ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO
HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC
Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: ĐỖ ĐỨC THÀNH
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY CƯƠNG
THÁI NGUYÊN – 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO
HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC
Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: ĐỖ ĐỨC THÀNH
Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY CƯƠNG
THÁI NGUYÊN – 2010
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ ĐỨC THÀNH
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO
HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

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.
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
Chuẩn
bị phôi
Cán
thép thô
và trung
Nung
phôi
Cán
Block
Làm
nguội
Đóng
bó, nhập
kho
Kiểm tra
Kiểm tra
10B. Thông thường, nhiệt độ cán kết thúc hợp lý nhất là 750
0
C đến 800
0
C. Thép cán
sau khi kiểm tra, đạt chất lượng được đưa lên sàn làm nguội.
Bước 5: Làm nguội.
Thép sau khi cắt đoạn được làm nguội trên sàn nguội. Nhiệt độ kết thúc của việc

Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển cán Block
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
HOP_SO
i i
Thực tế bây giờ khi có tải dòng của động cơ 2 dao động rất lớn (dòng động cơ 1
là khoảng 480 (A), còn dòng động cơ 2 dao động quanh giá trị 830 (A)) và không cùng
tăng hay không cùng giảm dòng với động cơ số 1, làm hai động cơ ghì nhau (trở thành
tải của nhau). Dẫn đến trong quá trình vận hành bảo vệ dòng thường tác động dừng
máy sự cố, về lâu dài gây nóng máy, phá hỏng phần cơ khí, năng suất kém.
Việc chế tạo ra bộ điều khiển mới nhằm khắc phục các nhược điểm như đã nêu là
cần thiết và mang tính cấp bách. Thiết kế mới bộ điều khiển cho cán Block là nội dung
chính của bản luận văn và được trình bày ở các chương tiếp sau.
CHƯƠNG 2
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
2.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi
2.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT:
Trong ví dụ này, đối tượng (tuyến tính) được mô tả bằng hàm truyền:
p

p a
K + b
s + (a + K )s +1
(2.5)
Điều này nhận được luật điều chỉnh được gọi là luật MIT:
b b
a a 2
K (t) = K (0) +β (eu)dt (2.8)
K (t) = K (0) +α (ex )dt (2.9)
∫
∫

Đối tượng
Bộ điều
khiển
Thích nghi
Mô hình
mẫu
Bộ DK
u
+
- y
+
-
+
-
Hình 2.1b: Hệ thích nghi tín hiệu
Hình 2.6: Kết quả việc thích nghi của K
a
và K

0.5
1
1.5
setpoint
-0.5
0
0.5
1
Ym
0
0.5
1
1.5
Yp
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
sailech-e
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Ka
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
time {s}
0.2
0.4

+ =
& &
,
0
T T
e PBu b b
β
+ =
&
4. Giải tìm P từ phương trình
T
m m
A P PA Q+ = −
Hình 2.10.c: Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương
pháp ổn định Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ.
Luật thích nghi theo Liapunov:
21 1 22 2 2
22
0
1
( ) (0)
t
a a
K p e p e x dt K
α
= − + +
∫
21 1 22 2
2
0


Sailech_e
SignalMonitor
Square
Ym
Yp

model
0
0.5
1
1.5
SignalMonitor
-0.5
0
0.5
1
Ym
0
0.5
1
1.5
Yp
-1
-0.5
0
0.5
sailech-e
-1
0

, K
b
bổ xung khâu tỷ lệ.
CHƯƠNG 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
Cán Block là khối quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, yêu cầu chính của
các bộ điều khiển cho khối này là ổn định tốc độ và chia đều tải cho 02 động cơ khi tải
cán thép thay đổi. Tuy nhiên bộ điều khiển đang sử dụng với các thông số cố định
không đáp ứng được khi thông số thay đổi gây ra dòng hai động cơ có sự sai lệch lớn.
Nên nội dung chương này là đề xuất và thiết kế bộ điều khiển thích nghi gồm hai
mạch vòng: mạch vòng tốc độ sử dụng bộ chỉnh PID với các thông số cố định để ổn
định tốc độ và mạch vòng dòng điện với với bộ điều khiển thích nghi để cân bằng
dòng điện (bám sát nhau) hai động cơ trong phạm vi cho phép. Nội dung Chương 3 sẽ
gồm:
-Mô hình hóa động cơ điện một chiều, tính toán các tham số liên quan.
-Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện của động cơ 1 và đây được xem là mô hình
mẫu để xây dựng bộ điều chỉnh cho mạch vòng dòng điện động cơ 2.
-Xây dựng bộ điều chỉnh thích nghi cho mạch vòng dòng điện của động cơ thứ 2
sao cho dòng điện hai động cơ 2 luôn bám sát dòng điện của động cơ 1.
-Xây dựng bộ điều khiển mạch vòng tốc độ, tính toán bộ thông số PID. Hiệu
chỉnh lại bộ thông số PID sao cho độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ theo yêu cầu.
i
1
i
2
i
1+2

1+Tu.s
Phan_ung
Cu 1/J
J
Cu
W_Tocdo
1
s
Hình 3.3: Cấu trúc động cơ một chiều từ thông không đổi
3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu MRAC .
i1
i2
Sailech_e
ε
ε
1
2
Dong_dien_dat Dong_dien_1
BDK_D1
BDK_Dongdien_1
DC_1
Phan_ung_1
BDK_TN
BDK_TN
DC_2
Phan_ung_2
CO CAU
THICH NGHI
Dong_dien_2
BBD_1

3.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi .
Bộ điều chỉnh dòng điện 2 dùng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC (bộ điều chỉnh tối ưu độ lớn của bộ điều chỉnh dòng điện 1). Xây dựng bộ điều
khiển thích nghi thực tế theo 4 bước như sau:
Bước 1: Hàm truyền của mạch vòng dòng điện 2 chưa có bộ điều chỉnh.
,
( )
( , . ).( , . )
OI
9 3
H s
0 045 s 1 0 13 s 1
=
+ +
Dùng phần mềm 20.sim chuyển hàm truyền thành ma trận trạng thái.
, ,
p
0 1
A
170 9 29 91
 
=
 
− −
 

p
0
B
1059

: tín hiệu ra,
.
2 1
x x=

.
p p p
x A x B u= +
,
.
m m m
x A x B u= +
,
.
1
1 2
, ,
p m p
x x x x e x x= = = −

Phương trình vi phân của e là:
. . .
m p
m p
e x x A e Ax Bu= − = + +
Với: A = A
m
- A
p
B = B

A
K K
 
=
 ÷
− + +
 
0
812,1
C
B
K
 
=
 ÷
− +
 
.
1
2
0
0 0
. .
812.1
76 7,69
m
C
A B
x
e A e u

= + + +
+ + + +
&
&
ε α
β λ
Đặt :
( )
T T T T
m m m m
e A P PA e e Qe A P PA Q+ = − ⇔ + =−
Các thành phần còn lại của (3.30) giải bằng 0: α, β, λ các hệ số thích nghi > 0.
.
0
T
P P
e PA K K+ =
&
ε α

. .
2
0
T
D
D
e PAx K K+ =
β

. .

.
21 22 1
0
1
( ) . (0)
t
TN TN
B P e P e x dt B= + +
∫
λ
Bước 4: Giải P từ phương trình (3.31):
T
m m
A P PA Q+ = −
Ta lựa chọn một ma trận Q bất kỳ xác định dương, thì hệ thích nghi cho kết quả
được bảo đảm ổn định. Chọn giá trị Q như sau:
500 200
200 400
Q
 
=
 ÷
 
Thay Q, A
m
vào phương trình (3.31) và cân bằng hệ số trong phương trình:
11 12 11 12
21 22 21 22
0 1 0 246,9 500 200
. .

x
1
x
2
i_dk
Bu thich nghi
u
I_v
Dong_dien_1
Dong_dien_2
P21
P22
d/dt
K
d
B
TN
d/dt
K
p
Liapunov
Dong_dien_dat
9.3
0.045 s + 1
Chinh_luu_1
1
0.13 s + 1
Phan_ung_1
0.13 s + 1
0.837 s

0
0.5
1
1.5
Dong_dien_dat
-0.5
0
0.5
1
Dong_dien_1
-0.5
0
0.5
1
Dong_dien_2
0 5 10 15 20 25 30
time {s}
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
sailech_e

Hình 3.11: Đáp ứng mạch vòng dòng điện
Dac tinh he so thich nghi - on dinh
-0.2
0
0.2
0.4

U
k 2
T s 1 0 13 s 1
=
+ +

Khi thời gian t = 70(s) thay đổi thời gian T
U
: T
U
= 0.5
( . ) ( , . )
U
k 2
T s 1 0 5 s 1
=
+ +
Dap ung dong dien - dung MRAC
0
0.5
1
1.5
Dong_dien_dat
0
0.5
1
Dong_dien_1
0
0.5
1

He so thich nghi - on dinh khi co nhieu o 30 va 70 (s)
0.5
1
1.5
2
k
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Tu
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Kp
-0.05
0
0.05
Kd
0 20 40 60 80 100 120
time {s}
0
0.05
0.1
0.15
B_TN
Hình 3.14 : hệ số thích nghi - ổn định sau khi thông số k,T

bộ điều chỉnh R
w
là bộ khuếch đại K
p
Hình (3.16), sau đó tăng hệ số khuếch đại K
p

tới giá trị K
th
để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định (dao động điều hòa). Xác định chu
kỳ T
th
của dao động dựa trên trên phần mềm mô phỏng 20.sim.

Kth = 162.201559
0 0.5 1 1.5 2
time {s}
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Toc_do
Hình 3.19 : với K
th
=162.201559 hệ kín dao động điều hòa
Dùng phần mềm 20.sim lấy hiệu tọa độ hai đỉnh dao động max liên tiếp trên
trục hoành, ta xác định được T
th

Toc_do_dat
K
Kd
d/dt
Toc_do
1/J
J

Cu
Cu
Dong_dien_1
Dong_dien_2
P21
P22
d/dt
K
d
B
TN
d/dt
K
p
Liapunov
9.3
0.045 s + 1
Chinh_luu_1
1
0.13s + 1
Phan_ung_1
0.13s + 1

thời gian quá độ, dùng phần mềm mô phỏng 20.sim thực hiện, chọn được như sau:
, .
W
17
R (s) =81 4 6 s
s
+ +
Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng đối với bộ điều khiển mới (mạch vòng tốc độ) khi
thay đổi mô men tải M
C
và tín hiệu vào tốc độ đặt tại các thời điểm t
1
, t
2
, t
3
: Hình 3.23
t
1
= 10(s) với M
C
= 0→ M
C
= 2
t
2
= 30(s) với M
C
= 2→ M
C

và
tín hiệu vào tốc độ đặt thay đổi
Nhận xét:
Hệ thống đã đáp ứng được yêu cầu ổn định tốc độ: thời gian quá độ nhỏ <
0,5(s), độ quá điều chỉnh:
.
0
0
1,16-1
100 16
1
=
, trong phạm vi cho phép.
KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS.
Nguyễn Duy Cương. Tác giả đã hoàn thành những nội dung công việc cụ thể của luận
văn như sau:
Phần thứ nhất: Giới thiệu tổng quan nhà máy Cán Thép Lưu Xá, cán Block và
những vấn đề cần giải quyết.
Trong phần thứ hai: Tác giả đã khái quát lại và kiểm chứng bằng mô phỏng
một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa theo mô hình mẫu, áp dụng
lý thuyết ổn định Liapunov cho việc thiết kế, đây là một nền lý thuyết thường được các
nhà điều khiển khai thác và vận dụng khi thiết kế bộ ĐKTN. Đã có nhiều đề tài nghiên
cứu ĐKTN theo mô hình mẫu dựa trên lý thuyết ổn định Liapunov. Những đề tài trước
đây khi tính toán để xây dựng cơ cấu ĐKTN mới chỉ đưa ra phương pháp thiết kế nói
chung. Khi thiết kế bộ ĐKTN, để thỏa mãn điều kiện ổn định có nhiều cách lựa chọn
hàm Liapunov. Do đó, cơ cấu điều khiển thiết kế ra cũng có nhiều kết quả khác nhau.
Công thức do Job van Amerongen đưa ra là một trong số những kết quả nhận
được. Ưu điểm của công thức là thực sự chính xác, rõ ràng, dễ hiểu, dễ áp dụng vào
thực tế khi điều khiển đối tượng cụ thể. Khi nghiên cứu ĐKTN theo mô hình mẫu,

Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn vỵ
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp. Vào hồi 7h ngày 07 tháng 10 năm 2010.
Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện:
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp.