Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

Vinh, ngày tháng năm 2022
Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

Vinh, ngày tháng năm 2022
Giáo viên phản biện

GVHD: Trần Duy Trinh

SVTH: Phan Văn Đức

Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.........................................................................................................................................3
CHƯƠNG I MÔ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU ......................................................................................................................................................4
1.1. Đặt vấn đề...............................................................................................................4
1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều...........................................4
1.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập..................................................................5
1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều.......................................5
1.3.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập......................................7
1.3.3. Mơ tả tốn học động cơ điện một chiều kích từ độc lập.......................................9
1.4. Bộ chỉnh lưu..........................................................................................................13
1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của bộ chỉnh lưu.................................................13
1.4.2. Mơ tả tốn học của bộ chỉnh lưu........................................................................15
1.5. Máy phát tốc.........................................................................................................17
1.5.1. Nguyên lý làm việc và chức năng......................................................................17
1.5.2. Mô tả toán học của máy phát tốc........................................................................17
1.6. Bộ điều chỉnh PI....................................................................................................18
1.6.1. Chức năng..........................................................................................................18
1.6.2. Mơ tả tốn học...................................................................................................18
1.7. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ một chiều..................................19
CHƯƠNG II ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ CHỈNH LƯU CÓ
ĐIỀU KHIỂN – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (CL-DC ).............................................................20
2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC...............................................................20
2.2. Phương trình đặc tính của hệ truyền động CL-DC................................................20
2.3. Ngun lý làm việc của hệ truyền động CL-DC...................................................21
CHƯƠNG III TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU
MODUN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG...............................................22
3.1. Nghiên cứu các phương pháp thiết kế bộ điều khiển.............................................22

3.1.1 Bộ điều khiển PID...............................................................................................22
3.1.2. Nguyên lý tối ưu độ lớn (Môdun)......................................................................23
3.1.3. Nguyên lý tối ưu đối xứng.................................................................................25
3.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho động cơ......................................26
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện.......................................................................26
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ.............................................................................28
CHƯƠNG IV KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG. ................................31
GVHD: Trần Duy Trinh

1

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

4.1. Kiểm tra, đánh giá chất lượng trạng thái tĩnh........................................................31
4.1.1. Kiểm tra sai lệch tĩnh của hệ thống....................................................................31
4.2. Kiểm tra tính ổn định của hệ thống.......................................................................32
4.2.1. Tiêu chuẩn ổn định đại số...................................................................................32
4.2.2. Xét tính ổn định của hệ thống............................................................................32
4.3. Kiểm tra, đánh giá chất lượng động của hệ thống bằng phần mềm Matlab
Simulink....................................................................................................................... 33
4.3.1. Kiểm tra đánh giá mạch vòng dòng điện............................................................33
4.3.2. Kiểm tra chất lượng động của tốc độ sau khi có bộ điều khiển tốc độ...............34
KẾT LUẬN............................................................................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................37

GVHD: Trần Duy Trinh


2

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

LỜI MỞ ĐẦU
Đồ án thiết kế hệ thống Điều Khiển Và Tự Động Hóa là đồ án quan trọng
trong chương trình đào tạo Ngành Điều Khiển Và Tự Động Hóa. Đây là đồ án cần
vận dụng và tổng hợp các kiến thức của các học phần đã được học để giải quyết
thiết kế tổng hợp một hệ thống Điều Khiển Tự Động Hóa trong thực tế . Sau một
thời gian học tập các học phần cơ sở nay em được giao đề tài "Thiết kế bộ điều
chỉnh tốc độ cho hệ truyền động Bộ biến đổi – Động cơ điện một chiều (CLDC)” để thực hiện. Sau thời gian thực hiện đến nay đã hồn thành và nội dung
gồm có năm chương:
Chương 1: Mô tả cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều.
Chương 2: Điều chỉnh tốc độ động cơ điện bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển
– động cơ một chiều (CL-DC).
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống theo phương pháp tối ưu
modun kết hợp phương pháp tối ưu đối xứng.
Chương 4: Khảo sát chất lượng hệ thống thơng qua tính tốn các bộ điều
chỉnh và từ đó mơ phỏng mạch vịng dịng điện, mạch vịng tốc độ bằng phần mềm
Matlab_Simulink.
Để hồn thành đồ án này bản thân em đã hết sức nỗ lực và cố gắng, nhưng
có thể có nhiều thiếu sót. Kính mong Thầy Cô Giáo hướng dẫn chỉ bảo để đồ án
được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !

GVHD: Trần Duy Trinh


3

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

CHƯƠNG I
MƠ TẢ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1. Đặt vấn đề
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt
hơn so với các loại động cơ khác khơng những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Điều chỉnh điên áp cho phần ứng động cơ.
Điều chỉnh điên áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bao
giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ
hoặc mạch kích từ động cơ cho đến nay trong cơng nghiệp sử dụng bốn bộ biến đổi
chính.
1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều
Cos1
Speed
controller

limiter

iph


Current
controller

UDC
-

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ một chiều.
Trong đó:
+ Bộ điều khiển tốc độ (speed controller).
+ Bộ giới hạn tốc độ (limiter).
+ Bộ điều chỉnh dòng (current controller).
+ Bộ logic.
+ Bộ biến đổi tiristor động cơ.
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập.
+ Máy phát tốc.
GVHD: Trần Duy Trinh

4

+
DC

F
�
�

SVTH: Phan Văn Đức



Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

1.3. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
a: Cấu tạo.

Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và Phần
động.
Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra
từ trường. Bao gồm các bộ phận sau.
+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ được
kích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc).
Dây quấn kích thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ,
các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp nhau.
+) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lịng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ
thuật điện hay thép cacbon dày 0,5÷1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện
nhỏ có thể dùng thép khối, cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulơng . Dây
quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được
bọc cách điện kỹ thành một khối , tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ.
Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này nối tiếp với nhau.
+) Cực từ phụ: Được đặt giữa các cực từ chính và dùng dể cải thiện đổi
chiều. Lõi thép của cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực
từ chính. Cực từ chính được gắn vào vỏ nhờ bulơng.
+) Gơng từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm
vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại ,
trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ nhỏ dùng gang làm
vỏ máy.
GVHD: Trần Duy Trinh


5

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

+) Các bộ phận khác:
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người tránh chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp
máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, trong trường hợp này nắp máy thường làm
bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá , giá chổi than
có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh
xong thì dùng vít cố định lại.
Phần quay hay rơto: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp lại với nhau.
Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng .
Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một quy luật
nhất định, mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với
các phiến đồng gọi là phiến góp , các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau
và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than làm bằng graphit và được ghép sát vào thành
cổ góp nhờ lò xo.
+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ , thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao

do dịng điện xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại
thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc trục. Trong những động cơ
điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có
để một khe hở gọi là khe hở thơng gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở
làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ , lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn , giữa trục và lõi sắt có đặt giá rơto, dùng giá rơto có
thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
+) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh ra suất điện
động và có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường khơng làm bằng dây
đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài KW thường dùng
dây có tiết diện trịn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật
, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.

GVHD: Trần Duy Trinh

6

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng niêm để đè
chặt hoặc đai chặt dây quấn, niêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng
lớp mica dày từ 0,4÷1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn
dùng hai hình ốp chữ nhật V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện
bằng mica. Đi vành góp có cao lên một tí để hàn các đầu dây của các phần tử dây
quấn và các phiến góp được dễ dàng

b: Ngun lý làm việc.

Hình 1.3: Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều.
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh
dẫn có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của
lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do
có phiếu góp chiều dịng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay
đổi. Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E ư chiều
của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản
điện động. Khi đó ta có phương trình: U = E ư + Rư.Iư
1.3.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là
động cơ điện một chiều kích từ độc lập

GVHD: Trần Duy Trinh

7

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có : Phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư
(1.1)

Với:
Rư = rư + rcf + rb + rct
Sức điện động Eư được xác định qua biểu thức:
là hệ số cấu tạo của động cơ
Trong đó:
N: số đơi thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng động cơ
P: số đôi cực từ chính
A: số đơi mạch nhánh song song
 [Wb] : từ thơng kích từ dưới một cực từ
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (v/ph) thì:
Eư = Ke.n.
Trong đó:
 = 2n/60 = n/9,55.
n

Như vậy đặc tính cơ điện của động cơ là:

Uu
R  R fu
 u
Iu
K eΦ
K eΦ

Ta lại có mơmen điện từ của động cơ: Mđt= KIư
Với giả thiết bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép từ thi mô men điện từ bằng
mô men cơ trên trục động cơ. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M
n

Suy ra:, đặc tính cơ của động cơ là:


Uu
R  R fu
 u
M
K e Φ K e K 2

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ,  = const thì các phương trình đặc
tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính và trên đồ thị chúng được
biểu diễn bằng các đường thẳng.
n

Từ đồ thị trên ta nhận thấy khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì:
GVHD: Trần Duy Trinh

8

Uu
n 0
K e

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

n0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Khi n = 0 ta có:

Iu 


U
I nm
R u  R fu
; M = K.I

nm

= Mnm

Inm; Mnm: dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch của động cơ.
n 

R u  R fu
R  R fu
Iu  u
M
K e
K e K 2
được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của I ư

hoặcM.

Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Độ cứng của đặc tính cơ:
So với động cơ kích từ nối tiếp thì động cơ kích từ độc lập có đặc tính cơ
cứng hơn nên phù hợp với những truyền động có yêu cầu ổn định cao về tốc độ.Khi
thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được họ đặc tính cơ song song với
đường đặc tính cơ tự nhiên.
1.3.3. Mơ tả tốn học động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Id

Rd

Ld

Ud

Mc
E§

n, M

Hình 1.6. Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều KTĐL.
Hình 1.6 biểu diễn mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập với từ thông không đổi và bằng định mức, trong đó điện trở R d và điện
cảm Ld điện trở và điện cảm cuộn dây phần ứng động cơ. Từ hình 1.6 có thể viết
được các phương trình vi phân sau với giả thiết dòng điện liên tục:
dI
dI
U d  R d Id  LdĐ d uEu  Ru I  L u u  E
dt
dt
GVHD: Trần Duy Trinh

9

(1.2)
SVTH: Phan Văn Đức



Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

M  Mc 

GD 2 dn

375 dt

(1.3)

Trong đó:
là sức điện động động cơ.
là mômen điện từ của động cơ, khi bỏ qua tổn hao thì đây cũng chính là
mơmen cơ trên trục động cơ.
Mc là tổng mômen cản quy đổi về trục động cơ, bao gồm cả mômen cản
không tải và mômen phụ tải, đơn vị N.m.
GD2 là mơmen qn tính của hệ thống truyền động điện quy về trục động cơ,
đơn vị Nm2.
là hệ số mơmen với kích từ độc lập của động cơ điện, đơn vị Nm/A.
Khi định nghĩa các hằng số thời gian:
Te =Tư= Ld/Rd=Lư/Rư - Hằng số thời gian điện từ mạch điện rôto, đơn vị là s.
Tm 

GD 2 R d
375K e K 2 là hằng số thời gian điện cơ hệ thống truyền động điện, đơn vị là s.

Thay các hằng số thời gian vào phương trình vi phân, sau khi biến đổi được:
U dĐ E d Rd (I e  T


Id  Ic 

dId
)
dt

TmĐ dE
.
R d dt .

Trong đó: là dịng điện phụ tải.
Với điều kiện đầu bằng 0, dùng phép biến đổi Laplace đối với hai vế, sẽ được
hàm số truyền giữa điện áp và dòng điện:
Id (s)
1/ R d

U dĐ(s)  E (s)
T s 1
e

(1.4)

Hàm số truyền giữa dòng điện và sức điện động là:
R
E Đ (s)
 d
Id (s)  Ic (s) Tms

Ic(s)


(1.5)
- vẽ trên hình
Sơ đồ cấu trúc của biểuId(s)
thức (1.4) vàId(s)
(1.5) được
1.7a và 1.7b.
EĐ(s)
Ud(s)
Rd
Nếu đem chúng hợp vàod làm một, và chú ý tới ta sẽ được sơ đồ cấu trúc trạng thái
Ts
động của động cơ điện một chiều với kích từ độc lập, như trênm hình 1.7c.

1/ R
EĐ(s) Tes  1
a

ba
Ic(s)

Ud(s)

1/R d
Tes  1
GVHD: Trần Duy
Trinh
EĐ(s)

-


Id(s)

10
c

Rd
Tms

EĐ(s)

1
K e

n(s)

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động động cơ điện một chiều KTĐL.
Từ 1.7c có thể thấy động cơ điện một chiều có hai đại lượng đầu vào, một là
điện áp chỉnh lưu khơng tải lý tưởng U d, cịn đại lượng kia là dòng điện phụ tải I c.
Đại lượng đầu là lượng khống chế đầu vào, còn đại lượng kia là lượng nhiễu phụ
tải. Nếu không cần thiết thể hiện dòng điện I d vào sơ đồ cấu trúc, thì có thể dịch
điểm tổng hợp của lượng nhiễu I c về phía trước, đồng thời tiến hành tính tốn
chuyển đổi tương đương, sẽ được hình 1.8a. Ở chế độ khơng tải lý tưởng I c = 0, thì
sơ đồ cấu trúc đơn giản hố thành sơ đồ hình 1.8b.
Ic(s)
a


R d (Tes  1)
Ud(s)

Ud(s)

-

1/ K e
Tm Te s 2  Tm s  1

1/ K e
Tm Te s 2  Tm s  1

n(s)

n(s)

b

Hình 1.8: Đơn giản hố sơ đồ cấu trúc trạng thái động của động cơ điện một chiều
Thông số động cơ như sau:
- Công suất động cơ : P = 12kW
- Tốc độ định mức : n =770 vòng/phút
- Dòng điện định mức : Iđm = 65 A
- Điện áp định mức : Uđm = 220 V
- Dịng kích từ định mức : Ikt = 1,6A
- Số đôi cực : Zp =2
GVHD: Trần Duy Trinh


11

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

- Lấy UĐK = 10 V
Hiệu suất của động cơ là :
dm 

Pdm
450.103

 0,923
U dm .I dm 750.650

Vận tốc góc của động cơ:

2..n 2.3,14.1000

 104,72(rad / s)
60
60
Theo công thức (2 – 19 ) trang 31 (TĐĐ) ta có:


R u  0,5.(1  dm )

U dm

Idm

R u  0,5.(1  0,923).

750
 0,044()
650

Áp dụng công thức:

Lu  K L

U dm
Idm .Z p .n dm

Trong đó: KL là hệ số lấy giá trị 5,5 ÷ 5,7 (đối với máy khơng bù )
KL = 1,4 ÷ 1,9 (đối với máy có bù ) .
Vì máy có bù do đó ta chọn KL = 1,9

L u  L d  1,9.

750
 1,09.10 3
650.2.1000
(H )

Hằng số thời gian qn tính điện từ Tư:
Te  Tu 

Ta có :


k 

L u 1,09.10 3

 0,025(s)
Ru
0,044

U dm  R u .I dm 750  0,044.650

 6,9
dm
104,72

Từ công thức:

K  K en

K 6,9.104,7

 0,72
n
1000
1.4. Bộ chỉnh lưu
1.4.1. Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của bộ chỉnh lưu
a: Sơ đồ nguyên lý.
Số van chỉnh lưu bằng hai lần số pha của điện áp nguồn cung cấp, trong đó có
m van có katơt nối chung (các van 1, 3, 5) tạo thành cực dương của điện áp nguồn,
m van có anơt chung (2, 4, 6) tạo thành cực âm của điện áp chỉnh l ưu. Mỗi pha của

điện áp nguồn nối với 2 van, 1 ở nhóm anơt chung, 1 ở nhóm katơt chung.
 K e 

GVHD: Trần Duy Trinh

12

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Trong các van trong cùng một nhóm khi chưa có van nào dẫn, có thể có nhiều
van cùng có điện áp anơt dương hơn điện áp anơt, tuy nhiên sẽ chỉ có một van được
dẫn khi đó việc xác định van nào sẽ dẫn tuân theo hai quy tắc quan trọng sau đây
không chỉ đối với sơ đồ cầu ba pha mà dùng chung cho các sơ đồ của mạch chỉnh
lưu khi cần xác định van dẫn.
- Trong các van có catơt chung, van nào có anơt dương nhất van đó sẽ dẫn.
- Trong các van có anơt chung, van nào có catơt âm nhất van đó sẽ dẫn.
Vì đây là sơ đồ cầu ba pha điều khiển hoàn toàn nên các van này chỉ xác định điều
kiện có thể vào làm việc của các van cịn nếu van hoạt động thì phải phụ thuộc vào
tín hiệu điều khiển của van nữa.

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha và sơ đồ thay thế.

Hình 1.10: Đồ thị điện áp chỉnh lưu cầu ba pha.
b: Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu.
Để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều ta thay đổi thời điểm
đưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, làm thay đổi khoảng dẫn
dòng của van làm điện áp trung bình của chỉnh lưu thay đổi.

Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là ngồi các thời gian chuyển mạch các van
ứng với (là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và van tiếp
sau đang bắt đầu làm việc) dòng điện phụ tải i d bằng dòng điện trong van đang mở.
GVHD: Trần Duy Trinh

13

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Do đó dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làm việc
của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì được xác định bởi độ sụt áp
trên pha đó. Ở sơ đồ cầu, bên ngồi chu kỳ chuyển mạch vẩn có hai van làm việc
đồng thời. Dòng điện phụ tải chảy liên tiếp qua hai van và hai pha của máy biến áp
dưới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tương ứng, nghĩa là dưới tác
dụng của sức điện động dây. Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều cả
sáu van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc.
Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu E d ở trạng thái dòng điện liên
tục được xác định: Ed = Eđmcos. Với Eđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnh
lưu ứng với trường hợp  = 0.
Trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là: E đm1 =1,17E2f (với sơ đồ 3 pha
hình tia).Eđm2 =2,34E2f (với sơ đồ 3 pha hình cầu).
Trong đó E2f là trị số hiệu dụng của sức điện động pha thứ cấp máy biến áp.
Dòng điện chỉnh lưu trên tải một chiều: Do điện áp chỉnh lưu lặp đi lặp lại 2m
(hoặc m) lần trong một chu kỳ của điện áp nguồn nên ở chế độ xác lập thì dịng qua
tải cũng lặp đi lặp lại như vậy (tuỳ thuộc sơ đồ chỉnh lưu là tia hay cầu, số pha chẵn
hay lẻ). Như vậy chỉ cần biết dòng và áp trên tải trong khoảng thời gian là 1/m chu
kỳ hay là tương đương góc độ điện 2m/q (q = 2m hoặc q = m). Để xác định dòng và

áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong một khoảng thời gian làm
việc của một van.

Hình 1.11: Sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong khoảng thời gian làm việc của van.
Trong đó: u: Tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối
với các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở thời gian đang xét. Nếu là sơ đồ tia thì chỉ
có 1 van mở, u = uf. Nếu là sơ đồ cầu thì có 2 van ở 2 pha khác nhau cùng làm việc, u
= ud. Nếu chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồ
thì: ; Um là biên độ điện áp nguồn (pha hoặc dây) ;  là góc pha đầu.
T đặc trưng cho van đang dẫn dòng, sơ đồ cầu là 2 van nối tiếp nhau, bỏ qua
sụt áp trên van.
GVHD: Trần Duy Trinh

14

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Ed, Rd, Ld là các phần tử của phụ tải.
Ud, Id là dịng và áp trên tải.
Phương trình cân bằng điện áp từ sơ đồ thay thế:
Giải phương trình này ta nhận được biểu thức của dòng điện chỉnh lưu:

i d  i 0  I m [1 

sin(  arctg)
1  ()


2

e  t /  ]  I m [1 

sin(t    arctg)
1  ()

2

]

Tuỳ thuộc đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà có thể có các
chế độ làm việc khác nhau.
Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc i d>0 ta có chế độ dịng tải liên tục.
Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dịng tải có q khoảng bằng không và q
khoảng khác không (q = m nếu là sơ đồ tia, q = 2m nếu là sơ đồ cầu) ta có chế độ
dịng tải gián đoạn.
Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dịng biên liên tục.
1.4.2. Mơ tả tốn học của bộ chỉnh lưu.
Khi nghiên cứu sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu người ta thấy rằng: Khi ta tác
động đến tín hiệu điều khiển để điều chỉnh điện áp đầu ra thì thơng thường tín hiệu
ra thay đổi chậm hơn tín hiệu vào một thời gian  nào đó (xem hình 1.12).
Thời điểm thay
u đổi giá trị uđk
uđk1

urc
uđ
k


uđk2
0

1

2

t

Thời điểm góc điều
khiển thay đổi

Hình 1.12. Đồ thị minh họa sự chậm trễ của sự thay đổi góc điều khiển so với sự thay đổi uđk

Từ đồ thị ta thấy rõ rằng: Sau khi ta thay đổi giá trị tín hiệu điều khiển ở đầu
vào khâu so sánh (giả thiết là nghiên cứu với trường hợp điều khiển bộ chỉnh lưu
theo nguyên tắc pha đứng) được một khoảng thời gian bằng  hay qui ra góc độ
điện bằng  thì hệ thống mới bắt đầu phát xung với giá trị góc điều khiển mới
(2). Điều này có nghĩa rằng tín hiệu đầu ra (điện áp chỉnh lưu trung bình U d) thay
đổi chậm hơn tín hiệu vào (điện áp điều khiển mạch phát xung u đk) một thời gian
bằng . Dùng hàm số bậc thang đơn vị để biểu thị sự chậm sau thì quan hệ đầu vào
đầu ra của thiết bị chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor có dạng:
Ud = Kbuđk.1(t-) = Eb
GVHD: Trần Duy Trinh

15

SVTH: Phan Văn Đức



Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Với Eb là sức điện động đầu ra bộ biến đổi, nó cũng bằng điện áp chỉnh lưu
trung bình khi khơng tải lý tưởng.
Theo định lý dịch chuyển của phép biến đổi Laplace, thì hàm số truyền là:
WT (s) 

U d (s)
 K b e s
U đk (s)

(1.6)

Giá trị của  phụ thuộc vào giá trị tín hiệu điều khiển trước khi thay đổi (u đk1),
hướng thay đổi (tăng hay giảm) và giá trị tín hiệu điều khiển mới (u đk2). Giá trị của
 có thể tiến đến 0 và cũng có thể tiến đến T/q (T là thời gian một chu kỳ điện áp
nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu). Trong tính tốn người ta thường
chọn giá trị của  bằng trung bình cộng giữa giá trị max và giá trị min, vì vậy
thường lấy  = T/(2.q). Kb là hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu, nó là một đại lượng
phi tuyến. Trong tính tốn gần đúng ta xem K b là hằng số và tìm bằng cách tuyến
tính hố đặc tuyến Ud=f(uđk)
Bảng 1.1. Thời gian trễ trung bình  của các mạch điện chỉnh lưu (f =50 Hz)
Loại sơ đồ chỉnh lưu
Hình tia một pha
Hình cầu một pha
Hình tia 3 pha
Hình cầu 3 pha, tia 6 pha nửa khu kỳ

Thời gian trễ
(ms)

10
5
3,33
1,67
s

Bởi vì trong biểu thức (1.6) có chứa hàm số mũ e , nó làm cho hệ thống
không phải là hệ thống pha cực tiểu, việc phân tích và thiết kế khá phức tạp. Để
s

đơn giản hoá, trước tiên phải khai triển e thành chuỗi Taylo, và biểu thức (1.6) trở
thành:
U d (s)
K
Kb
 K b es  sb 
1
1
U đk (s)
e
1  s   2s 2  3s3  
2!
3!
Xét tới  rất nhỏ, bỏ qua các thành phần lũy thừa bậc cao của nó, thì hàm số
truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor có thể coi một cách gần đúng là
khâu quán tính bậc nhất:
U d (s)
K
 b
U đk (s) s  1


(1.7)

Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của nó như trên hình 1.14.
GVHD: Trần Duy Trinh

16

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình
Uđk(s)



Ud(s)

Uđk(s)

Kb
s  1

a

Ud(s)

b

Hình 1.13. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của bộ chỉnh lưu có điều khiển Tiristor.

1.5. Máy phát tốc
1.5.1. Nguyên lý làm việc và chức năng

- Máy phát tốc cũng là máy phát điện một chiều có nhiệm vụ biến đổi tốc độ n
sang điện áp U (  n ). Để có quan hệ U  f(n) là bậc nhất thì   phải = const, do
đó máy thường có cực từ làm bằng nam châm vĩnh cửu .
- Đặc tính U = f(n) phải là tuyến tính vì thế thường thiết kế với mạch từ chưa bão
hịa
- Độ đập mạch của điện áp nhỏ nên số phần tử phải nhiều.
- Qn tính máy phát nhỏ.

Hình 1.14: Sơ đồ máy phát tốc.
1.5.2. Mơ tả tốn học của máy phát tốc
WMFT (s) 

U FT (s)

(s)

1.6. Bộ điều chỉnh PI
1.6.1. Chức năng

Tên gọi PI là chữ viết tắt của hai thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển
khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I)
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân).
Bộ điều khiển PI được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO
theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PI được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó
cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PI có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ
thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

GVHD: Trần Duy Trinh

17

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần u p(t), tín hiệu điều chỉnh
u(t) càng lớn (vai trị khuếch đai ).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua thành phần u I(t), PI vẫn cịn tạo
tín hiệu điều chỉnh (vai trị của tích phân ).
Bộ điều khiển PI được mơ tả bằng mơ hình vào - ra:


1 t
u(t)  k p  e(t)   e(t)dτ 
TI 0



Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, được gọi là hệ số
khuếch đại, TI là hằng số tích phân.
Từ mơ hình vào-ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PI:

1 
R(s)  k p 1 

 TIs 


Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số ,. Muốn hệ thống có được
chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các
tham số đó cho phù hợp. Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số ,
cho bộ điều khiển PI, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là:
- Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.
- Phương pháp thực nghiệm.
- Phương pháp xác định tham số theo tổng T.
1.6.2. Mơ tả tốn học
WPI (s)  k p

1s  1
i s

Hàm truyền bộ điều khiển PI:
Với : Kp là hệ số khuếch đại tỉ lệ của bộ điều khiển PI.
i là hằng số thời gian tích phân của bộ điều khiển PI.
1 là hằng số thời gian của bộ điều khiển PI.
1.7. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ một chiều.
Uc®

Rn(s)

U*i

-

Un

Kb

s  1

Eb

-

1/ R d
Tes  1

Id -

Ic
Rd
Tms

E§

1 n
Ke

Hình 1.15. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ.

GVHD: Trần Duy Trinh

18

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình


GVHD: Trần Duy Trinh

19

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

CHƯƠNG II
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU
KHIỂN – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (CL-DC ).
2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động CL-DC.
Bộ chỉnh lưu (CL) biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành nguồn điện 1
chiều trực tiếp cấp cho phần ứng động cơ Đ.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ, ta đặt tín hiệu điều khiển ĐK lên biến trở R
và đưa vào bộ phát xung (FX) rồi đưa tín hiệu đến bộ chỉnh lưu.
Thơng qua việc điều chỉnh điện áp U đk có thể thay đổi góc mở T dẫn đến thay
đổi điện áp phần ứng động cơ cho nên có thể tiến hành điều chỉnh vô cấp tốc
độ.Tuy nhiên nhược điểm của hệ truyền động kiểu này là do T rất nhạy cảm với
nhiệt độ, trị số quá định mức của các đại lượng như điện áp, dịng điện, du/dt, di/dt
vì vậy bắt buộc phải có những thiết bị bảo vệ tin cậy và điều kiện tản nhiệt phù
hợp.
Mặt khác, khi hệ thống ở trạng thái điều khiển quá sâu, góc mở T quá lớn, hệ
số công suất của hệ thống rất thấp đồng thời sinh ra sóng hài cao tần làm cho dạng
điện áp lưới điện thay đổi và làm nhiễu các thiết bị liền kề.
2.2. Phương trình đặc tính của hệ truyền động CL-DC.

RdId
Uđk

Eb

-

EĐ

n
KĐ

Kb

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động CL-DC
Từ sơ đồ cấu trúc ta có phương trình đặc tính cơ điện của hệ truyền động là:

GVHD: Trần Duy Trinh

20

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình



E do cos   U v Iu (R b  R u )


k dm
k

Nếu kể đến sụt áp trên các van ( U  0 ).
Phương trình đặc tính cơ là:


E do cos   U v M(R b  R u )

k dm
(k ) 2

2.3. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động CL-DC

Khi : Sức điện động bộ chỉnh lưu biến thiên từ E do đến - Edo và ta được một họ
đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải mặt phẳng toạ độ do các van khơng
cho dịng điện phần ứng đổi chiều.Các đặc tính cơ của hệ CL-CD mềm bởi thành
phần sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên.
Khi : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế
độ động cơ nếu sức điện động E > 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sức điện động E
đổi chiều.
Khi : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng của
tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện. Động cơ làm
việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.
Để khởi động động cơ sử dụng phương pháp khởi động với điện áp thấp.
Để điều chỉnh động cơ tăng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản thực hiện giảm từ
thơng kích từ động cơ nhỏ hơn từ thơng kích từ định mức.
Để điều chỉnh động cơ giảm tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản thực hiện giảm điện
áp phần ứng bằng cách tăng góc mở .
Dừng bằng phương pháp hãm động năng, với tải thế năng thì hãm ngược hoặc

hãm tái sinh.

GVHD: Trần Duy Trinh

21

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

CHƯƠNG III
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MODUN KẾT
HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG
3.1. Nghiên cứu các phương pháp thiết kế bộ điều khiển
3.1.1 Bộ điều khiển PID.

Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển
như hình 3.1: khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) người ta vẫn thường
nói rằng PID là một tập thể hồn hảo bao gồm ba tính cách khác nhau :
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ).
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân).
- Ln có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong
quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân).
u(p)

e(t)

u(t)


(t)

uI
uD

e(t)

PID

uĐối
(t )tượng điều khiểny(t)

(-)

u(t)

e(t)

Hình 3.1. Điều khiển với bộ điều khiển PID
điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo

nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả
về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ
thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần u p(t), tín hiệu điều chỉnh
u(t) càng lớn (vai trò khuếch đai ).
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thơng qua thành phần u I(t), PID vẫn cịn tạo
tín hiệu điều chỉnh (vai trị của tích phân ).
- Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thì thơng qua thành phần uD(t) phản
ứng thích nghi của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân ).

Bộ điều khiển PID được mơ tả bằng mơ hình vào - ra:

1
u(t) k p  e(t) 
TI


t

e(t)dτ  T

D

0

GVHD: Trần Duy Trinh

de(t) 

dt 

22

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, được gọi là hệ số
khuếch đại, TI là hằng số tích phân, là hằng số vi phân.

Từ mơ hình vào-ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:


1
R(s) k p 1 
 TD s 
TI s



Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số ,,. Muốn hệ thống có được
chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các
tham số đó cho phù hợp. Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham
số ,, cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là:
- Phương pháp sử dụng mơ hình xấp xỉ bậc nhất của đối tượng.
- Phương pháp thực nghiệm.
- Phương pháp xác định tham số theo tổng T.
Một điều cần nói thêm là khơng phải mọi trường hợp ta đều bị bắt buộc phải
xác định cả ba tham số ,,. Chẳng hạn như khi bản thân đối tương đã có thành phần
tích phân thì trong bộ điều khiển ta khơng cần phải có thêm khâu tích phân mới diệt
được sai lệch tĩnh, hay nói cách khác, khi đó ta chỉ cần sư dụng bộ điều khiển PD:
là đủ (=). Hoặc khi tín hiệu trong hệ thống thay đổi tương đối chậm và bản thân bộ
điều khiển không phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệch e(t) thì ta có thể
chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI (=0) có hàm truyền đạt:
3.1.2. Nguyên lý tối ưu độ lớn (Môdun)
Một trong những yêu cầu chất lượng đối với hệ thống điều khiển kín mơ tả
bởi hàm truyền đạt G(s): là hệ thống ln có đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệnh
được đưa ở đầu vào tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám
được vào càng ngắn càng tốt. Nói cách khác, bộ điều khiển lý tưởng R(s) cần phải
mang đến cho hệ thống khả năng với mọi .

Nhưng trong thực tế, vì nhiều lý do mà yêu cầu R(s) thỏa mãn yêu cầu trên khó
được đáp ứng, chẳng hạn như vì hệ thống thực ln chứa trong nó bản chất qn
tính, tính “cưỡng lại lệnh” tác động từ ngồi vào. Song “tính xấu” đó của hệ thống
lại được giảm bớt một cách tự nhiên ở chế độ làm việc có tần số lớn, nên người ta
thường đã thỏa mãn với bộ điều khiển R(s) khi nó mang lại được cho hệ thống tính
chất trên trong một dải tần số rộng lân cận 0.
Bộ điều khiển R(s) thỏa mãn: trong dải tần số thấp có độ rộng lớn được gọi
là bộ điều khiển tối ưu độ lớn. Hình 3.2 là ví dụ minh họa cho ngun tắc điều
khiển tối ưu độ lớn. Bộ điều khiển R(s) cần phải được chọn sao cho miền tần số của
biểu đồ Bode hàm truyền hệ kín G(s) thỏa mãn: = 0 là lớn nhất. Dải tần số này càng
lớn, chất lượng hệ kín theo nghĩa càng cao.
GVHD: Trần Duy Trinh

23

SVTH: Phan Văn Đức


Thiết kế hệ thống tự động hóa q trình

Một điều cần nói thêm là tên gọi tối ưu độ lớn được sử dụng ở đây không
mang ý nghĩa chặt chẽ về mặt toán học cho một bài toán tối ưu, tức là ở đây khơng
có phiếm hàm đánh giá chất lượng nào được sử dụng do đó cũng khơng xác định cụ
thể là với bộ điều khiển R(s) phiếm hàm đó có giá trị lớn nhất hay khơng. Thuần
túy, tên gọi này chỉ mang tính chất định tính chỉ rằng dải tần số mà ở đó G(s) thỏa
mãn

G (j ) 1

càng rộng càng tốt

L()

0
-20
-40

c

G

10c

10 c


1

(jω
j

Việc tra cứu khi phải thiết kế bộ điều khiển tối ưu độ lớn được tổng kết lại như sau:
- Nếu đối tượng có hàm truyền đạt với tất cả các hằng số thời gian đều đủ nhỏ thì
ta chọn bộ điều khiển I có tham số được xác định: và
- Nếu hàm truyền đạt của đối tượng có hằng số thời gian lớn vượt trội, cịn lại các
hằng số khác là đủ nhỏ thì chọn bộ điều khiển PI với các tham số: ; =; .
S(s) 

- Nếu S(s) cho trong

k

1  T1s 1  T2 s .... 1  Tn s  của đối tượng có hằng số thời

T , T ......, T

n là đủ nhỏ thì ta chọn
gian T1 , T2 lớn vượt trội, còn lại các hằng số khác 3 4
bộ điều khiển PID với các tham số: ; ;
3.1.3. Nguyên lý tối ưu đối xứng.
Phương pháp này thích hợp cho lớp đối tượng có thành phần tích phân.

S(s) 

K đt
To s(1  T s)

Trong đó:
- Hằng số thời gian tổng:
- Chọn cấu trúc của bộ điều khiển là:
Khi đó các thơng số của bộ điều khiển được tính theo các biểu thức sau:
1. Tính Kp:
2. Tính TI :
3. Mơ phỏng để xác định chất lượng bộ điều khiển .
GVHD: Trần Duy Trinh

24

SVTH: Phan Văn Đức