Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN ĐÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NỐI
CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa
Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Văn Đào.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và
một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập để hoàn thành luận văn này.
Công ty cổ phần tự động hóa Hoàng Liên đã tạo điều kiện cơ sở vật chất
và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì
vậy, tôi mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các
bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2014
Học viên Nguyễn Văn Đào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN I
LỜI CẢM ƠN III
MỤC LỤC IV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII
LỜI NÓI ĐẦU X
CHƢƠNG 1: BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI
CỨNG TRỤC. 1


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt
LFFC
Learning Feed Forward Control

MRAS
Model Reference Adaptive
System
Hệ thống thích nghi theo
mô hình mẫu
PID
Proportional - Integral -
Derivative
Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm
STR
Self Tuning Regulator
Bộ điều khiển tự chỉnh
FEL
Learning Feedback Error
Điều khiển học sai lệch
phản hồi
ILC
Interative learning control
Điều khiển học theo quá

Hình 1-3: Hai động cơ có phần ứng và kích từ nối tiếp nhau. 3
Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ. 5
Hình 1-5: Giải pháp truyền thống. 6
Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. 7
Hình 1-7: Mô hình hệ thống. 9
Hình 1-8: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 10
Hình 1-9: Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập. 12
Hình 1-10: Mô hình 02 động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải 13
Hình 2-1: Hệ thích nghi tham số. 2-16
Hình 2-2: Hệ thích nghi tín hiệu. 2-17
Hình 2-3: Điều khiển thích nghi trực tiếp 2-18
Hình 2-4: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu 2-21
Hình 2-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. 2-22
Hình 2-6: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng khi thay đổi tham số bp. 2-23
Hình 2-7: Sai lệch giữa hai đáp ứng ra (e) khi thay đổi tham số bp. 2-23
Hình 2-8: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb. 2-24
Hình 2-9: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng điều khiển và mô hình mẫu theo luật
MIT. 2-24
Hình 2-10: Sai lệch đầu ra của đối tƣợng và mô hình mẫu. 2-25
Hình 2-11: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT. 2-25
Hình 2-12: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb. 2-27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 2-13: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tƣợng và mô hình mẫu. .2-
27
Hình 2-14: Các hệ số Ka và Kb. 2-28
Hình 2-15: Khi thay đổi hệ số thích nghi. 2-28
Hình 2-16: Hệ thống thích nghi thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Lyapunov. .2-
36

Hình 4-3: Tiến hành thực nghiệm. 67
Hình 4-10: Điện áp đồng bộ và điện áp răng cƣa. 68
Hình 4-11: Điện áp điều khiển và điện áp răng cƣa 68
Hình 4-12: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu so sánh. 69
Hình 4-13: Điện áp răng cƣa và đầu ra khâu sửa xung. 69
Hình 4-14: Xung chùm. 70
Hình 4-15: Nhân xung chùm. 70
Hình 4-15: Xung cấp cho Thyristor. 71
Hình 4-17: Đáp ứng tốc độ của động cơ. 71
Hình 4-17: Dòng điện 2 động cơ. 72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay,
việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển,
từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, điều khiển đèn giao thông ở một ngã
tƣ cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong nhà máy, xí nghiệp đƣợc đặc
biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ
thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng
hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ
thuật phải có trình độ ngày càng cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công
nghệ mới tốt. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang đƣợc sử dụng lại
yêu cầu ngƣời cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ
cho các hệ thống đó.
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu của tải gặp
nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với
nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ
nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng tự nhƣ đã đặt vấn

Chương 2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu - Model
Reference Adaptive Systems – MRAS.
Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình
mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp đƣợc giới thiệu trong chƣơng này.
Lý thuyết ổn định Lyapunov đƣợc áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông
số của đổi tƣợng điều theo thông số của mô hình mẫu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chương 3: Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển.
Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS đƣợc
trình bày ở Chƣơng 2 cho việc thiết kế hệ thống điều khiển nhƣ đã đề xuất tại
Chƣơng 1. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ
bên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện của động cơ thứ nhất đƣợc tính toán trƣớc với các thông số bộ điều khiển là
cố định. Dòng phần ứng của động cơ thứ nhất đƣợc xem là dòng điện mẫu. Bộ
điều khiển PID thích nghi mạch vòng dòng điện động cơ thứ 2 sau đó đƣợc thiết
kế dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov theo đó dòng điện phần ứng động cơ thứ
2 luôn bám sát dòng điện mẫu – dòng phần ứng động cơ 1. Kết quả thiết kế, tính
toán đƣợc đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Chương 4: Thực nghiệm.
Dựa trên các kết quả đạt đƣợc ở Chƣơng 3, tác giả đi tiến hành xây dựng
mạch điện tử thực hiện chức năng của hệ thống điều khiển và triển khai trên thiết
bị thực. Kết quả chạy thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của thuật toán
điều khiển đề xuất.

Thái Nguyên, ngày tháng .năm 2014
Học viên

nhiều khó khăn. Có thể là rất khó hoặc rất đắt để thiết kế, chế tạo các động cơ
công suất lớn. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử
dụng cũng nhƣ việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu
tố trọng lƣợng và kích thƣớc. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với
việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lƣu có điều khiển đối với động
cơ một chiều, bộ nghịch lƣu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tƣơng
tự nhƣ đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể
khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi công
suất lớn tƣơng xứng.
Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ.

Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ
công suất lớn đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 hay
nhiều hơn 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay
thế, các động cơ đƣợc chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định
mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục (Hình 1-2).

Tải

Động cơ 2
Động cơ 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Ƣu điểm: tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng nhƣ bộ
biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ
dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây

yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở
đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong
thực tế.
Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải
dùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
nếu không có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự
đóng góp công suất nhƣ nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu
02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái
nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải;
Trƣờng hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả
động cơ còn lại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ.

Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch
vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép
bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng
dòng điện (Hình 1-5). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ đƣợc hiệu chỉnh
bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện
một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng đƣợc yêu cầu của sản xuất. Tuy
nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận
hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tƣơng đối lớn về
dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với
quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ
điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhƣợc

Động cơ 1
Máy phát tốc
U
C
U
B
U
A
U
C
U
B
U
A
(+)

(-)

I
2
I
1
Động cơ 2
BĐK Dòng
Điện 1

(+)

(-)


U
C
U
B
U
A
I
2
I
1
Luật TN
SVF2
BĐK
Tốc Độ
BĐK
Dòng Điện
2
controlle



(-)

βI
2
βI
2
2
I


vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai
mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung
cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng
điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với
thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ
điều khiển dòng của động cơ thứ hai đƣợc hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng
điện giữa 02 động cơ (Hình 1-6). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của
động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế dựa trên mô hình mẫu
đƣợc tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của
động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ
nhất đƣợc xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với
sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau –
điều mà chúng ta mong đợi.

1.2 Mô hình hệ thống.
1.2.1 Giới thiệu:
Nhằm mục đích kiểm tra khả năng của bộ điều khiển đề xuất trƣớc khi đƣa
vào ứng dụng trong thực tế sản xuất, một mô hình của hệ thống hai động cơ một
chiều nối cứng trục, chung tải đã đƣợc xây dựng tại Phòng Thí Nghiệm Điện –
Điện tử thuộc Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái
Nguyên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1-7: Mô hình hệ thống.



u
i
: dòng điện mạch phần ứng động cơ (A).

u
e
: suất điện động phần ứng (V).

u
R
: điện trở mạch phần ứng (

).

u
L
: điện cảm mạch phần ứng (H).
Khi từ thông động cơ không đổi thì suất điện động phần ứng:

uu
eC


(1.2)
Trong đó:

u
C
: hằng số động cơ.


dt c
d
M M J
dt


(1.3)
Trong đó:
c
M
: moment cản của tải (N.m).
J
: mô men quán tính của hệ qui về trục động cơ (
2
kgm
).
dt u a
M C i
: moment điện từ của động cơ (N.m).

Từ các phƣơng trình (1.1) - (1.3) ta có mô tả của động cơ một chiều dƣới
dạng không gian trạng thái nhƣ sau:

1
1
u
ac
a u u
au

u u u
C
M
JJ
d
CR
i i U
dt
L L L

   

   
     
   

     
   
     

   
   
(1.5)
Hay:

x Ax Bu
y Cx




10
u
uu
u
uu
C
JJ
AB
CR
L
LL
C
















(1.6)


1
J

1
s

u
C

1
uu
R L s

u
CSố hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ u
u u u u u
u
u u u u u
di
e R i L
dt
di
e R i L
dt


2 2 2
M C i
: moment điện tử của động cơ 2 (N.m).

J
: moment quán tính của hệ thống qui về trục động cơ (
2
kgm
).
Từ đó ta có mô hình của hệ hai động cơ 1 chiều nối cứng trục, chung tải nhƣ sau:

1.3 Tham số hệ thống.
Động cơ sử dụng trong mô hình có thông số:
2.2kWP
;
220
dm
VU
;
12
dm
AI
;
1430 /
dm
vpn
;
0.85
