơ một chiều
1.1.1. Khái niệm
Một hệ điều khiển đƣợc thiết kế ở chế độ làm việc tốt nhất là hệ luôn ở
trạng thái tối ƣu theo một tiêu chuẩn chất lƣợng nào đó ( đạt đƣợc giá trị cực trị
). Trạng thái tối ƣu có đạt đƣợc hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất lƣợng đặt
ra, vào sự hiểu biết về đối tƣợng và các tác động lên đối tƣợng, vào điều kiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Khi tín hiệu điều khiển u giới hạn trong miền [u1,u2], ta có đƣợc giá trị
tối ƣu cực đại
1
J
của chỉ tiêu chất lƣợng J ứng với tín hiệu điều khiển
1
u
.
Khi tín hiệu điều khiển u không bị ràng buộc bởi điều kiện
12
u u u
, ta
có đƣợc giá trị tối ƣu
21
JJ
ứng với
2
u
. Nhƣ vậy giá trị tối ƣu thực sự bây giờ
là
2
J
.
Tổng quát hơn, khi ta xét bài toán trong một miền
,
mn
uu

điểm cực trị là cực tiểu

0
2
2
u
J
điểm cực trị là cực đại
- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 1.1.2. Điều kiện thành lập bài toán tối ưu
Để thành lập bài toán tối ƣu thì yêu cầu đầu tiên là hệ thống phải có đặc
tính phi tuyến có cực trị.
Bƣớc quan trọng trong việc thành lập một hệ tối ƣu là xác định chỉ tiêu
chất lƣợng J. Nhiệm vụ cơ bản ở đây là bảo đảm cực trị của chỉ tiêu chất lƣợng
J. Ví dụ nhƣ khi xây dựng hệ tối ƣu tác động nhanh thì yêu cầu đối với hệ là
nhanh chóng chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác với thời gian quá độ
nhỏ nhất, nghĩa là cực tiểu hóa thời gian quá độ. Hay khi tính toán động cơ tên
lửa thì chỉ tiêu chất lƣợng là vƣợt đƣợc khoảng cách lớn nhất với lƣợng nhiên
liệu đã cho.
Chỉ tiêu chất lƣợng J phụ thuộc vào tín hiệu ra x(t), tín hiệu điều khiển
u(t) và thời gian t. Bài toán điều khiển tối ƣu là xác định tín hiệu điều khiển u(t)
làm cho chỉ tiêu chất lƣợng J đạt cực trị với những điều kiện hạn chế nhất định
của u và x.
Chỉ tiêu chất lƣợng J thƣờng có dạng sau :

0
[ ( ), ( ), ]

; Mq là moment quán tính ; là tốc độ góc ;
là góc quay. Giả sử bỏ qua phụ tải trên trục động cơ (
0
c
M
) thì :

2
2
M u q
d
k i M
dt
(1.5)
Nếu xét theo thời gian tƣơng đối bằng cách đặt
/
Mq
t k M
thì (1.5) có
dạng :
- 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
2
2
u
d
i

Nhƣ vậy, đối với bài toán tối ƣu tác động nhanh thì chỉ tiêu chất lƣợng J
có dạng:

T
TdtJ
0
1
(1.9)
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Bài toán năng suất tối ƣu
Năng suất ở đây đƣợc xác định bởi góc quay lớn nhất của động cơ trong
thời gian T nhất định. Khi đó chỉ tiêu chất lƣợng J có dạng :

0
00
[ ( ), ( ), ] ( )
TT
T
J L x t u t t dt t dt

(1.20)
Do đó
[ ( ), ( ), ] ( ) ( )L x t u t t t x t


và ta sẽ có chỉ tiêu chất lƣợng J đối với bài
toán năng suất tối ƣu nhƣ sau :

Ta tính đƣợc :

2
0
00
()
TT
ec
u u T u u
M
kM
Q U i dt R i dt
k
(1.25)
Để có đƣợc tiêu hao năng lƣợng tối thiểu, ta chỉ cần tìm cực tiểu của J :

2
00
[ ( ), ( ), ]
TT
u
J L x t u t t dt i dt
(1.26)
Mà dòng điện phần ứng i
u
ở đây chính là tín hiệu điều khiển u. Vì vậy chỉ
tiêu chất lƣợng J đối với bài toán năng lƣợng tối thiểu có dạng :

2
0

D
(t), phản
ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.
- 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Hình 1. 5. Điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID
Mô tả toán học bộ điều khiển PID bằng mô hình toán học:
(1.28)
Trong đó:
e(t)– tín hiệu đầu vào;
u(t)– tín hiệu đầu ra;
k
p
– hệ số khuếch đại;
T
I
- hằng số tích phân;
T
D
- hằng số vi phân.
Hàm truyền bộ điều khiển PID có dạng
(1.29)
- 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Có nhiều phƣơng pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:
Hình 1. 7. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
- Thay bộ điều khiển PID trong hệkín bằng bộkhuếch đại (hình 2.4).
- Tăng hệsốkhuếch đại tới giá trịtới hạn kích thƣớc

để hệ kín ở chế độ biên
giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa.
- Xác định chu kỳ T
th
của dao động.

Hình 1. 8. Đáp ứng quá độ hệ kín khi k = k
th

Thông số của các bộ điều khiển đƣợc chọn theo bảng sau:
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
1.2.2.2. Phƣơng pháp Chien-Hrones-Reswick
Phƣơng pháp này cũng áp dụng cho các đối tƣợng có đáp ứng đối với tín
hiệu vào là hàm nấc có dạng chữS (hình 2.6) nhƣng có thêm điều kiện:
(b/a) > 3

Hình 1. 9. Đáp ứng quá độ hệ phù hợp phương pháp Chien-Hrones-Reswick
Phƣơng pháp Chien-Hrones-Reswick đƣa ra bốn cách xác định tham số
bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lƣợng khác nhau:
- Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh