1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ MỸ DUNG
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
CÓ MÔMEN QUÁN TÍNH THAY ĐỔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành : Tự ñộng hóa
Mã số ngành : 60.52.60
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Đà Nẵng – Năm 2011

3
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
NGUYỄN THỊ MỸ DUNG


5. Cấu trúc luận văn ......................................................................................... 04
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..................... 06
1.1. KHÁI QUÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
........................................... 06
1.1.1. Nguyên lý cấu tạo ñộng cơ ñiện một chiều ............................................. 06
1.1.2. Phân loại ñộng cơ ñiện một chiều........................................................... 07
1.1.3.Điều khiển ñộng cơ ñiện một chiều ......................................................... 08
1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP...........09
1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều .................................................. 09
1.2.2. Chế ñộ quá ñộ ñộng cơ ñiện một chiều................................................... 10
1.2.2.1. Mô tả chung......................................................................................... 10
1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi ......................................... 12
5
1.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN................................... 14
1.4. MÔ PHỎNG.............................................................................................. 16
CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
DÙNG PID...................................................................................................................................18
2.1. THAM SỐ ĐỘNG CƠ
............................................................................... 18
2.2.1. Khái quát về bộ ñiều khiển PID
............................................................................18
2.2.2. Các phương pháp xác ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID............................................20
2.2.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols.............................................................. 20
2.2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones -Reswick ................................................. 22
2.2.2.3.Phương pháp tối ưu modul.................................................................... 24
2.2.2.4. Phương pháp tối ưu ñối xứng............................................................... 28
2.2. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU......... 29
2.2.1. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện ............................................ 29
2.2.2. Tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ.................................................. 32
2.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ............... 37

2
.........64
5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
THAY ĐỔI..........................................................................................................65
5.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KHI TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI.......................................................................................65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 67
1. Những ñóng góp của luận văn...................................................................... 67
2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................... 68
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................... 69
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
PHỤ LỤC
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU f Tần số dòng ñiện
P
ñm
Công suất danh ñịnh
n
ñm
Tốc ñộ ñịnh mức
U
ñm
Điện áp ñịnh mức
I
ñm
Dòng ñiện ñịnh mức
J

kt
Điện trở cuộn kích từ
U
kt
Điện áp kích từ
i
kt
Dòng ñiện kích từ
M Mô men quay trên trục ñộng cơ
Mc

Mô men tải

8
DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
2.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 21
2.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 22
2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 23
2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 23

1.7 Hàm truyền của chỉnh lưu tiristo 16
2.1 Cấu trúc bộ ñiều khiển PID 18
2.2 Điều khiển hồi tiếp với bộ ñiều khiển PID 19
2.3 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 20
2.4 Xác ñịnh hằng số khuếch ñại tới hạn 21
2.5 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k
th
22
2.6 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-
Hrones-Reswick
23
2.7 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín. 25
2.8 Cấu trúc mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện. 31
2.9 Sơ ñồ khối của mạch vòng dòng ñiện. 31
2.10 Sơ ñồ khối 33
2.11 Sơ ñồ khối của hệ ñiều chỉnh tốc ñộ 34
2.12 Quá trình dòng ñiện và tốc ñộ khi có nhiễu tải 35
2.13 Mô hình mô phỏng hệ thống với hai vòng ñiều chỉnh 37
10
3.1 Sơ ñồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu 43
3.2
Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực tiếp

44
3.3
Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu gián tiếp

45
3.4 Mô hình sai số 46
3.5 Các trạng thái cân bằng 48

1. Lý do chọn ñề tài
Cho ñến nay ñộng cơ ñiện một chiều ñóng một vai trò quan trọng trong
nghành công nghiệp cũng như trong cuộc sống của chúng ta. Động cơ ñiện một
chiều ñược ứng dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp cơ khí, ở các
nhà máy cán thép,nhà máy xi măng, tàu ñiện ngầm và các cánh tay Robot. Để
thực hiện các nhiệm vụ trong công nghiệp ñiện tử với ñộ chính xác cao, lắp ráp
trong các dây chuyền sản xuất, yêu cầu có bộ ñiều khiển tốc ñộ.
Đối với các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, do cấu trúc ñơn giản và
bền vững nên các bộ ñiều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, ñạo hàm) ñược dùng phổ
biến trong các hệ ñiều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc
vào các tham số K
P
, T
I
, T
D
của bộ ñiều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ
ñiều khiển PID chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống,
do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp
với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển. thì ta phải biết chính xác
các thông số và kiểu của ñối tượng cần ñiều khiển. Hơn nữa, bộ ñiều khiển này
chỉ chính xác trong giai ñoạn tuyến tính còn trong giai ñoạn phi tuyến thì các
phương pháp ñiều khiển kinh ñiển không thực hiện ñược.
Mục tiêu của ñiều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống ñiều khiển tự
ñộng. Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều ñối tượng ñiều khiển khác nhau, với
các yêu cầu và ñặc tính phức tạp khác nhau. Do ñó cần phải tiến hành nghiên
cứu, tìm ra các phương pháp ñiều khiển cụ thể cho từng ñối tượng. Mục ñích
cuối cùng là tìm kiếm các bộ ñiều khiển cho các hệ truyền ñộng ñiện ngày càng
ñạt ñược chất lượng ñiều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả ñạt ñược là
2

= L
u
/R
u
cũng sẽ thay ñổi trong quá trình làm việc. Với mạch kích từ, từ
3
thông Φ có thể bị thay ñổi dẫn ñến hằng số thời gian cơ học Tc cũng thay ñổi.
Khi xét ñến tải của các hệ truyền ñộng thì mô men quán tính của tải thường bị
thay ñổi, làm cho mômen quán tính của hệ qui ñổi về trục của ñộng cơ thay ñổi.
Nếu bằng các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển thì chúng ta gặp rất nhiều
khó khăn trong việc tính toán, thiết kế bộ ñiều khiển ñạt ñược chất lượng cao. Do
vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp ñiều khiển thích nghi ñể ñiều
khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều ñang là hướng nghiên cứu ñược rất nhiều
người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều
giá trị ứng dụng trong thực tiển.
Với các lý do trên, tác giả ñã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế
bộ ñiều khiển thích nghi cho ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay
ñổi làm ñề tài nghiên cứu với mong muốn ñạt ñược ñáp ứng ngõ ra và các ñặc
tính của hệ thống ñiều khiển thỏa mãn các yêu cầu ñã ñề ra.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ ñiện một chiều có mômen quán tính thay ñổi.
Phạm vi nghiên cứu của ñề tài là nghiên cứu phương pháp ñiều khiển thích
nghi ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nghiên cứu ñề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2
phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn ñề về ứng dụng
ñiều khiển thích nghi, các mô hình ñộng cơ ñiện một chiều, các hàm tối ưu trong
Matlab và các tính toán hỗ trợ các hàm tối ưu.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán tìm tối ưu trong

thích nghi.
Chương 5. Kết quả mô phỏng
Kết luận và kiến nghị 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hiện nay ñộng cơ ñiện một chiều vẫn ñược dùng rất phổ biến trong các hệ
thống truyền ñộng ñiện chất lượng cao, dải công suất ñộng cơ một chiều từ vài
W ñến hàng MW. Đây là loại ñộng cơ ña dạng và linh hoạt, có thể ñáp ứng yêu
cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ ñiện một chiều cũng
dễ dàng ñáp ứng với các truyền ñộng trong khoảng ñiều khiển tốc ñộ rộng và ñảo
chiều nhanh với nhiều ñặc tuyến quan hệ mômen – tốc ñộ.

tiếp với mạch phần ứng.
Động cơ ñiện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây
quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong ñó, cuộn kích từ song
song thường là cuộn chủ ñạo. Hình 1.1 trình bày các loại ñộng cơ ñiện một chiều.
8

Hình 1.1: Các loại ñộng cơ ñiện một chiều
a) Động cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập
b) Động cơ ñiện một chiều kích từ song song
c) Động cơ ñiện một chiều kích từ nối tiếp
d) Động cơ ñiện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.3. Điều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều
Ưu ñiểm cơ bản của ñộng cơ ñiện một chiều so với các loại ñộng cơ ñiện
khác là khả năng ñiều chỉnh tốc ñộ dễ dàng, các bộ ñiều chỉnh tốc ñộ ñơn giản,
dễ chế tạo. Do ñó, trong ñiều kiện bình thường, ñối với các cơ cấu có yêu cầu
chất lượng ñiều chỉnh tốc ñộ cao, phạm vi ñiều chỉnh tốc ñộ rộng, người ta
thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều.
Đối với các hệ thống truyền ñộng ñiện một chiều có yêu cầu ñiều chỉnh
tốc ñộ cao thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập. Trong phạm
vi luận văn này, xét khả năng ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều kích từ
ñộc lập.
9
1.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
1.2.1. Chế ñộ xác lập ñộng cơ ñiện một chiều
Khi ñặt lên dây quấn kích từ một ñiện áp u
k
nào ñó thì trong dây quấn kích

(1.2)
Trong ñó: ω - tốc ñộ góc của rôto.
Trong chế ñộ xác lập, có thể tính ñược tốc ñộ qua phương trình cân bằng
ñiện áp phần ứng:

Φ
−
=
k
IRU
u
ω
(1.3)
Trong ñó: Ru - ñiện trở mạch phần ứng của ñộng cơ.
10
1.2.2. Chế ñộ quá ñộ của ñộng cơ ñiện một chiều
1.2.2.1. Mô tả chung
Nếu các thông số của ñộng cơ là không ñổi thì có thể viết ñược phương
trình mô tả sơ ñồ thay thế như sau:
Mạch kích từ có hai biến dòng ñiện kích từ ik và từ thông máy Φ là phụ
thuộc phi tuyến bởi ñường cong từ hoá của lõi sắt:
Uk(p) = RkIk(p) +Nk.P.Φ(p) (1.4)
Trong ñó Nk- số vòng dây cuộn kích từ;
Rk- ñiện trở cuộn dây kích từ.
Mạch phần ứng:
U(p)= Ru.I(p)+ Lu p I(p) ± NN p Φ(p) + E(p) (1.5)
Hoặc dạng dòng ñiện:

)]()()([
1

K
JP
1

u
u
p
R
τ
+1
/1

K
N
N
N

K
PN
1

K
K
N
R

K
M
ω


)]([)]([)( pIIpLpIIRpUU
kkokkkokkko
∆++∆+=∆+
(1.8)
Phương trình chuyển ñộng cơ học:

)]([
)]([)]()].[([
BJ
pMMpIIpK
Bp
cBoo
ωω
∆+=
∆+−∆+∆Φ+Φ
(1.9)
Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có
thể viết ñược các phương trình của gia số:

)1).((.)](..)(..[)(
uuoB
pTpIRpKpKpU +∆=∆Φ+∆Φ−∆
ωω
(1.10)
12

)1).((
kkkk
pTpIRU +∆=∆
(1.11)

K
ω

k
K

k
k
pT
R
+1
1

∆U ∆I ∆M
∆M
C
∆ω

∆U
k
∆I
k
∆Φ

-
-

Hình 1.3: Sơ ñồ cấu trúc tuyến tính hoá ñộng cơ ñiện một chiều
1.2.2.2. Trường hợp khi từ thông kích từ không ñổi
Khi dòng ñiện kích từ ñộng cơ không ñổi, hoặc khi ñộng cơ ñược kích

T =
(1.15)
13

1
)(.)(
)(
2
++
+
=
pTpTT
C
pM
R
TppU
pI
ccu
u
c
u
c

(1.16)

u
u
pT
R
+1

u
c

1
2
++ pTpTT
K
ccu
ñ

U I
I
t
1
2
++ pTpTT
K
ccu
ñ

1
)1(
2
2
++
+
pTpTT
pT
C
R

ñộ ñiện áp nguồn thay ñổi. Xung ñiều khiển xuất hiện tại thời ñiểm mà ñiện áp
tựa bằng ñiện áp ñiều khiển.
Phần mạch lực của chỉnh lưu thường ñược phân thành hai nhóm chính,
chỉnh lưu hình tia và hình cầu. Trong sơ ñồ chỉnh lưu hình tia (anôt chung hoặc
catôt chung) mỗi pha của nguồn xoay chiều chỉ dẫn dòng trong một nữa chu kỳ.
Sơ ñồ chỉnh lưu cầu bao gồm hai chỉnh lưu hình tia. Các van Thyristor có thể
ñược nối theo kiểu ñiều khiển ñối xứng hoặc không ñối xứng.
Trong truyền ñộng ñiện, ña số các trường hợp chỉnh lưu ñược ñiều khiển
bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất
xung và tính bán ñiều khiển ñến quá trình quá ñộ là nhỏ và do ñó, gần ñúng có
thể coi chỉnh lưu là mạch ñiều chỉnh liên tục với sơ ñồ thay thế như hình 1.7.
15

R
b
L
b
E
d
I
d

Hình 1.6: Mạch thay thế chỉnh lưu
Trong
ñ
ó
.
2
)
4

L
f
, R
f
-
ñ
i
ệ
n c
ả
m và
ñ
i
ệ
n tr
ở
c
ủ
a m
ộ
t pha xoay chi
ề
u.
Trong tr
ườ
ng h
ợ
p bi
ế
n thiên nh

i
ệ
n tr
ở
Rb=Rf.
Do tính ch
ấ
t xung và tính ch
ấ
t bán
ñ
i
ề
u khi
ể
n c
ủ
a ch
ỉ
nh l
ư
u nên th
ờ
i
ñ
i
ể
m
c
ủ

Độ
dài c
ủ
a kho
ả
ng th
ờ
i gian tr
ễ
này có
ñặ
c tính ng
ẫ
u nhiên. Theo kinh
nghi
ệ
m, nên ch
ọ
n giá tr
ị
c
ủ
a th
ờ
i gian tr
ễ
là:

.
e

ñ
úng b
ở
i
khai tri
ể
n Mc.Laurin:

L
+++
=
−
22
!2
1
1
1
vovo
pT
TppT
e
vo
(1.18)
và khi này có th
ể
thay th
ế
hàm tr
ễ
b