ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÔN THẤT ĐỒNG
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO
QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số : 605260
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2010
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : TS. Trần Xuân Minh
Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Doãn Phước
Phản biện 2 : TS. Bùi Chính Minh
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 10 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.
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.
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dây
điện, bao bì… được xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này
đó là các băng cuộn thép, cuộn vải, cuộn giấy, cuộn nilon tổng hợp Trong các dây
chuyền sản xuất của các nhà máy đó luôn có khâu thực hiện tháo-quấn lại vật liệu.
Được sự đồng ý và dẫn dắt của cán bộ hướng dẫn khoa học, tác giả đã lựa
chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu
sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”.
Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hướng dẫn

cơ điện một chiều kích từ độc lập; Nghiên cứu lý thuyết điều khiển truyền động
điện hiện đại động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ đó xây dựng bộ điều khiển
tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có mô men cản và mô men quán tính
tải biến đổi phi tuyến.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điện
một chiều kích từ độc lập.
- Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ
độc lập sao cho tốc độ chuyển động và lực căng của dải băng vật liệu giữ ổn định.
- Mô hình hoá mô phỏng và đánh giá hệ thống trên phần mềm Matlab.
6. Phương pháp nghiên cứu:
7. Nội dung nghiên cứu:
Chương 1: Tổng quan về truyền động tháo-quấn băng vật liệu.
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền động điện tháo-quấn băng vật liệu
dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Chương 3: Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển động cơ điện một chiều kích từ
độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu.

HV: Tôn Thất Đồng - 1 -
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT
LIỆU
1.1. Giới thiệu chung
Mô tả một hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình:
Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình
1.2. Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu
1.2.1. Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy)
Trên hình 1.2 thể hiện cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy.
1.2.2. Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần:

M
M
u
u
M
M
u
u
Driver Mu
Driver Mu
Driver Mu
Driver Mu
Load cell
Load cell
Encoder
Encoder
M
M
u
u
Encoder
Encoder
M
M
r
rTension
Tension

M
M
r
r
Process web
Process web
Unwinder
Unwinder
Rewinder
RewinderNip roller
Load cell
Load cell
1
1
Load cell
Load cell
2
2
Hình 1.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật
liệu
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
được biểu diễn qua các sơ đồ ở hình 1.13 thể hiện tính phi tuyến do các biến đổi
không xác định trước được của các thông số trong quá trình làm việc của hệ.
Một số phương pháp điều khiển lực căng hệ thống tháo-quấn băng vật liệu:
- Điều khiển gián tiếp mô men của động cơ truyền động từ yêu cầu lực lực
căng và đường kính tang cuộn đặt trước. Phương pháp này đơn giản thường sử dụng
phổ biến cho khâu tháo và quấn lại vật liệu.

t
M
nip
(t)
ω
nip
(t)
(c)
Hình 1.13: Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc độ,
mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn
và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ
thống tháo-quấn băng vật liệu:
(a) Động cơ truyền động tháo quấn
Động cơ truyền động quấn lại
Động cơ truyền động con lăn kẹp (nip roll)
Tang (lô) tháo quấn
Unwind roll
Loadcell
T
u
, V
r
T
u
, V
u
ω
u
ω
r

u
u u u u
u w u u u
w u u
K U R
hV
V D V TR
J K R R R
hK R V
π
π
 
 ÷
 ÷
= − + +
 ÷
+ −
 ÷
 ÷
−
 ÷
 
&
Vận tốc dài tang quấn (m/s):
2
2
4 4 2
0 0
2 2
1

u
u
hV
R
R
π
= −
&
Bán kính tang quấn (m):
2
r
r
r
hV
R
R
π
=
&
Vận tốc trục quay tang tháo (rad/s):
u
u
u
V
R
ω
=
Vận tốc trục quay tang quấn (rad/s):
r
r

Với
EA
K
L
=
hệ số đàn hồi.
Trong đó:
u
V
,
r
V
,
u
R
,
r
R
,
u
ω
,
r
ω
,
u
J
,
r
J

,
( )
r
t
ω
,
( )
u
J t
,
( )
r
J t
,
( )
u
U t
,
( )
r
U t
,
( )T t
.
0u
R
,
0r
R
: Bán kính của lõi trục quay.

VẬT LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
2.1. Tổng quan về truyền động điện một chiều
2.2. Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ
Cấu trúc hệ thống điều khiển T-Đ với hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng
điện như hình 2.1.
HV: Tôn Thất Đồng - 8 -
Hình 2.1 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - Động cơ
FT
GVR
GVR
-1
L
C1
TA
L
C2
L
C3
L
C4
Đ
VF
VR
TM
U
ci
-U
i
U*
i

R
ω
R
i
U*
n
u
n
u
i
U*
i
-
u
d0
- -
i
dl
e
C
1
pT
R
u
1pT
1/R
u
+
1pT
K

i
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
Cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động Thyristor - động cơ truyền động cho
hệ thống tháo-quấn băng vật liệu như hình 2.6.
Từ hình 2.6 ta vẽ lại sơ đồ khối chức năng như hình 2.7.
2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển
2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện
Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ i
k
và từ thông
Φ
phụ thuộc phi
tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt.
Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập sau khi tuyến tính
hóa:
HV: Tôn Thất Đồng - 10 -
FT
GVR
GVR
-1
L
C1
TA
L
C2
L
C3
L
C4
Đ

(p) (2.3.24)
K
Φ
.I(p) – M
C
(p) = Jp
ω
(p) (2.3.25)
Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 2.12.
Các hàm truyền của động cơ có dạng:
2
( )
( ) 1
d
u c c
K
p
U p T T p T p
ω
=
+ +
(2.3.28)
2
( ) 1
( ) 1
c
u u c c
pT
I p
U p R T T p T p

+
k
k
p.T1
1/R
+
jp
1
K
k
Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
U
-E
I M
-
ω
KФ
KФ
u
u
T.p1
/R1
+
pj
1
M
C
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
2
(1 )

ct s
U p K
U p T p
=
+
(2.3.36)
2.3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc
Hàm truyền của máy phát tốc:
w
FT
(p) =
1
K
T p
ω
ω
+
(2.3.37)
Trong đó: T
ω
- hằng số thời gian của máy phát tốc.
K
ω
- hệ số phản hồi máy phát tốc.
2.3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện
Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
w
BI
(p) =
1

Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:
Hàm truyền của đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
S
0i
(p) =
( ) 1
( ) (1 . )(1 . )(1 . )(1 . )
cl i
dk dk v i u
K K
I p
U p R p T pT p T pT
=
+ + + +
(2.3.39)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín:
F
OMi
(p) =
2 2
1
1 2 2p p
σ σ
τ τ
+ +
(2.3.41)
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
R
i

U p K T p T p K T p T p
= =
+ + + +
(2.3.44)
Tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
F
OMi
(p) =
2 2
( )
1 1
( ) 1 2 2 1 2
i
di si si si
U p
U p T p T p T p
= ≈
+ + +
(2.3.45)
HV: Tôn Thất Đồng - 13 -
U
id
jp
1
Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
U
i
(p)
-
R

Id
U
I
(p)
U
dk
(p)
I(p)
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
b.Tổng hợp bộ điều khiển tôc độ R
ω
Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng tốc độ như hình 2.18:
Hình 2.18 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ PI
Hàm truyền mạch vòng dòng điện như sau:
2 2
( ) 1 1
( ) 1 2 2
id i si si
I p
U p K T p T p
=
+ +
(2.3.47)
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ thu gọn như hình 2.19:
Trong đó:
S
oω
(p) =
.
. . . . (1 )

S
0ω
(p)
Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
U
ωd
U
ω
(p)
ω(p)
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
'
( ) 1 1
( ) 2 (1 ) 1
d s s
p
U p K T p T p
ω ω ω ω
ω
=
+ +
(2.3.53)
Với:
'
. . .
2
. .
i c
s
p

R
ω
(p) là khâu tích phân - tỷ lệ (PI)
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
2 2
( ) 1 1 1 1
. .
( ) 1 2 2 1 2
d s s s
p
U p T p T p K T p K
ω ω ω ω ω ω
ω
= ≈
+ + +
(2.3.58)
Kết quả tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có:
2 2 3 3
( ) 1 1 1 1
. .
( ) 1 4 8 8 1 4
d s s s s
p
U p T p T p T p K T p K
ω ω ω ω ω ω ω
ω
= ≈
+ + + +
(2.3.59)
Đối với hệ truyền động điện cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu thì giá tri

của R
ω
phụ thuộc vào mômen quán tính J;
đồng thời bên cạnh đó Mc trên trục động cơ cũng biến đổi liên tục.
2.3.2. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ
độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu sử dụng bộ điều khiển PI
kinh điển
2.3.2.1. Đặc điểm và tính toán thông số hệ thống truyền động
HV: Tôn Thất Đồng - 15 -
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
Các thông số của động cơ điện một chiều và bộ chỉnh lưu đã có như sau:
P
đm
: Công suất định mức của động cơ = 2,2 kW
U
đm
: Điện áp phần ứng định mức = 220 V
I
đm
: Dòng điện định mức = 12 A
n
đm
: Tốc độ quay rotor định mức = 1500 v/ph
R
ư
: Điện trở phần ứng = 1,2 Ω
L
ư
: Điện cảm mạch phần ứng = 0,031 H
T

0
: Mô men quán tính tang quay và trục động cơ = 0,016 Kg.m
2
2.3.2.3. Mô phỏng Simulink – Matlab bộ điều khiển PI
* Sơ đồ mô phỏng Simulink khâu quấn lại vật liệu – Hình 2.20:
Hình 2.20: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển PI khâu
quấn lại
HV: Tôn Thất Đồng - 16 -
Hình a
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
* Kết quả mô phỏng:
- Kết quả so sánh tổng hợp:
Hình b
Hình 2.23: Kết quả mô phỏng tổng hợp kết quả tốc độ bám theo tốc độ đặt khi M
c
và J biến thiên
Hình a - Kết quả tổng thể Hình b - Phóng to kết quả hình a
- Tốc độ đặt thay đổi:
HV: Tôn Thất Đồng - 17 -
Tốc độ đặt
Tốc độ ra
Mô men tải
Mô men quán tính
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 2.24: Tốc độ đặt
- Mô men tải Mc biến thiên:
Hình 2.25: Mô men tải Mc biến thiên
- Mô men quán tính J biến thiên
HV: Tôn Thất Đồng - 18 -
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa

I
của bộ PI. Cụ thể bộ
điều điều khiển mờ lai chỉnh định ở chương 3.
HV: Tôn Thất Đồng - 19 -
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 3
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRUYỀN ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÁO-QUẤN
BĂNG VẬT LIỆU
3.1. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ lai PID mờ
3.1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ
3.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
3.1.3. Nguyên lý điều khiển mờ
3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ
3.1.5. Các bộ điều khiển mờ
3.1.5.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh
3.1.5.2. Bộ điều khiển mờ động
3.1.6. Hệ điều khiển mờ lai
Hệ mờ lai là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao
gồm hai thành phần:
- Phần thiết bị điều khiển kinh điển.
- Phần hệ mờ.
3.2. Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc
lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu
3.2.1. Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI
HV: Tôn Thất Đồng - 20 -
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai
Cơ sở để thiết kế bộ điều khiển mờ là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và
đạo hàm của tín hiệu ra dω/dt, các tham số K

HV: Tôn Thất Đồng - 21 -
Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa
( ) ( )
( ) ( )
∑
∑
=
=
−
=
49
1
49
1
/.)(
/.)(
)(
l
BA
l
BA
l
p
p
dtdwte
dtdwtey
tHsK
ll
ll
µµ

µµ
Trong đó
l
I
l
p
yy
−−
,
là tâm của các tập mờ tương ứng.
Kết quả xây dựng ta có bộ điều khiển mờ cho khâu quấn lại vật liệu như sau:
(a) Cấu trúc bộ điều khiển mờ
HsKP ERROR
NB NM NS ZE PS PM PB
dω
dt
NB B M S S S M B
NM B M S S S M B
NS B B MS S MS B B
ZE B B M MS M B B
PS B B MS S MS B B
PM B M S S S M B
PB B M S S S M B
HsKI
ERROR
NB NM NS ZE PS PM PB
NB B M S S S M B
NM B M S S S M B
NS B B MS S MS B B
HV: Tôn Thất Đồng - 22 -