1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ TÂM
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ
NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN
CHIẾU (BACKSTEPPING)
Chuyên ngành: Tự Động Hóa

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TH I NGUYÊN - 2011Á
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
Phản biện 1 : TS. Phạm Hữu Đức Dục
Phản biện 2 : TS. Nguyễn Duy Cương
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 9h giờ 00 phút ngày 25 tháng 10 năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Việc sử dụng tối ưu và hiệu quả năng lượng trong các hệ thống sản xuất công
nghiệp đang là vấn đề được thế giới quan tâm. Trong đó vấn đề làm thế nào để nâng
cao hiệu suất năng lượng trong các hệ truyền động sử dụng động cơ điện trở nên
quan trọng hơn bao giờ hết. Với mục đích bảo tồn năng lượng trong các hệ truyền
động, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những
đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm

này để tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm
cho mômen quay tốt hơn, từ đó cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển. Sau đó
được kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống điều khiển động cơ
đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng mô phỏng Matlab-Simulink Plecs.
Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho động
cơ động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống.
Chương 3: Áp dụng phương điều khiển Backstepping cho hệ thống.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Nguyễn
Như Hiển người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin chân thành cám ơn thầy Đặng Danh Hoằng và các thầy cô ở Khoa
Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
4
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện
Nguyễn Thị Tâm
5
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP
DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:

w
u
~
u
~
R
-
Hình 1.2: n nh h phi tuy nỔ đị ệ ế
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
1.1.3. Phương pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc
Bản chất của tuyến tính hoá xấp xỉ mô hình hệ thống xung quanh điểm làm
việc
v
x
đó là thay đổi một đoạn đường cong
)u,x(f
trong lân cận điểm
v
x
bằng
một đoạn thẳng tiếp xúc với đường cong đó tại điểm
v
x
1.1.4. Điều khiển tuyến tính hình thức
1.1.5. Điều khiển bù phi tuyến
1.1.6. Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động (PBC)
Điều khiển tựa theo thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển
mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ
kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn. Nguyên lý
PBC được xem như là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm năng lượng (Energy

dt
xd
u
==
=
(1.9)
với một điểm cân bằng là gốc toạ độ
0
được gọi là:
• Ổn định Lyapunov tại điểm cân bằng
0

• Ổn định tiệm cận Lyapunov tại điểm cân bằng
0

Thuật toán thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm điều khiển Lyapunov
Bây giờ chúng ta thêm đầu vào điều khiển và xét hệ thống:

),( uxfx =

(1.11)
Nhiệm vụ của bài toán điều khiển được đặt ra trong luận văn này là thiết kế bộ điều
khiển phản hồi trạng thái
)(xu
α
=
để cho trạng thái mong muốn của hệ kín
))(,( xxfx
α
=

V
VL
dt
xdV
f
α
Một hàm xác định dương, khả vi
)(xV
thỏa mãn điều kiện trên được gọi là hàm
điều khiển Lyapunov (CLF). Như vậy bất cứ một hàm xác định dương, trơn nào
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
3
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
cũng có thể là hàm CLF của hệ (1.11) nếu như tồn tại ít nhất một quan hệ
)(xu
α
=

sao cho:

00),(
)(
infinf
≠<







cos

Có thể biểu diễn (1.12) ở dạng sơ đồ khối như sau:
Ta thấy bản chất của phương pháp là dựa trên hàm điều khiển Lyapunov và kỹ thuật
Backstepping để thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái nhằm làm ổn định hệ
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
x
u
Cos(x
)
.
x
3
x
∫
3
(.)−
ξ
+
+
+
Cos(.)
Hình 1.7: Sơ đồ khối cho hệ (1.12)
∫
4
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
thống, mà chưa quan tâm tới chất lượng tĩnh và động của hệ thống. Do đó khi áp
dụng PĐSG, ta phải thực hiện:
• Quan tâm tới chất lượng tĩnh thông qua biện pháp khử sai lệch tĩnh
• Quan tâm tới chất lượng động thông qua tổng hợp bộ điều khiển thích nghi

sd
sq
sd
s
sq
sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd
L
u
L
i
T
i
L
L
dt
di
u
L
i
L
L
i
Tdt

P
: Từ thông cực (vĩnh cửu).
+
s
sd
sd
R
L
T
=
: Hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực.
+
s
sq
sq
R
L
T
=
: Hằng số thời gian Stator tại vị trí đỉnh cực.
Phương trình mô men của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:
( )
[ ]
sqsdsqsdsqppsdsqsqsdpM
LLiiiziizm
−+=−=
ψψψ
2
3
)(

s
là tần số nguồn cung cấp xoay chiều cho mạch Stato (mạch phần ứng).
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
X
X
X
sd
sd
s
T
T
+
1
sq
sd
L
L
s
J
z
p
s
q
L
1
sd
sq
L
L
sq

s
u
α
s
u
s
d
u
s
q
u
s
q
i
s
ω
u
j
e
ϑ
−
s
ω
s
d
i
p
ψ
sqsd
LL −

và xi măng bột đã làm tăng mức độ đồng nhất nguyên phối liệu bán thành phẩm và
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
7
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
sản phẩm; làm cho sản xuất ổn định hơn, sản phẩm xuất xưởng có chất lượng tốt
hơn và đều hơn phương án thủ công.
• Việc sử dụng các máy nghiền phối liệu, xi măng công suất lớn chu trình
kín (có máy phân ly) nên một số phối liệu và xi măng được tốt hơn, không lẫn hạt
thô nên cho chất lượng sản phẩm cao.
*. Nhược điểm:
Vốn đầu tư tương đối lớn, không thuận lợi đối với các đơn vị có quy mô hoạt
động nhỏ đóng tại các địa phương còn gặp nhiều khó khăn trong phát triển kinh tế.
2.1.1.3 Các phương án lò quay
Là những phương án hiện đại yêu cầu đầu tư lớn, sản xuất tập trung. Các
phương án này chất lượng và sản lượng xi măng là cao nhất, tuy nhiên các phương
án này chỉ phù hợp với các công ty thuộc sở hữu nhà nước có vốn đầu tư lớn, thị
trường rộng.
2.1.2 Nguyên liệu và nhiên liệu để sản xuất xi măng
2.1.2.1 Nguyên liệu để sản xuất xi măng
Thành phần hoá học chủ yếu của phối liệu gồm bốn oxit chính: CaO chủ yếu do đá
vôi cung cấp ; SiO
2
, Al
2
O
3
, Fe
2
O
3

2.2.1 Chế tạo phối liệu
2.2.1.1 Chế biến sơ bộ và đồng nhất nguyên liệu
2.2.1.2 Cân định lượng
Nguyên liệu được chế biến sơ bộ sau đó đưa tới các Silô chứa, chuẩn bị cho công
đoạn cân
Vì vậy yêu cầu cho băng tải vận chuyển là :
• Điều chỉnh và ổn định tốc độ với yêu cầu không cao.
• Có thể đảo chiều quay.
• Khởi động có tải và làm việc liên tục.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
9
Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng lò đứng cơ giới hoá
của một nhà máy xi măng
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
2.2.1.3 Nghiền bi
2.2.1.4 Trộn ẩm và vê viên
2.2.2 Nung clinker
Khi nung clinker trong lò nung thì có thể chia thành các quá trình sau :
• Quá trình sấy khô và nung nóng nhiệt : tăng từ 25
0
÷ 30
o
C quá trình này được
thực hiện ở vùng sấy nhờ dòng khí nóng từ dưới vùng nung đi lên.
• Quá trình phân huỷ các cấu tạo nguyên tử của các nguyên liệu, khi nung nóng
các cấu trúc Cacbonat bị phân huỷ thành Ôxít kim loại và CO
2
. Khi liệu đạt 300
0
÷

o
C thì clinker chuyển sang giai đoạn kết tinh pha
lỏng nhờ giảm nhiệt độ. Trong quá trình này nhiệt độ giảm càng nhanh càng tốt
(nhiệt độ giảm từ 1450
0
C xuống 1200
o
C).
• Làm nguội clinker trong vùng làm nguội nhiệt độ giảm từ 1200
o
C xuống 150
o
C ở
quá trình này xảy ra sự biến đổi thù hình của clinker qua nhiều giai đoạn.
2.2.3 Nghiền xi măng
Đây là giai đoạn công nghệ cuối cùng trong sản xuất xi măng, xi măng phải
được nghiền tới độ mịn cao và đảm bảo thành phần cỡ hạt, để nghiền xi măng người
ta dùng hệ thống máy nghiền bi nhiều ngăn theo chu trình kín có hệ thống phân ly
trung gian thu hồi sản phẩm nghiền mịn, tránh hiện tượng bột mịn làm giảm khả
năng nghiền của bi đạn.
2.3 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
ĐƯỢC DÙNG TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
10
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
Trong dây chuyền sản xuất của hầu hết các nhà máy xi măng đều trang bị các hệ
thống tự động làm việc liên tục, chính xác và ổn định đạt năng suất cao như:
• Hệ thống cân băng định lượng
• Hệ thống tự động đo mức clinker
• Hệ thống lọc bụi tĩnh điện

Đối trọng (2)
Đầu đo khối lượng
(5)
Động cơ (7)
Lò xo căng băng
(4)
Bộ truyền đai (3)
Tang chủ động (6)
12
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
2.4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH
LƯỢNG DÙNG ĐỘNG CƠ ĐB KTNCVC VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN
2.4.1 Sơ đồ khối và nguyên lí điều khiển
2.4.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng dùng động cơ ĐB
KTNCVC với bộ điều khiển phi tuyến
CHƯƠNG 3
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
BACKSTEPPING CHO HỆ THỐNG
Như đã chỉ ra ở chương trước, chương này đi vào áp dụng cụ thể phương pháp điều
khiển Backstepping để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống cân băng định
lượng sử dụng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
3.1. ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ ĐBKTVC
3.1.1 Cấu trúc điều khiển
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
13
Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng
Mô hình
điện động cơ
c

cửu gồm: Tổng hợp bộ điều khiển thành phần i
rd
và i
rq
trên miền liên tục.
- Kiểm tra chất lượng của bộ điều khiển thông qua mô phỏng bằng Matlab - Simulink.
3.1.2 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển
3.1.2.1 Phát biểu bài toán
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có mô hình được mô tả bởi các phương
trình (1.38) - (1.39), với các vector trạng thái [i
s
T
,ϑ,ω]
T
, điện áp cung cấp cho hệ
thống cuộn dây stator là vector điện áp u. Tốc độ đầu ra được điều khiển là ω. Thiết
kế một bộ điều khiển backstepping (BPC) sao cho tốc độ và từ thông rotor thoả mãn:
0||lim
*
=−
∞→
ωω
t
tất cả các trạng thái trong bị giới hạn.
3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng
3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
14
Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng
Mô hình

15
Q
đặt
Đầu đo
khối lượng
÷
Quy đổi
u
sb
t
r
t
t
t
s
e
-jϑs
3
2
u
sd
u
sq
u
sa
i
sa
i
sb
i

sq
*
-
6
v s
5
O m e g a S
4
i sd
3
i sq
2
T o c d o n
1
O m eg a
2
0 .0 0 0 4 s
z c/sJ
0 .1 0 8
tu th o n g
0 .0 4
0 .0 4 s+ 1
T sq /(1 + sT sq )
0 .0 1 5 3
0 .0 1 5 3 s+ 1
T sd / (1 + sT sd )
-K -
T r2
1
s

In 2
1
In 1
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa

3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TỪ
THÔNG ROTOR
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cơ bản thành phần i
sd
Từ hệ phương trình mô tả quá trình động học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh
cửu (chương 1):
1 1
1 1
sq
sd
sd s sq sd
sd sd sd
sq p
sd
s sd sq sq s
sq sq sq sq
L
di
i i u
dt T L L
di
L
i i u
dt L T L L


sqsdsqsdsqppsdsqsqsdpM
LLiiiziizm
−+=−=
ψψψ
2
3
)(
2
3
(3.8)
Vậy ta được bộ điều khiển dòng i
sd
như sau:

1
1
1
*
sd
sd sd sq
a b di K
u i i . z
c c c dt c
= − − + −
(3.13)
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping cơ bản thành phần i
sq
Ta được bộ điều khiển dòng i
sq
như sau:




=


(3.25)
Trong đó:
1 sd sq sd
w ai bi cu
= + +
(3.26a)
2 sd sq sq p
w a' i b' i c' u d
= + + + ψ
(3.26b)
Bước 2: Từ các phương trình (3.25), áp dụng thủ tục thiết kế Backstepping để
xây dựng bộ điều khiển:
3.2.4. Thiết kế bộ điều khiển i
sd
3.2.5. Thiết kế bộ điều khiển i
sq
3.2.6. Thiết kế bộ điều khiển i
sd
và i
sq
có đưa thêm khâu tích phân
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
17
W'p

Subsystem2
Out1
Out2
Subsystem
Step
So sanh toc do
So sanh Q
Qtt
Product
40
He so quy doi toc do
40
Gai n2
Divide1
Divide
Clock
1
0.002s+1
Bo loc1
isd*
Isd
Isq*
isq
omega
W*p
Usd
Usq
Vs
Bo dieu khien dong
3

10 00
K1 2
20 00
K1 1
1
s
Integrator
6
W*p
5
om e ga
4
isq
3
Isq*
2
Isd
1
isd*
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
4.1. SƠ ĐỒ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG MÔ HÌNH MATLAB- SIMULINK
4.1.1 Sơ đồ của bộ điều khiển BPC trong mô hình Matlab-Simulink
4.1.1.1 Khối bộ điều khiển dòng
4.1.1.2 Các khâu tính toán giá trị đặt
GVHD: PGS.TS Nguyễn Như Hiển HV: Nguyễn Thị Tâm
18
1
Isd*

6
Gain3
-K-
Gain2
du/dt
Derivative1
3
Mt
2
w
1
w*
Omega dat
1
Out1
Q dat
Out1
Loadcell
Divide
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật   Chuyên ngành: Tự động hóa
* Khâu tính toán giá trị dòng đặt
*
sd
i
* Khâu tính toán giá trị dòng đặt
*
sq
i
* Điều khiển tốc độ và tính toán mô men
*. Khâu tính toán vận tốc đặt

sản lượng đặt Q = 100 kg/ms và khối lượng m nhảy bậc từ 2kg/m
2
lên 3kg/m
2

Hình 4.2: Tốc độ đặt và tốc độ của động cơ khi hệ thống hoạt động với
sản lượng đặt Q = 100 kg/ms và khối lượng không đổi